空間自動著陸導(dǎo)航激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究

楊文兵 陳文弟

摘? 要：隨著科技的快速發(fā)展，我國越來越重視空間自動導(dǎo)航著陸雷達(dá)技術(shù)的研究。為了進(jìn)一步提升對于太空探測的研究深度，必須要研制新型的自動著陸導(dǎo)航傳感系統(tǒng)，改進(jìn)傳統(tǒng)的研究方式，以激光雷達(dá)為切入點(diǎn)，實現(xiàn)高水平的技術(shù)創(chuàng)新。該文主要針對空間自動著陸導(dǎo)航激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡要分析，并提出合理化建議。

關(guān)鍵詞：空間自動著陸導(dǎo)航;激光雷達(dá);關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號： TN958.98? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對于太空探測的深度增加，新型的激光雷達(dá)核心技術(shù)也逐漸嶄露頭角，提高了對自由探測區(qū)域的選擇度，實現(xiàn)復(fù)雜地區(qū)的自主探索，創(chuàng)新對應(yīng)的多功能傳感器，使著陸器可以準(zhǔn)確進(jìn)行導(dǎo)航和著陸，實現(xiàn)對障礙物的合理規(guī)避。

1 激光雷達(dá)技術(shù)內(nèi)容

為了保證著陸器在著陸地能夠自由穿梭，必須要研制多功能的傳感器，提高傳感器的檢測能力，從而實現(xiàn)高精準(zhǔn)的地形測繪以及導(dǎo)航規(guī)避。在測繪領(lǐng)域中，激光雷達(dá)技術(shù)得了行業(yè)內(nèi)專家人士的認(rèn)可 [1]。目前產(chǎn)生了車載、機(jī)載以及固定站點(diǎn)等多應(yīng)用平臺的激光雷達(dá)測繪產(chǎn)品，使傳統(tǒng)設(shè)施設(shè)備的測繪能力能夠在地形測繪、數(shù)字城市建設(shè)以及地形測量等多個領(lǐng)域得到合理應(yīng)用，發(fā)揮激光雷達(dá)技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢。在導(dǎo)航規(guī)避中，激光雷達(dá)技術(shù)作為傳感器領(lǐng)域的重要技術(shù)，其可以憑借機(jī)器設(shè)備的多樣化功能，為無人駕駛車提供完美的路徑規(guī)劃以及障礙物規(guī)避信息，為后續(xù)的航空航天信息著陸導(dǎo)航奠定堅實的基礎(chǔ)。

2 激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用分類

2.1 激光測繪雷達(dá)技術(shù)發(fā)展情況

在激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用過程中，其延伸出來的圖像測繪技術(shù)已經(jīng)比原有的技術(shù)更加受到社會各界的廣泛關(guān)注。測繪雷達(dá)技術(shù)在地形測量中可以獲得高分辨率的三維圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)內(nèi)部的激光測繪信息數(shù)據(jù)目標(biāo)的細(xì)化，通過陣列探測找出隱藏目標(biāo)，實現(xiàn)探測技術(shù)與地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時共享。車載激光測繪產(chǎn)品主要可以用于全視場掃描，發(fā)揮雙激光雷達(dá)技術(shù)的作用，實現(xiàn)區(qū)域的三維信息采集。固定站點(diǎn)的激光雷達(dá)測繪產(chǎn)品則用于小型區(qū)域內(nèi)的三維成像模型構(gòu)造，實現(xiàn)現(xiàn)代化的行業(yè)信息采集的便捷化和便利化[2]。

2.2 激光自主導(dǎo)航雷達(dá)技術(shù)

激光自主導(dǎo)航雷達(dá)技術(shù)可以通過環(huán)境感知進(jìn)行自主導(dǎo)航，應(yīng)用于無人車駕駛、機(jī)器人定位導(dǎo)航、輔助定位導(dǎo)航等領(lǐng)域，激光雷達(dá)技術(shù)如同系統(tǒng)的“眼睛”。導(dǎo)航測繪系統(tǒng)通常采用激光雷達(dá)陣列成像的方式，通過掃描一段區(qū)域，建立高精度的數(shù)據(jù)地圖來感知周圍環(huán)境。在這項技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，還可以用其他的多功能的激光成像雷達(dá)技術(shù)，實現(xiàn)測高與測低信息之間的合理地形匹配、導(dǎo)航以及危險探測等功能。

2.3 激光三維成像

激光成像雷達(dá)的成像方式，主要分為單點(diǎn)掃描、多點(diǎn)掃描以及面陣成像。

單點(diǎn)掃描是利用單維的掃描機(jī)構(gòu)和單元探測儀器，使數(shù)據(jù)采集在成像時就能夠獲取，同時將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綄?yīng)的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，實現(xiàn)圖像的快速掃描和測繪，掃描機(jī)構(gòu)根據(jù)不同場景的變化，及時采集數(shù)據(jù)信息并做好有針對性的傳輸工作。其特點(diǎn)是成像時間長、數(shù)據(jù)刷新效率低且圖像處理技術(shù)十分困難，必須要有大型的掃描視場。

面陣成像方式的結(jié)構(gòu)就比較簡單，只需要利用模擬機(jī)構(gòu)采集信息，不需要提高數(shù)據(jù)刷新效率就能實現(xiàn)體系化的光學(xué)口徑以及驗證，實現(xiàn)高靈敏度的激光圖像繪制。

實驗時雷達(dá)激光技術(shù)采用了陣列成像的方式，掃描角度為40°×360°，成像數(shù)率為10 Hz，作用距離為70 m，距離精度為2 cm，從而實現(xiàn)車載環(huán)境下的高精準(zhǔn)三維環(huán)境感知，以及無人車在實驗條件下的模擬導(dǎo)航行進(jìn)。

3 自主著陸導(dǎo)航激光雷達(dá)技術(shù)基本內(nèi)容

3.1 激光雷達(dá)技術(shù)原理

著陸導(dǎo)航激光雷達(dá)，必須要具備安全著陸、自主導(dǎo)航、風(fēng)險規(guī)避等功能，具有高標(biāo)準(zhǔn)的成像速率和成像分辨率。激光雷達(dá)可以應(yīng)用激光單點(diǎn)測距的方式實現(xiàn)有效掃描，使激光圖像在測量過程中經(jīng)過空間映射，實現(xiàn)高能量的脈沖激光處理。由于激光發(fā)射頻率和掃描速率二者之間的不兼容性，一個指標(biāo)的要求提升必定會導(dǎo)致另一個指標(biāo)的下降，因此必須要較好地解決該項成像體制中指標(biāo)的非兼顧性問題。

激光雷達(dá)包括發(fā)射機(jī)、光學(xué)系統(tǒng)、探測器信號處理以及數(shù)據(jù)無線處理等部分，發(fā)射機(jī)發(fā)射高能量的脈沖激光后，通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)將其映照于探測區(qū)域，通過光接收組件進(jìn)行收集，使探測器在高標(biāo)準(zhǔn)情況下，實現(xiàn)多通道的光電轉(zhuǎn)化以及信號的完善，進(jìn)一步實現(xiàn)距離測量標(biāo)準(zhǔn)的精確化。圖像處理電路根據(jù)不同組件的信息反饋，完成目標(biāo)距離的維度信息圖像分析，并將其輸出給著陸器控制系統(tǒng)，以該種信息作為導(dǎo)航處理的根本依據(jù)，確保測量信息以及存儲信息的中間轉(zhuǎn)換器角色的實時轉(zhuǎn)換。激光雷達(dá)原理如圖1所示。

激光雷達(dá)接收的信號功率=發(fā)射激光功率分布與目標(biāo)后向散射系數(shù)的卷積，再考慮光學(xué)天線、大氣傳輸衰減等因素，障礙物z處后向散射信號的激光雷達(dá)方程的一般形式如公式（1）所示。

式中：Ar表示光學(xué)天線有效接收孔徑;R表示激光雷達(dá)作用距離;ηor接收光學(xué)系統(tǒng)效率;ηt發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)效率;T2雙程大氣透過率;x和y構(gòu)成激光有效面積;Jt表示激光發(fā)射功率的歸一化計算結(jié)果;βπ為激光束照射到目標(biāo)后散射結(jié)果;Pt為激光發(fā)射功率;Ps表示接收激光的功率;ΔT表示發(fā)射和接收時間差; Es表示接收能量;h表示普朗克常量;v表示光子輻射頻率; 積分函數(shù)符號;表示散射截面積關(guān)于探測目標(biāo)距離的微分。dx，dy，dz分別表示關(guān)于x，y，z方向的微分函數(shù)。通過以上公式可以計算出反射激光能能量和接收到的光子數(shù)。

3.2 工作模式

激光雷達(dá)可工作在單點(diǎn)測量、小視場成像以及大視場成效等多種模式下。單點(diǎn)測量的模式會對發(fā)射天線的距離進(jìn)行調(diào)整，并反復(fù)比對，以此來獲取較小的激光脈沖效果，實現(xiàn)激光能量的具體化處理，提升激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用效果。在中間段距離的設(shè)計中，激光雷達(dá)可以擴(kuò)大激光的發(fā)射距離，將其轉(zhuǎn)換成小視場陣列成像，形成精準(zhǔn)化的數(shù)字高程圖。通過相關(guān)的存儲的地圖匹配數(shù)據(jù)，進(jìn)行定時導(dǎo)航的著陸點(diǎn)控制，在高標(biāo)準(zhǔn)下實現(xiàn)探測范圍的擴(kuò)大，完善相應(yīng)的三維圖像分辨率。

4 關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容分析

4.1 高頻率激光發(fā)射技術(shù)

在激光雷達(dá)技術(shù)中，光纖激光器輸出窄、脈沖質(zhì)量好且具有更小的體積和更低的能耗，能夠很好的進(jìn)行散熱。但其受熱效應(yīng)的限制，必須要增強(qiáng)光纖激光器的脈沖數(shù)，提高功率，以此來降低離子絕對值的相應(yīng)制約因素的影響。半導(dǎo)體泵浦激光器采用LD/LDA作泵浦源，其優(yōu)勢是數(shù)據(jù)處理效率高且質(zhì)量好。由于泵浦燈具有較寬的輻射光譜和離子吸收帶，一旦二者之間匹配不達(dá)標(biāo)，會使得整個激光器的吸收效率降低到3%，且出現(xiàn)大功率的熱效應(yīng)下降的情況，導(dǎo)致光束質(zhì)量與穩(wěn)定性差異增大。另外一種LD/LDA的發(fā)射譜線則通過溫度調(diào)節(jié)的方式，改變激光雷達(dá)的發(fā)射波長，保證峰值發(fā)射波長與用離子吸收帶處于理想的配比狀態(tài)，提高工作效率。這種高頻率的激光發(fā)射器噪聲特性好、效率高、有質(zhì)量保證，可以實現(xiàn)高頻率工作，低輸出功率，因此，已經(jīng)受到了社會各界的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。

4.2 陣列探測技術(shù)

在激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用過程中，最主要的技術(shù)是陣列探測技術(shù)。為了進(jìn)一步促進(jìn)該項技術(shù)的合理運(yùn)行，要根據(jù)實際情況，解決發(fā)射激光的利用率問題和一致性問題，這2個問題是困擾該項技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸。由于探測器在體系化管控存在一定的間隙，采用單個激光進(jìn)行照明時，其所收集的激光覆蓋到整個陣列探測器表面，會導(dǎo)致能量的損失，導(dǎo)致在實際工作中需要對光能量進(jìn)行二次采集。通過對發(fā)射光的圖樣進(jìn)行設(shè)計，使發(fā)射圖樣與探測器匹配，可以確保激光發(fā)射和接收的能量具有一致性，提高光的利用效率，使通道內(nèi)部的探測器能量的獲取途徑一致化。

5 結(jié)語

綜上所述，空間自動導(dǎo)航著陸雷達(dá)技術(shù)還有很大的研究空間。隨著對太空探測深度的進(jìn)一步提升，必須要根據(jù)實際情況進(jìn)行創(chuàng)新，提高激光成像雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用效率，實現(xiàn)各項資源的合理互補(bǔ)，提高機(jī)器設(shè)備的導(dǎo)航精準(zhǔn)效率，促進(jìn)該項技術(shù)的可持續(xù)性進(jìn)步與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]卜弘毅.空間自動著陸導(dǎo)航激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海：中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，2009.

[2]李磊，董光焰，彭鳳超.空間自主著陸導(dǎo)航激光雷達(dá)技術(shù)研究[J].電光系統(tǒng)，2015（1）：34-37.