孫立 楊居奎 王玉詔 彭歡 張晨陽 楊超 湯天瑾 宋志清 穆生博 倪建軍 孟俊清 張傳強(qiáng)

主被動(dòng)一體化多波束激光雷達(dá)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫立1楊居奎1王玉詔1彭歡1張晨陽1楊超1湯天瑾1宋志清1穆生博1倪建軍1孟俊清2張傳強(qiáng)3

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800）（3 中國空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094）

“句芒號(hào)”陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星是中國首顆以主動(dòng)激光雷達(dá)作為主載荷的林業(yè)遙感衛(wèi)星。星上裝載的多波束激光雷達(dá)是國際首臺(tái)主被動(dòng)一體化遙感載荷，采用激光與相機(jī)相結(jié)合的工作模式，利用激光雷達(dá)獲取地面植被高度信息的同時(shí)，還可以獲得高分辨率地面多光譜正射影像。文章回顧和介紹了該載荷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)情況，給出了測(cè)試與試驗(yàn)結(jié)果，可為同類載荷研制提供參考。

多波束 激光雷達(dá) 生物量 植被探測(cè) 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星 航天遙感

0 引言

星載激光雷達(dá)作為主動(dòng)探測(cè)設(shè)備，具備獲取全球地表三維信息的能力[1-2]，能夠獲取植被高度等森林碳匯信息[3-4]，同時(shí)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)[5-6]、極地冰蓋測(cè)量[7]、海平面高度測(cè)量[8]、測(cè)繪高程控制點(diǎn)[9]等方面都可以發(fā)揮重要作用。激光雷達(dá)是用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測(cè)技術(shù)手段的主動(dòng)遙感設(shè)備。工作原理為激光器產(chǎn)生并向地面發(fā)射激光脈沖，打在地面物體上反射回來，被接收器接收。接收器準(zhǔn)確地測(cè)量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時(shí)間，根據(jù)激光測(cè)距原理計(jì)算，就得到從激光雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的距離。根據(jù)對(duì)回波信號(hào)的處理方式不同，激光雷達(dá)可分為閾值探測(cè)、全波形和光子計(jì)數(shù)三種技術(shù)體制。全波形激光雷達(dá)由于其能夠通過回波波形信號(hào)提取地面植被高度、郁閉度等信息，因此在森林生物量探測(cè)領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢(shì)，是目前研究的熱點(diǎn)。作為地球觀測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃的一部分，美國于2003年發(fā)射了ICESat-1衛(wèi)星，其搭載了全球首個(gè)對(duì)地觀測(cè)激光測(cè)距系統(tǒng)（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS），可進(jìn)行極地冰蓋測(cè)量、云和氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)探測(cè)、陸地地形、植被高度測(cè)量等任務(wù)。ICESat衛(wèi)星在軌工作7年，獲取了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，展現(xiàn)出在全球尺度下冰蓋高程測(cè)量、植被及生物量測(cè)量的突出作用和優(yōu)勢(shì)[10-11]。2018年9月，美國發(fā)射了ICESat-2衛(wèi)星，搭載全球首臺(tái)光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)（Advanced Topographic Laser Altimeter System，ATLAS）。2018年12月，美國發(fā)射了全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)查雷達(dá)（Global Ecosystem Dynamics Investigation，GEDI），部署在國際空間站上，其搭載了全球首臺(tái)用于高分辨率森林垂直結(jié)構(gòu)測(cè)量的多波束線性體制的激光測(cè)高儀，主要用于熱帶和溫帶地區(qū)的森林冠層高度、垂直結(jié)構(gòu)、地面高程等的精準(zhǔn)測(cè)量[12-13]。我國于2016年5月發(fā)射的“資源三號(hào)”衛(wèi)星02星[14-15]，搭載了首臺(tái)對(duì)地激光雷達(dá)試驗(yàn)載荷，用于測(cè)試激光測(cè)高儀的硬件性能，探索高精度高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取的可行性，以及采用該數(shù)據(jù)輔助提高光學(xué)衛(wèi)星影像無控立體測(cè)圖精度的可能性。后續(xù)在2019年發(fā)射的“資源三號(hào)”衛(wèi)星03星上，搭載了一臺(tái)單波束激光測(cè)距儀，采用閾值探測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)了我國激光測(cè)距儀的在軌運(yùn)行。2019年11月發(fā)射的“高分七號(hào)”衛(wèi)星搭載了中國首臺(tái)全波形體制激光測(cè)距儀，提高了測(cè)距精度，同時(shí)能夠獲取地面光斑垂直高度分布信息，與雙線陣相機(jī)配合完成1:10 000比例尺地形復(fù)合測(cè)繪[16-17]。由于星載激光雷達(dá)工作模式為點(diǎn)探測(cè)，只能獲取激光足印位置的離散信息，要獲取大面積地面數(shù)據(jù)，必須與遙感圖像相結(jié)合。而目前在軌尚無激光與相機(jī)一體化的載荷，圖像信息和激光信息來源于不同衛(wèi)星，可能由于數(shù)據(jù)覆蓋范圍不匹配或時(shí)效性差等原因?qū)е聭?yīng)用效率降低。

2022年8月4日，“句芒號(hào)”陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。它是我國首顆以陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)、森林資源監(jiān)測(cè)和森林生產(chǎn)力評(píng)估為主要功能的林業(yè)遙感衛(wèi)星，主要用于獲取全球森林三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而反演出生物量和森林碳匯數(shù)據(jù)，并兼顧碳源測(cè)量和大氣氣溶膠探測(cè)任務(wù)。衛(wèi)星上搭載的多波束激光雷達(dá)是國際首臺(tái)激光與相機(jī)相結(jié)合，主被動(dòng)一體化的遙感載荷，同時(shí)具備5波束激光全波形測(cè)距和高分辨率多光譜成像功能。本文介紹了該主被動(dòng)一體化多波束激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)思路、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)情況，給出了測(cè)試與試驗(yàn)結(jié)果。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

多波束激光雷達(dá)采用主被動(dòng)相結(jié)合、點(diǎn)面相結(jié)合的工作模式。其探測(cè)任務(wù)包括：地面高程和樹高測(cè)量，以及高分辨率多光譜對(duì)地成像。為實(shí)現(xiàn)森林樹高測(cè)量任務(wù)，應(yīng)用了全波形測(cè)距體制，相對(duì)于傳統(tǒng)閾值檢測(cè)體制，全波形能夠反映植被冠層高度、森林垂直結(jié)構(gòu)、郁閉度等信息。

高分辨率對(duì)地多光譜成像通道共4譜段，稱為0°相機(jī)，與衛(wèi)星的多角度多光譜相機(jī)分系統(tǒng)另外4臺(tái)相機(jī)配合，分別從0.5°、±19°和±41°，共5個(gè)角度對(duì)地面進(jìn)行觀測(cè)，以精確獲取地面植被二向反射分布函數(shù)信息（BRDF），進(jìn)行生物量反演。

多波束激光測(cè)距通道用于植被高度測(cè)量和星地距離測(cè)量，激光波長1 064nm，共5波束，重復(fù)頻率40Hz。波束數(shù)量和重復(fù)頻率均是目前中國在軌的衛(wèi)星中最高的。激光總功率與單脈沖能量、重復(fù)頻率、波束數(shù)量成正比，因此，綜合考慮整星能源限制和工程實(shí)現(xiàn)難度的情況下，必須降低單脈沖能量。經(jīng)論證，能量降至73mJ可以滿足植被探測(cè)需要。但能量降低勢(shì)必需要增大接收口徑至1m以保證回波信噪比。接收鏡頭口徑增大后，可使得0°相機(jī)數(shù)更小，MTF和信噪比更高，有利于成像品質(zhì)。另外還利用該鏡頭實(shí)現(xiàn)了星上大氣氣溶膠探測(cè)子系統(tǒng)的回波信號(hào)接收功能。綜上所述，項(xiàng)目組創(chuàng)新的采用了多通道一體化光學(xué)系統(tǒng)，將高分辨率對(duì)地成像、植被激光回波接收、大氣激光回波接收3個(gè)通道采用分視場(chǎng)的方式集成到1個(gè)1m口徑光學(xué)系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)集成度，增強(qiáng)了相機(jī)和激光的相對(duì)穩(wěn)定性，有利于提高激光定位精度，同時(shí)大幅降低系統(tǒng)體積和質(zhì)量。

多波束激光雷達(dá)地面視場(chǎng)分布如圖1所示。0°相機(jī)布置在–0.6°～–0.4°視場(chǎng)范圍內(nèi)，焦面探測(cè)器采用4片TDICCD器件拼接，植被激光測(cè)距通道布置在–1.05°視場(chǎng)位置，5波束之間間隔0.425°。在衛(wèi)星軌道高度506km情況下，激光地面光斑間距沿軌道方向180m、垂直軌道方向3.75km。利用一臺(tái)光軸監(jiān)視相機(jī)覆蓋植被激光接收視場(chǎng)，光軸監(jiān)視相機(jī)同時(shí)對(duì)激光和地面景物成像，實(shí)現(xiàn)激光光軸監(jiān)視和地物匹配。氣溶膠激光接收通道為1波束，為避免與植被激光通道相互干擾，布置在–1.15°視場(chǎng)位置。

圖1 多波束激光雷達(dá)地面視場(chǎng)分布圖

多波束激光雷達(dá)原理框圖如圖2所示。激光雷達(dá)主體集成安裝5套各自獨(dú)立的植被激光發(fā)射及光路調(diào)整單元和激光探測(cè)接收單元，0°相機(jī)視頻電路單元，光軸監(jiān)視相機(jī)單元，接收望遠(yuǎn)鏡及主支撐單元等。植被激光器主體出射激光，經(jīng)擴(kuò)束鏡頭壓縮發(fā)散角后射向地面，并通過導(dǎo)光組件導(dǎo)入部分光源到光軸監(jiān)視相機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)射光軸的指向記錄。0°相機(jī)通過接收鏡頭將地物可見光譜段光信號(hào)匯聚到4色TDICCD上，輸出0°相機(jī)圖像數(shù)據(jù)。激光探測(cè)接收單元通過主波光纖引入部分出射激光信號(hào)作為主波信號(hào)，通過接收鏡頭收集地物反射激光回波匯聚到APD探測(cè)器上，經(jīng)處理輸出激光回波波形信號(hào)。激光雷達(dá)主體還設(shè)計(jì)了調(diào)焦機(jī)構(gòu)和雙光楔機(jī)構(gòu)，用于完成0°相機(jī)焦面位置調(diào)整和激光收發(fā)平行性調(diào)整。

圖2 多波束激光雷達(dá)原理框圖

考慮到各部組件的安裝方式、結(jié)構(gòu)布局及光軸穩(wěn)定性要求，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)方案，激光雷達(dá)主體整體構(gòu)型如圖3所示。整體設(shè)計(jì)思路以大口徑接收鏡頭為中心，激光發(fā)射組件、接收組件、0°相機(jī)焦面、電子學(xué)設(shè)備、星敏感器等圍繞鏡頭布置。5波束激光發(fā)射、光軸監(jiān)視相機(jī)等先集成在植被激光發(fā)射組件上，然后整體與接收鏡頭裝配。星敏直接安裝在接收鏡頭頂部，以提高載荷光軸指向與星敏之間的穩(wěn)定性，有利于提高地面定位精度。雷達(dá)主體底部與衛(wèi)星之間通過一組隔振組件連接，一方面降低發(fā)射段的力學(xué)響應(yīng)，另一方面也對(duì)在軌的衛(wèi)星微振動(dòng)傳遞起到抑制作用。多波束激光雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖3 多波束激光雷達(dá)模裝圖

表1 多波束激光雷達(dá)指標(biāo)

2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 大口徑多通道光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

接收望遠(yuǎn)鏡頭首次采用了激光和相機(jī)多通道一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多光譜0°相機(jī)成像、5波束植被激光回波接收和1波束大氣激光回波接收三種功能。三種功能中，0°相機(jī)成像通道幅寬最大、對(duì)像質(zhì)的要求最高，根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)原理，其偏視場(chǎng)角度也最小。5波束測(cè)距通道對(duì)像質(zhì)要求較低，但其幅寬比大氣單波束通道幅寬更大。基于以上要求，采用全反射式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，0°相機(jī)可見光多光譜通道與植被激光、大氣激光使用光軸同側(cè)視場(chǎng)，此時(shí)激光測(cè)距與大氣通道的偏場(chǎng)角進(jìn)一步增大，但可以有效減小三鏡尺寸，通過三鏡調(diào)焦可使各通道同時(shí)處于最佳焦面位置。通過激光反射鏡，將植被激光和大氣激光接收位置偏轉(zhuǎn)90°，便于0°相機(jī)CCD和激光探測(cè)器分別布置。光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型和參數(shù)分別如圖4和表2所示。

表2 多通道接收光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

光學(xué)系統(tǒng)主、次、三鏡均為非球面鏡，在光學(xué)系統(tǒng)靠近焦面位置利用激光反射鏡將植被激光和大氣激光通道偏轉(zhuǎn)90°，以實(shí)現(xiàn)0°相機(jī)焦面、激光光纖焦面的空間布置。植被回波通道設(shè)計(jì)了匯聚透鏡組，將系統(tǒng)焦距進(jìn)一步壓縮到2 667mm，聚焦至回波光纖端面。在回波光纖進(jìn)入APD探測(cè)器之前，設(shè)置中繼透鏡組件，并將窄帶濾光片插入中繼透鏡組，以抑制背景噪聲，提高系統(tǒng)信噪比。

2.2 高光束品質(zhì)高可靠激光發(fā)射技術(shù)

多波束激光雷達(dá)的激光器重復(fù)頻率高，單脈沖能量大，相比于中國目前在軌的其他激光器，總平均功率提升約20倍，對(duì)激光器高穩(wěn)定性和精密熱控都是巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也受到衛(wèi)星能源供給限制。為減低總功率，激光器單脈沖能量從“高分七號(hào)”衛(wèi)星激光器的180mJ降低到73mJ。激光器技術(shù)路線與“高分七號(hào)”衛(wèi)星一致[18]，采用“振蕩級(jí)+一級(jí)放大級(jí)”的方案，這樣兩級(jí)的結(jié)構(gòu)效率更高、體積更小。振蕩級(jí)采用被動(dòng)調(diào)Q的板條激光器，板條材料為摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）。振蕩級(jí)晶體采用板條形狀，削弱了熱致雙折射效應(yīng)的影響，且由于光線在板條內(nèi)走“之”字形，可以部分消除熱透鏡效應(yīng)，以確保振蕩級(jí)光束品質(zhì)。振蕩腔采用雙Porro直線腔，使激光器在2個(gè)正交方向上都具有非常低的失調(diào)靈敏度[19]。振蕩級(jí)選用波長穩(wěn)定的LD陣列，在工作溫度范圍內(nèi)的波長漂移量低于1nm。為保持5臺(tái)激光器的一致性，對(duì)LD根據(jù)中心波長進(jìn)行了篩選。振蕩級(jí)采用被動(dòng)調(diào)Q晶體Cr4+:YAG，一方面，可以省略電光調(diào)Q所需的高壓驅(qū)動(dòng)電源，降低激光器的復(fù)雜度；另一方面，被動(dòng)調(diào)Q具有縱模的自然選擇性[20]，這樣可以使激光器在多數(shù)情況下單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)[21]。在泵浦峰值功率200W，泵浦脈寬200μs時(shí)，振蕩級(jí)輸出能量為2.6mJ，脈沖寬度3.7ns。

振蕩級(jí)光斑擴(kuò)束后進(jìn)入功率放大級(jí)。功率放大級(jí)使用分光鏡方形截面的Nd:YAG板條晶體，采用上下面泵浦側(cè)面冷卻的散熱結(jié)構(gòu)。振蕩級(jí)信號(hào)光經(jīng)過偏振分光鏡（PBS）轉(zhuǎn)折后進(jìn)入板條晶體，一次通過晶體后能量放大到約25～30mJ。然后經(jīng)過一個(gè)波片和反射鏡返回，再次經(jīng)過波片，激光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°并第二次進(jìn)入晶體，放大到73mJ以上的能量。由于此時(shí)激光偏振態(tài)已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了90°，因此穿過PBS，完成放大輸出。激光器的實(shí)物圖如圖5所示，裝調(diào)完成后的激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑如圖6所示。

圖5 激光器實(shí)物圖

圖6 激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑

為解決5臺(tái)大功率激光器的高精度溫控，采用了槽道熱管與環(huán)路熱管相結(jié)合的熱控方案。5臺(tái)激光器頭部工作產(chǎn)生的熱量先通過槽道熱管傳遞到集熱板上，然后通過1套大功率環(huán)路熱管和散熱板進(jìn)行排散。集中散熱方式可以在保證激光器控溫精度的前提下，降低熱控系統(tǒng)規(guī)模。經(jīng)地面真空試驗(yàn)驗(yàn)證，5臺(tái)激光器工作過程中溫度滿足（20±1.5）℃的要求，5臺(tái)激光器溫度不一致性優(yōu)于1℃。

圖7 激光器壽命試驗(yàn)

由于重復(fù)頻率提高，單臺(tái)激光器8年總工作脈沖發(fā)射次數(shù)達(dá)到1×109次。為驗(yàn)證激光器壽命和可靠性，采用相同元器件及工藝，研制了一臺(tái)壽命件進(jìn)行壽命考核，如圖7所示，壽命件累積發(fā)射1.03×109個(gè)脈沖，能量抖動(dòng)為1.2%，壽命末期與初期相比，能量無明顯下降。

2.3 高精度激光指向監(jiān)視和調(diào)整技術(shù)

星載激光雷達(dá)為提高地面激光點(diǎn)定位精度，通常設(shè)計(jì)激光指向監(jiān)視系統(tǒng)，通過足印相機(jī)將激光光斑和地物鏡像相匹配[22]。為滿足樹高測(cè)量和地面高程測(cè)量精度要求，要求激光指向監(jiān)視誤差≤6m。為此設(shè)計(jì)了一套高精度指向監(jiān)視和調(diào)整系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光軸監(jiān)視相機(jī)、導(dǎo)光棱鏡、雙光楔機(jī)構(gòu)、焦面LD等組成，系統(tǒng)集成后激光擴(kuò)束鏡頭、光軸監(jiān)視相機(jī)與導(dǎo)光組件裝配圖如圖8所示。激光從激光器輸出窗口出射后，通過擴(kuò)束鏡頭射向地面。導(dǎo)光棱鏡在擴(kuò)束鏡頭邊緣處取部分激光，導(dǎo)入光軸監(jiān)視相機(jī)，得到激光光斑。光軸監(jiān)視相機(jī)工作頻率與激光出光對(duì)應(yīng)，每次激光出光，首先采用短曝光時(shí)間對(duì)激光成像，得到激光光斑圖，如圖9所示。之后緊接著用長曝光時(shí)間對(duì)地物成像，由于采用同一臺(tái)相機(jī)成像，激光圖像與地物圖像嚴(yán)格匹配，再經(jīng)過地面測(cè)試標(biāo)定，即可獲得激光的精確指向信息。此外，光軸監(jiān)視相機(jī)圖像還可與0°相機(jī)圖像進(jìn)行再次匹配，將激光光斑位置信息匹配到0°相機(jī)的高分辨率圖像上，更有利于后期地面數(shù)據(jù)應(yīng)用。在接收鏡頭光纖焦面處設(shè)置2個(gè)焦面LD，出射焦面位置指示光，經(jīng)接收鏡頭、導(dǎo)光棱鏡導(dǎo)入光軸監(jiān)視相機(jī)，得到焦面LD光斑圖像，地面測(cè)試時(shí)標(biāo)定出LD光斑位置與接收光軸的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可計(jì)算出接收光軸位置。通過旋轉(zhuǎn)雙光楔鏡，改變激光發(fā)射光軸指向，結(jié)合光軸監(jiān)視相機(jī)得到的激光收發(fā)光軸，可以實(shí)現(xiàn)在軌激光收發(fā)平行性精確調(diào)整。

圖8 激光擴(kuò)束鏡頭、光軸監(jiān)視相機(jī)與導(dǎo)光組件

圖9 光軸監(jiān)視相機(jī)拍攝的激光和LD光斑

3 系統(tǒng)測(cè)試與試驗(yàn)驗(yàn)證

多波束激光雷達(dá)在研制過程中，進(jìn)行了激光收發(fā)、0°相機(jī)、光軸指向監(jiān)視等多項(xiàng)性能測(cè)試和地面標(biāo)定，以滿足在軌使用要求。激光雷達(dá)真空熱試驗(yàn)是地面測(cè)試過程中最接近在軌狀態(tài)的試驗(yàn)，因此這些標(biāo)定和測(cè)試工作主要在真空熱試驗(yàn)時(shí)完成。

多波束激光雷達(dá)真空熱試驗(yàn)狀態(tài)如圖10所示，多波束激光雷達(dá)放置在高精度二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，激光發(fā)射單元輸出激光通過激光衰減組件后，經(jīng)平行光管匯聚至平行光管焦面光束分析儀，完成激光發(fā)散角、激光指向、收發(fā)平行度等性能測(cè)試。激光雷達(dá)、二維轉(zhuǎn)臺(tái)和平行光管均放置在真空罐中，罐壁設(shè)置光學(xué)窗口，多光軸標(biāo)校模塊位于光學(xué)窗口外，便于測(cè)試時(shí)調(diào)整。

圖10 多波束激光雷達(dá)真空熱試驗(yàn)

3.1 激光指向偏差標(biāo)定

由于導(dǎo)光棱鏡采用擴(kuò)束鏡頭邊緣子口徑取光，因此光軸監(jiān)視相機(jī)圖像上得到的激光點(diǎn)與實(shí)際激光出射方向存在系統(tǒng)偏差，該偏差在真空熱試驗(yàn)過程中進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定利用多光軸標(biāo)定系統(tǒng)完成。激光直接通過導(dǎo)光棱鏡進(jìn)入光軸監(jiān)視相機(jī)，在光軸監(jiān)視相機(jī)上得到激光光斑圖像，其質(zhì)心位置定義為（，）。測(cè)試平行光管接收全口徑激光出射光，在焦面位置計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)光斑質(zhì)心，標(biāo)出激光發(fā)射光軸位置。從激光發(fā)射光軸位置反打測(cè)試激光，進(jìn)入光軸監(jiān)視相機(jī)，得到光斑（，），即代表實(shí)際激光出射方向。由此，可以得到光軸監(jiān)視相機(jī)上的激光點(diǎn)和實(shí)際激光指向之間的關(guān)系。同時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)雙光楔進(jìn)行激光指向調(diào)整，使激光發(fā)射光軸在±1′范圍內(nèi)掃描，在不同位置測(cè)試激光點(diǎn)與實(shí)際指向的關(guān)系，如表3所示，測(cè)試表明±1′范圍內(nèi)該偏差為固定值。

表3 激光指向固定偏差標(biāo)定結(jié)果

3.2 激光出光穩(wěn)定性測(cè)試

利用光軸監(jiān)視相機(jī)獲取的激光光斑進(jìn)行了激光出光穩(wěn)定性測(cè)試，在開機(jī)工作時(shí)間內(nèi)依次測(cè)量某個(gè)波束在光軸監(jiān)視相機(jī)上的成像光點(diǎn)的質(zhì)心坐標(biāo)，采用一個(gè)工作周期內(nèi)激光點(diǎn)的質(zhì)心坐標(biāo)抖動(dòng)量來表征激光指向穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果見表4，其中、分別表示沿軌和垂軌方向，測(cè)試結(jié)果表明，在單次開機(jī)15min過程中激光指向穩(wěn)定性優(yōu)于0.6″。

表4 激光指向穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星已經(jīng)在軌運(yùn)行，目前衛(wèi)星工作正常，正在進(jìn)行在軌測(cè)試。多波束激光雷達(dá)作為我國首個(gè)林業(yè)主被動(dòng)一體化遙感載荷，突破了大口徑多通道光學(xué)系統(tǒng)、高能量高可靠激光器、高精度激光指向監(jiān)測(cè)和調(diào)整等多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)。

激光雷達(dá)可以直接提供森林垂直結(jié)構(gòu)信息，獲取森林生物量，捕捉全球森林的廣泛趨勢(shì)和動(dòng)態(tài)變化情況，且費(fèi)用低，可用于大區(qū)域林業(yè)資源調(diào)查研究，具有廣闊的應(yīng)用前景[23]。該衛(wèi)星成功在軌應(yīng)用將使我國具備快速監(jiān)測(cè)本國及其他國家陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的能力，增強(qiáng)我國承擔(dān)國際責(zé)任的能力和話語權(quán)，響應(yīng)“碳中和，碳達(dá)峰”的發(fā)展目標(biāo)。

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Design and Implementation of the Active-passive Multi-channel LiDAR

SUN Li1YANG Jukui1WANG Yuzhao1PENG Huan1ZHANG Chenyang1YANG Chao1TANG Tianjin1SONG Zhiqing1MU Shengbo1NI Jianjun1MENG Junqing2ZHANG Chuanqiang3

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China）（3 Institute of Spacecraft System Engineering, CAST, Beijing 100094, China）

“Gou Mang” Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite is China’s first forestry remote sensing satellite with an active LiDAR as the main payload. As the first active and passive integrated remote sensing load in the world, the multi-channel Carbon Sinks and Aerosol LiDAR (CASAL) adopts the working mode of combining laser and camera. While using LiDAR to obtain the height information of ground vegetation, it can also realize high resolution multi-spectral imaging. This paper reviews the development situation of CASAL, including system design, key technologies and their implementation, and describes the on-orbit sun-tracking strategy as well as the atmospheric refraction correction. The related information would be helpful for the development of similar loads.

multi-channel; LiDAR; biomass; vegetation detection; terrestrial ecosystem carbon inventory satellite; space remote sensing

V447; TP79

A

1009-8518(2022)06-0027-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.003

2022-09-06

國家重大科技專項(xiàng)工程

孫立, 楊居奎, 王玉詔, 等. 主被動(dòng)一體化多波束激光雷達(dá)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(6): 27-35.

SUN Li, YANG Jukui, WANG Yuzhao, et al. Design and Implementation of the Active-passive Multi-channel LiDAR[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6): 27-35. (in Chinese)

孫立，男，1983年生，2009年獲南京航空航天大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)遙感器設(shè)計(jì)。E-mail：sunlinuaa@live.cn。

（編輯：龐冰）