黃庚華 丁宇星 吳金才 舒嶸 王欣 姜紫慶

(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 中國科學(xué)院空間主動(dòng)光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083)

高分七號(hào)(GF-7)衛(wèi)星激光測(cè)高儀分系統(tǒng)是我國首個(gè)自主研發(fā)的對(duì)地激光測(cè)繪載荷。2019年11月3日，高分七號(hào)衛(wèi)星在山西太原成功發(fā)射，激光測(cè)高儀隨后在軌開機(jī)，獲取了森林、戈壁、山脈等豐富的激光回波信號(hào)及落點(diǎn)區(qū)域的可見光影像。激光測(cè)高儀的平面定位精度與激光發(fā)射光軸的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度、星載平臺(tái)三軸測(cè)姿定軌精度、激光載荷與平臺(tái)安裝關(guān)系測(cè)量精度等相關(guān)[1-5]。搭載這一載荷的高分七號(hào)衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)1∶10 000比例尺立體測(cè)繪，為國土測(cè)繪、住建應(yīng)用規(guī)劃、國家資源統(tǒng)計(jì)應(yīng)用等行業(yè)提供高精度應(yīng)用測(cè)繪數(shù)據(jù)。

本文提出并首次在軌實(shí)現(xiàn)了激光測(cè)高信息與足印落點(diǎn)影像同時(shí)獲取的方法，可不依賴星敏感器將激光足印落點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)測(cè)量精度提高至米級(jí)，并適應(yīng)多反射率、多地物高差的復(fù)雜工作條件，可為后續(xù)星地聯(lián)合檢校提供參考。

1 激光落點(diǎn)平面信息及多地物高程信息獲取技術(shù)

高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀采用了足印相機(jī)激光定位的原理[6-10]，先通過足印相機(jī)圖像匹配確定激光足印落點(diǎn)，再根據(jù)激光足印落點(diǎn)與衛(wèi)星位置確立激光光線方向，從而算出足印點(diǎn)的三維坐標(biāo)(Xp,Yp,Z)。

(1)

出射激光在星下的足印中心位置代表了高程控制點(diǎn)的平面位置。激光測(cè)高儀采用激光發(fā)射光軸在足印相機(jī)地物圖像中定位、再與立體相機(jī)圖像進(jìn)行匹配過渡的方法，可滿足對(duì)高程控制點(diǎn)平面定位精度的要求，激光足印定位的方法如圖1所示。

(1)足印相機(jī)、激光光軸監(jiān)視相機(jī)獲取出射激光光斑圖像，確定激光發(fā)射光軸角度信息。

(2)足印相機(jī)在激光發(fā)射時(shí)刻對(duì)地成像，在足印相機(jī)地物圖像中確定激光足印中心的坐標(biāo)位置。

圖1 基于足印相機(jī)的激光足印定位圖Fig.1 Laser footprint positioning map based on footprint camera

激光指向定位系統(tǒng)的定位誤差主要受發(fā)射光軸測(cè)量誤差、系統(tǒng)誤差、多分辨率圖像匹配誤差以及系統(tǒng)不可測(cè)量誤差等影響。

激光發(fā)射光軸測(cè)量是通過足印相機(jī)、激光監(jiān)視相機(jī)對(duì)激光光斑成像來實(shí)現(xiàn)，其精度主要受相機(jī)瞬時(shí)視場(chǎng)、光斑大小以及質(zhì)心提取算法精度等共同影響。激光指向定位由復(fù)雜的光機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵谲壛W(xué)、熱學(xué)等環(huán)境特性與地面環(huán)境有所不同，激光指向定位會(huì)出現(xiàn)偏差，主要表現(xiàn)為絕對(duì)誤差，通過在軌狀態(tài)地面定標(biāo)可以消除絕對(duì)誤差。

在軌狀態(tài)指向定位系統(tǒng)光、機(jī)部件因溫度變化、微振動(dòng)等外部因素而表現(xiàn)出來的相對(duì)誤差，無法通過定標(biāo)消除為指向定位系統(tǒng)差。建立在足印相機(jī)圖像上的激光足印位置關(guān)系需要通過足印相機(jī)圖像與立體相機(jī)圖像匹配轉(zhuǎn)移到立體相機(jī)圖像上，在此過程中會(huì)因地物圖像分辨率以及多分辨率圖像匹配而引入誤差。系統(tǒng)不可測(cè)誤差主要包括因系統(tǒng)衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、大氣傳輸?shù)纫蛩匾攵ㄎ徽`差，經(jīng)仿真分析可以通過算法及地面定標(biāo)予以校正，但仍留有殘差無法消除。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 激光與足印影像復(fù)合測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光器光學(xué)諧振腔熱穩(wěn)定性、在軌重力釋放后的框架形變等因素均會(huì)引起激光發(fā)射光軸指向產(chǎn)生微小漂移，將導(dǎo)致地面標(biāo)定時(shí)激光發(fā)射光軸與足印相機(jī)的傳感器模型發(fā)生偏差，從而影響最終的控制點(diǎn)匹配精度，因此需要實(shí)時(shí)對(duì)發(fā)射激光光軸進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

基于激光足印影像的激光指向定位系統(tǒng)方案如圖2所示。指向定位系統(tǒng)由發(fā)射激光光軸監(jiān)視單元與詳查足印相機(jī)單元共同構(gòu)成。

在激光器出光光路中設(shè)計(jì)了取光組件對(duì)激光器光軸進(jìn)行取樣。其中98%的激光能量透過取光組件后,經(jīng)過二級(jí)擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直后在地面形成足印，2%的剩余部分能量經(jīng)過接收望遠(yuǎn)鏡到達(dá)足印相機(jī)和光軸監(jiān)視相機(jī)焦面。根據(jù)嚴(yán)密的曝光時(shí)序設(shè)計(jì)，足印相機(jī)可同時(shí)對(duì)地物以及激光光斑進(jìn)行成像，光軸監(jiān)視相機(jī)可對(duì)兩個(gè)方向的激光光斑進(jìn)行成像。通過激光光斑應(yīng)用質(zhì)心提取算法可以反映激光指向在軌變化情況。

圖2 基于足印相機(jī)的激光指向定位方案框圖Fig.2 Block diagram of laser pointing positioning scheme based on footprint camera

2.2 復(fù)合測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

取光組件截取的激光發(fā)射光軸與足印相機(jī)之間的指向穩(wěn)定性主要取決于取光組件自身光軸穩(wěn)定性、光路折轉(zhuǎn)鏡穩(wěn)定性、擴(kuò)束鏡穩(wěn)定性分析和足印相機(jī)光斑提取穩(wěn)定性。

1)取光組件與二級(jí)擴(kuò)束鏡穩(wěn)定性分析結(jié)果

光機(jī)系統(tǒng)的有限元分析主要針對(duì)擴(kuò)束系統(tǒng)光機(jī)組件、取光組件展開分析工作，目的是得到取光光路鏡面受重力和溫度影響引起的光軸指向變化。

經(jīng)過力熱分析，對(duì)擴(kuò)束系統(tǒng)和取樣棱鏡溫度要求如下：

(1)兩個(gè)取光組件溫度穩(wěn)定性(20±0.5)℃，徑向和軸向溫度梯度小于0.2 ℃；

(2)擴(kuò)束主鏡和次鏡溫度穩(wěn)定性(20±0.5)℃，徑向和軸向溫度梯度小于0.5 ℃；

(3)自檢光源溫度穩(wěn)定性(20±0.5)℃，徑向和軸向溫度梯度小于0.5 ℃。

擴(kuò)束系統(tǒng)和取光組件重力變形和溫度變形對(duì)光軸穩(wěn)定性影響如下：

(1)擴(kuò)束主鏡受0.5 ℃溫度穩(wěn)定性影響造成指向變化為1.67rad；

(3)取光組件雙鏡面受0.5 ℃溫度穩(wěn)定性影響對(duì)光軸指向變化為2.74rad；

(4)取光組件結(jié)構(gòu)受0.2 ℃溫度梯度影響對(duì)光軸指向變化為0.55rad。

2)激光光斑質(zhì)心提取精度分析

光斑質(zhì)心提取精度受像元占空比、有效光斑直徑影響。像元占空比越高，有效光斑直徑越大，則光斑質(zhì)心提取誤差越小。根據(jù)足印相機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)取光后入射的激光光斑直徑達(dá)到31×31像素，激光光斑測(cè)量誤差小于0.2像元。對(duì)應(yīng)于高分七號(hào)激光測(cè)高儀足印相機(jī)6.4 μrad瞬時(shí)視場(chǎng)，激光質(zhì)心測(cè)量誤差優(yōu)于1.28 μrad。

以上誤差因素為獨(dú)立隨機(jī)變量，綜合因溫度變化、溫度梯度、激光光斑質(zhì)心提取誤差等因素引入誤差，激光測(cè)高儀激光指向在軌監(jiān)視總誤差計(jì)算為3.42 μrad。

3)光軸監(jiān)視相機(jī)與足印相機(jī)之間的光機(jī)穩(wěn)定性分析

該項(xiàng)穩(wěn)定性取決于足印相機(jī)和光束準(zhǔn)直發(fā)射光路光機(jī)穩(wěn)定性，因?yàn)樵擁?xiàng)誤差可以在軌利用自檢光源通過共光路分別在詳查足印相機(jī)及光軸監(jiān)視相機(jī)同時(shí)成像進(jìn)行標(biāo)校，所以兩相機(jī)之間的傳遞誤差主要取決于取光組件和內(nèi)部折轉(zhuǎn)光路的穩(wěn)定性。

對(duì)于單透鏡系統(tǒng)，(20±5)℃的環(huán)境溫度變化和大氣壓變化引起的發(fā)散角差異很小，光斑中心沒有變化，因此環(huán)境變化不會(huì)對(duì)自檢光束的指向產(chǎn)生影響。取光組件長(zhǎng)度為100 mm，結(jié)構(gòu)材料為銦鋼，經(jīng)分析：在溫度變化范圍小于5 ℃時(shí)，引入指向偏差不大于2 μrad。折轉(zhuǎn)光路較長(zhǎng)，不大于1500 mm，在5 ℃溫度變化范圍內(nèi)，對(duì)光軸監(jiān)視與足印相機(jī)兩個(gè)測(cè)量源所引入偏差最大不超過5 μrad。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 激光足印取樣與實(shí)際光軸測(cè)量誤差

簡(jiǎn)析：遇到這樣的試題,有很多考生總是不重視從試題中尋找信息,死板地用所謂的“陽離子放電順序”來判斷,認(rèn)為H+比Na+更容易在陰極上放電,導(dǎo)致錯(cuò)誤答案。事實(shí)上,只要觀察題給示意圖,就能找到三條重要信息:①電解室中陰極上是Na+放電,②鈉汞合金從電解室流到解汞室,③解汞室里是Na→Na+,根據(jù)其中任何一條都可判斷出該生產(chǎn)條件下電解室中陰極上是Na+比H+優(yōu)先放電。從中也可以看出平時(shí)學(xué)習(xí)中形成的“認(rèn)識(shí)誤區(qū)”是那么頑固,要克服其影響是那么難!

(1)波束1轉(zhuǎn)換矩陣

(2)

(2)波束2轉(zhuǎn)換矩陣

(3)

在地面真空熱光試驗(yàn)中，采用以上方法對(duì)備份發(fā)射光軸進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。

表1 熱光試驗(yàn)取樣光斑質(zhì)心及激光落點(diǎn)Table 1 Thermal optical test sampling spot centroid and laser spot

同時(shí)在不同工作溫度工況，對(duì)激光發(fā)射光軸的指向穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)射光軸穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 發(fā)射光軸穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)匯總Table 2 Summary of test data for the stability of the emitted optical axis

3.2 在軌光軸變化趨勢(shì)

取第32圈數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。光軸監(jiān)視相機(jī)的光斑質(zhì)心解算結(jié)果最大跳動(dòng)值不超過0.3像素。同時(shí)可觀測(cè)到在5 min時(shí)間內(nèi)，激光質(zhì)心逐漸向一個(gè)方向緩慢變化的過程。

圖3 監(jiān)視相機(jī)中波束1光軸變化Fig.3 Changes of beam 1 optical axis in the monitoring camera

波束1在足印相機(jī)中變化趨勢(shì)如下：X/Y向方差分別為0.51像素、0.41像素(見圖4)。

圖4 足印相機(jī)中波束1光軸變化Fig.4 Changes of beam 1 optical axis in the footprint camera

波束2在監(jiān)視相機(jī)中的變化趨勢(shì)如下：X/Y向方差分別為0.2像素、0.16像素(見圖5)。

波束2在足印相機(jī)中的變化趨勢(shì)如下：X/Y向方差分別為0.29像素、0.23像素(見圖6)。

圖6 足印相機(jī)中波束2光軸變化Fig.6 Changes of beam 2 optical axis in the footprint camera

3.3 在軌復(fù)合測(cè)量采集結(jié)果

以第33軌為例，波束1、波束2回波峰值分布如圖7所示，均無飽和現(xiàn)象引起全波形算法精度下降的情況出現(xiàn)。無回波區(qū)域經(jīng)足印影像比對(duì)為云層覆蓋區(qū)域。排除云層區(qū)域后，回波探測(cè)概率接近100%。

圖7 激光足印影像與全波形Fig.7 Images of laser footprint and waveform

根據(jù)試驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)果，以紅圈方式在激光測(cè)高儀足印相機(jī)影像上標(biāo)記激光實(shí)際落點(diǎn)，圖7為對(duì)林地、建筑、平原所采集到的回波波形。波形信息豐富，回波通道信噪比優(yōu)于20 dB。

4 結(jié)束語

本文對(duì)高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀中采用的激光指向在軌監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，并分析了激光指向角度的地面測(cè)試數(shù)據(jù)以及在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。至2020年5月，高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀分系統(tǒng)獲取了約500軌測(cè)量數(shù)據(jù)，激光測(cè)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到百萬量級(jí)。除完成在軌參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)調(diào)整測(cè)試外，還配合用戶開展了南極中山站區(qū)域和南極大陸冰蓋的激光測(cè)繪工作，后續(xù)將開展星地聯(lián)合標(biāo)定工作，進(jìn)一步提高后期數(shù)據(jù)處理精度。在軌預(yù)計(jì)可獲取至少2億個(gè)激光高程數(shù)據(jù)，將為構(gòu)建我國境內(nèi)無控區(qū)域乃至全球高精度立體測(cè)繪信息網(wǎng)發(fā)揮關(guān)鍵作用。