國(guó)愛燕 戴君 趙晨光 張新偉

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

衛(wèi)星激光測(cè)高具備主動(dòng)獲取全球地表及目標(biāo)高程信息的能力，能為快速獲取包括境外地區(qū)在內(nèi)的高程控制點(diǎn)以及立體測(cè)圖提供服務(wù)，同時(shí)在極地冰蓋測(cè)量、植被高度及生物量估測(cè)、云高測(cè)量、海面高度測(cè)量以及全球氣候監(jiān)測(cè)等方面都可以發(fā)揮重要作用[1-3]。

從20世紀(jì)90年代開始，美國(guó)NASA陸續(xù)在火星、月球、以及水星等深空探測(cè)任務(wù)中使用激光測(cè)高儀進(jìn)行地形測(cè)量，繪制高精度地圖。2003年1月12日，NASA發(fā)射了冰、云和大陸高程探測(cè)的冰衛(wèi)星(Icesat)，搭載地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)(Geoscience Laser Altimeter System，GLAS)。GLAS采用了高能量低重頻大光斑激光、全波形測(cè)距技術(shù)和基于星敏感器的指向測(cè)量技術(shù)，用于監(jiān)測(cè)全球冰蓋高程及其變化，于2009年10月11日停止工作[4-6]。

2016年5月30日，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了資源三號(hào)02星，搭載了國(guó)內(nèi)首臺(tái)對(duì)地觀測(cè)的試驗(yàn)性激光測(cè)距儀，采用高能量激光器和閾值鑒別測(cè)距技術(shù)，開展在軌試驗(yàn)探索[7-8]。高分七號(hào)衛(wèi)星于2019年11月3日發(fā)射，其上搭載了激光測(cè)高儀，用于廣義稀疏控制點(diǎn)測(cè)量，對(duì)立體線陣測(cè)繪相機(jī)的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行高程誤差修正，提高立體圖像的高程精度，滿足高分七號(hào)衛(wèi)星在少控制點(diǎn)條件下實(shí)現(xiàn)1∶10 000立體測(cè)繪的應(yīng)用需求。

本文論述激光測(cè)高儀的總體設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)對(duì)高速全波形測(cè)距、高穩(wěn)定性激光指向測(cè)量和長(zhǎng)壽命激光器的實(shí)現(xiàn)方案、地面和在軌驗(yàn)證情況進(jìn)行分析。

1 激光測(cè)高儀總體設(shè)計(jì)

根據(jù)《GB/T 13990-92 1∶5000、1∶10 000地形圖航空攝影測(cè)量業(yè)內(nèi)規(guī)范》要求，制作1∶10 000比例尺地圖，對(duì)影像的平面誤差和高程精度要求見表1。

表1 1∶10 000比例尺地圖制圖需求Table 1 Requirements of 1∶10000-scale mapping m

根據(jù)上述需求，高分七號(hào)衛(wèi)星研制總要求提出了定位精度的指標(biāo)要求：無(wú)控制點(diǎn)情況下，1～2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品平面定位精度≤20 m(1σ)；有控制點(diǎn)情況下立體測(cè)繪產(chǎn)品精度平面精度≤5 m(1σ)、高程精度≤1.5 m(1σ)。

激光測(cè)高儀的設(shè)計(jì)指標(biāo)為測(cè)距精度≤0.3 m，經(jīng)在軌標(biāo)定后，激光足印的高程精度≤1 m。在少量地面實(shí)測(cè)控制點(diǎn)或無(wú)控制點(diǎn)情況下，以激光足印為高程控制點(diǎn)，與測(cè)繪相機(jī)數(shù)據(jù)聯(lián)合平差[9-10]，可實(shí)現(xiàn)1∶10 000比例尺地圖對(duì)影像的平面誤差和高程精度的要求。

為滿足使用要求，激光測(cè)高儀的總體設(shè)計(jì)思路為

1)采用高精度全波形測(cè)距體制

我國(guó)首次在星載對(duì)地測(cè)量應(yīng)用中使用全波形測(cè)距體制激光測(cè)距，相對(duì)于傳統(tǒng)的閾值鑒別體制，全波形能夠反映探測(cè)區(qū)域內(nèi)地表形狀、地表粗糙度和反射率等地形、地物信息，通過(guò)對(duì)波形數(shù)據(jù)的分析、處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的高精度統(tǒng)計(jì)。

2)配置足印相機(jī)，同時(shí)記錄激光出射方向和地物影像

足印相機(jī)對(duì)激光出射方向進(jìn)行精確的測(cè)量，確定激光指向地面的矢量方向。同時(shí)，足印相機(jī)還對(duì)地物進(jìn)行成像，并通過(guò)與測(cè)繪相機(jī)的圖像匹配，最終確定激光足印控制點(diǎn)在地面的位置。

3)2通道、3 Hz工作方式和8年長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)

為了增加控制點(diǎn)的數(shù)量，設(shè)計(jì)了2個(gè)獨(dú)立的收發(fā)通道，每個(gè)通道都包含激光發(fā)射、全波形接收和足印相機(jī)三個(gè)完整的部分，以3 Hz的頻率工作，使激光足印和足印相機(jī)圖像均勻分布在測(cè)繪相機(jī)圖像中，如圖1所示。其中，激光器采用國(guó)內(nèi)首個(gè)長(zhǎng)壽命空間全固態(tài)激光器，設(shè)計(jì)壽命8年。

圖1 激光足印地面控制點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser footprint elevation control points

2 激光測(cè)高儀方案與地面驗(yàn)證

激光測(cè)高儀的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，發(fā)射通道為2個(gè)獨(dú)立的激光器和發(fā)射鏡頭，接收通道共用接收望遠(yuǎn)鏡，2個(gè)通道的激光回波通過(guò)接收望遠(yuǎn)鏡后分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的全波形接收機(jī)和足印相機(jī)。

圖2 激光測(cè)高儀組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the laser altimeter

激光測(cè)高儀主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示，激光能量可在100～180 mJ之間調(diào)整。激光測(cè)高儀的工作方式如圖3所示，2個(gè)通道同時(shí)工作，夾角為1.4°。

表2 激光測(cè)高儀主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specifications of the laser altimeter

2.1 全波形測(cè)距方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

測(cè)距過(guò)程中，取激光能量的極小部分送回接收望遠(yuǎn)鏡作為主波(圖4)。絕大部分激光能量打向地面，經(jīng)地面反射后回到接收望遠(yuǎn)鏡成為回波。主波和回波經(jīng)過(guò)接收望遠(yuǎn)鏡、后光路后匯聚到探測(cè)器，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過(guò)濾波和放大后進(jìn)入全波形采集模塊。

全波形模塊將主波/回波波形進(jìn)行采樣，采樣頻率為2 GHz，波形下傳到地面，通過(guò)分別計(jì)算主波、回波高斯形心對(duì)應(yīng)時(shí)刻得到激光發(fā)射時(shí)刻和激光接收時(shí)刻，二者之差就是激光往返飛行的時(shí)間，如圖5所示。

圖5 激光飛行時(shí)間測(cè)量Fig.5 Measurement of laser flight time

為實(shí)現(xiàn)測(cè)距精度≤0.3 m的要求，對(duì)測(cè)距過(guò)程中的誤差項(xiàng)進(jìn)行了控制，并采用測(cè)試和仿真結(jié)合的方法，對(duì)在軌測(cè)距精度進(jìn)行預(yù)估，結(jié)果如表3所示，激光測(cè)高儀測(cè)距精度的設(shè)計(jì)和測(cè)試指標(biāo)為0.14 m，滿足測(cè)距精度小于0.3 m的要求。

表3 激光測(cè)高儀測(cè)距隨機(jī)誤差分析Table 3 Root mean square(RMS) analysis of laser ranging m

2.2 激光指向測(cè)量方案的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

利用取光組件，將激光出射光路中的部分光引入足印相機(jī)視場(chǎng)，在足印相機(jī)視場(chǎng)中得到取樣激光光斑。通過(guò)統(tǒng)計(jì)取樣光斑質(zhì)心的抖動(dòng)，計(jì)算實(shí)際出射激光的方向抖動(dòng)。根據(jù)標(biāo)定的轉(zhuǎn)換矩陣，將取樣光斑質(zhì)心轉(zhuǎn)換為地面足印質(zhì)心位置，利用足印相機(jī)地物特征和回波特征，對(duì)激光指向偏差進(jìn)行修正。

在地面測(cè)試期間，對(duì)足印相機(jī)中取樣光斑質(zhì)心的抖動(dòng)進(jìn)行了持續(xù)的監(jiān)視，如表4所示，質(zhì)心抖動(dòng)≤0.5像素，對(duì)應(yīng)0.8 μrad，滿足指標(biāo)要求5 μrad。

表4 地面測(cè)試足印相機(jī)取樣光斑質(zhì)心抖動(dòng)情況Table 4 RMS ofcentroid of sampled laser spot in laser footprint camera

2.3 激光器的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

高分七號(hào)激光測(cè)高儀的技術(shù)指標(biāo)對(duì)激光器提出了高能量和長(zhǎng)壽命的要求，激光器采用振蕩器+預(yù)放級(jí)+主放級(jí)的設(shè)計(jì)方案。采用兩級(jí)放大，既能夠保證激光能量滿足要求，又可以有效地控制激光光束質(zhì)量。

激光器飛行件實(shí)物如圖6所示，為了確保激光器能量和壽命滿足要求，在地面對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。

圖6 激光器飛行件Fig.6 Flight model of laer emitters

激光能量測(cè)試結(jié)果如圖7所示，測(cè)試時(shí)間為15 min，激光能量均值為181.8±1.7 mJ，滿足指標(biāo)要求。

圖7 激光器能量測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test result of laser energy

為滿足8年壽命要求，激光器的脈沖次數(shù)需要達(dá)到1×108次。激光器在地面按20 Hz進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)累計(jì)激光發(fā)射約3.2×108次，能量減少了約4.5%，滿足預(yù)期要求，如圖8所示。

圖8 激光器壽命試驗(yàn) Fig.8 Lifetime test of laser emitter

3 激光測(cè)高儀在軌驗(yàn)證

3.1 激光測(cè)距精度

激光測(cè)高儀回波波形中體現(xiàn)了地物的信息，通過(guò)分析波形可提取激光測(cè)距值，圖9為典型的多回波波形，反映了高度差3.75 m的地物特征。

圖9 激光測(cè)高儀在軌接收的回波波形Fig.9 Laser echo waveform received by on-orbit laser altimeter

在獲得激光測(cè)距值ρ，地理坐標(biāo)系下的激光出射點(diǎn)位置[X0Y0Z0]T以及地理坐標(biāo)系下激光足印中心點(diǎn)的平面坐標(biāo)值(Xz,Yz)之后，可以利用空間距離計(jì)算公式獲得激光足印的高程值Zz和激光指向P。

(1)

利用平整湖面對(duì)激光測(cè)高儀的相對(duì)高程精度進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)咸海測(cè)量數(shù)據(jù)分析，相對(duì)高程精度為0.066 5 m(1σ)，滿足≤0.3 m要求。

3.2 激光指向測(cè)量精度

對(duì)足印相機(jī)中激光指向進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，單次測(cè)量期間指向抖動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差≤0.65 μrad，足印相機(jī)圖像如圖10所示，分別為北京大興機(jī)場(chǎng)和城市地區(qū)，圖像中激光光斑和激光地面足印之間的位置差異為系統(tǒng)差，為避免激光光斑遮擋地物特意進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

圖10 足印相機(jī)圖像Fig.10 Image of laser footprint camera

3.3 激光器能量

激光測(cè)高儀激光器設(shè)計(jì)能量為100～180 mJ可調(diào)，在軌使用能量為100 mJ。自2019年11月3日發(fā)射以來(lái)，截至2020年1月4日，激光器1累計(jì)出光次數(shù)407 251次，激光器2累計(jì)出光次數(shù)400 227次。以激光器2的遙測(cè)為例進(jìn)行能量穩(wěn)定性分析，結(jié)果如圖11所示，單次測(cè)量能量抖動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差小于1 mJ。

圖11 激光器能量Fig.11 On-orbit laser energy telemetry

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿足1∶10 000比例尺制圖的高程精度要求，高分七號(hào)衛(wèi)星采用了激光測(cè)高儀和測(cè)繪相機(jī)結(jié)合的復(fù)合測(cè)繪體制。激光測(cè)高儀總體方案采用高精度全波形測(cè)距、高精度指向測(cè)量和8年長(zhǎng)壽命激光器設(shè)計(jì)，工作方式為2通道、3 Hz頻率。地面和在軌初期的測(cè)試表明：激光測(cè)高儀狀態(tài)良好，測(cè)距精度≤0.3 m，滿足設(shè)計(jì)要求。