衛(wèi)星激光測高儀在軌檢校脈沖探測器的設(shè)計、測試及應(yīng)用

劉恩超,李新,張允祥,杜沈達(dá),2,鄭小兵

(1中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點實驗室,安徽 合肥 230031;2中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026)

0 引 言

星載激光測高儀采用主動式的星載激光光源,可以通過發(fā)射、捕獲、反演的方式獲得高精度的地表高程信息,相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和利用是航天大國的競爭焦點之一[1,2]。2003年,美國利用搭載于ICESat衛(wèi)星的對地觀測激光測高系統(tǒng)進(jìn)行格陵蘭島的冰面檢測,其測高精度優(yōu)于0.15 m[3]。2016年,我國發(fā)射了資源三號02星激光測高試驗性載荷用于輔助光學(xué)載荷立體測圖,其測高精度優(yōu)于1.0 m[4,5]。2018年,美國發(fā)射了多波束ICESat-2單光子激光測高衛(wèi)星,在森林地區(qū)相對測高精度優(yōu)于0.75 m,在平靜湖面的相對測高精度優(yōu)于0.06 m[6]。2019年,我國高分七號(GF-7)衛(wèi)星搭載了一套雙波束激光測高系統(tǒng),用于輔助光學(xué)相機(jī)1:10000立體測繪[7]。

由于星載激光測高載荷受發(fā)射振動、環(huán)境變化等因素的影響,衛(wèi)星參數(shù)的實驗室設(shè)計值與實際值存在偏差,因此不可避免地影響激光測高精度。而為了獲得高精度的激光測高數(shù)據(jù),就必須開展激光測高儀的在軌幾何檢校。目前,激光測高儀的在軌幾何檢校主要有地面探測器定標(biāo)法、地形定標(biāo)法、機(jī)載雷達(dá)成像法。其中,基于地面探測器的檢校法是現(xiàn)有方法中精度最高的,也是工程中應(yīng)用最多的方法。

基于地面探測器的地面靶標(biāo)檢校法需要在地面場按一定規(guī)則布設(shè)激光足印探測器陣列,在衛(wèi)星過頂時捕捉激光足印的能量信號、幾何信息和時間信息,為激光測高數(shù)據(jù)的在軌檢校提供數(shù)據(jù)[8?10]。因此,針對激光測高儀的在軌應(yīng)用,需要研制具備能量采集、無線通信等功能的激光脈沖探測器,以保證野外工作的可靠性、便攜性等。

目前只有美國和中國利用地面脈沖探測器進(jìn)行了激光測高儀在軌檢校。其中,美國的激光測高儀在軌檢校設(shè)計了兩個強(qiáng)度量級的脈沖探測器進(jìn)行足印捕捉并采用有線連接的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。我國2016年發(fā)射的資源三號02星設(shè)計了8個強(qiáng)度量級的脈沖探測器進(jìn)行足印捕捉,其中中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所和武漢大學(xué)都參與了整個實驗[11?14]。然而根據(jù)GF-7衛(wèi)星1:10000高精度激光測高儀的參數(shù),前期的地面探測器還存在不足:1)目前國內(nèi)采用的激光足印探測器只進(jìn)行了多能級采集,無法更高精度地擬合測高儀的足印質(zhì)心;2)目前采用的足印探測器只具備能量采集功能,不具備無線數(shù)據(jù)傳輸,而有線數(shù)據(jù)傳輸方式不適用于我國的激光測高儀在軌檢校。

針對激光測高儀在軌檢校需求和探測器的性能與應(yīng)用不足之處,開展了適用于高分七號衛(wèi)星激光測高儀在軌檢校的脈沖探測器研制,實現(xiàn)1064 nm激光脈沖的1～120 nJ·cm?2的能量定量化采集,并保證野外應(yīng)用的探測器能量響應(yīng)的一致性和穩(wěn)定性,以及通過無線射頻方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。為滿足激光測高儀在軌檢校中的側(cè)擺需求,對探測器的可響應(yīng)角度也進(jìn)行了設(shè)計。通過探測器的實驗室測試和在軌檢校應(yīng)用,驗證了探測器的應(yīng)用功能與性能。

1 探測器設(shè)計依據(jù)

根據(jù)GF-7衛(wèi)星的1:10000高精度立體測繪衛(wèi)星系統(tǒng)的地面定位精度需求,在無地面控制點條件下平面精度需優(yōu)于5 m,高程精度需優(yōu)于1.6 m。由激光測高原理可知,平面精度和高程精度都受激光指向角和測距兩方面的直接影響,圖1展示了激光指向角誤差對高程精度的影響[15]。其中θ為局部地形坡度,δαest是通過定姿計算得到的激光指向角,Δδα為指向角誤差,δα為真實的指向角,δα=δαest?Δδα,Hture為真實距離,而Hmeasured則是通過激光脈沖往返時間計算得到的距離,由簡單的三角關(guān)系可以得到

圖1 激光指向角誤差引起高程精度誤差Fig.1 Elevation arruracy error caused by laser pointing error

根據(jù)式(2)指向角誤差對于高程定位精度的影響,從滿足平面定位精度和高程精度的角度分析,在坡度為2°的情況下,1.5′′激光指向角精度引起的高程精度偏差為0.25 m,結(jié)合高程精度受激光測高儀自身、大氣延遲、潮汐等因素的影響數(shù)據(jù),1.5′′的激光指向精度滿足測繪衛(wèi)星的高程精度需求。1.5′′激光指向角精度的平面精度偏差為3.58 m,滿足立體測繪衛(wèi)星的平面定位精度需求。

由于激光地面足印的中心是根據(jù)地面探測器的探測結(jié)果計算獲得的,因此探測器的精度直接影響地面激光光斑質(zhì)心的精度。而激光足印的能量分布是根據(jù)激光測高儀自身的參數(shù)計算得到。激光探測器的地面足印直徑和激光足印平均能量密度的計算公式分別為

式中D為激光測高儀的足印直徑,Eave為平均能量密度,其他參數(shù)皆為激光測高儀的性能參數(shù)(表1)。

表1給出了GF-7激光測高儀的具體性能參數(shù),利用式(3)計算得到激光測高儀的足印大小為50 m。由單脈沖激光能量、大氣透過率、激光高斯分布的能量等參數(shù),利用式(4)計算得到激光足印的平均能量為25 nJ·cm?2,得到高斯分布的激光足印能量采集范圍為 5～100 nJ·cm?2。

表1 GF-7激光測高儀性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of GF-7 laser altimeter

2 激光脈沖探測器設(shè)計

星載測高儀激光脈沖的脈寬窄、能量低、定標(biāo)精度要求高,為了滿足激光測高儀在軌檢校中的激光能量采集和數(shù)據(jù)傳輸,設(shè)計探測器原理如圖2所示。采用以激光脈沖探測電路和主控電路為核心的方案,激光脈沖探測電路實現(xiàn)激光脈沖的捕捉和采集,主控電路實時監(jiān)測激光脈沖的達(dá)到,并將激光能量以無線的形式發(fā)送到接收端,快速獲取激光足印的能量、時間數(shù)據(jù)。為保證探測器野外工作的可靠性進(jìn)行了整機(jī)結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計,探測器實物如圖3所示。

圖2 激光脈沖探測器原理框圖Fig.2 Principle block diagram of laser pluse detector

圖3 激光脈沖探測器Fig.3 Laser pulse detector

2.1 能量采集電路設(shè)計

激光脈沖探測器的工作是將激光能量轉(zhuǎn)換為電壓值,并且進(jìn)行采集和保存,高速高性能光電二極管是實現(xiàn)激光能量采集的首要條件。激光測高儀發(fā)射的激光脈沖寬度為8 ns,從激光足印中心到邊沿的激光脈沖能量不同。在激光脈沖照射到探測器上后,PIN光電探測器將采集到的激光脈沖轉(zhuǎn)換為電荷量,然后送到電荷靈敏前放電路進(jìn)行積分得到電壓信號,通過峰值采樣/保持電路保持峰值,在信號峰值時進(jìn)行信號數(shù)字化,獲取不同激光能量下的數(shù)字化輸出電壓,能量采集流程如圖4所示。

圖4 脈沖能量采集電路流程圖Fig.4 Flow chart of pulse energy acquisition circuit

激光測高儀的能量進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換時,需對電壓信號進(jìn)行積分放大。目前主控電路實現(xiàn)信號數(shù)字化的采樣轉(zhuǎn)化時間一般在μs量級,因此需要在采樣電路前端加入峰值采樣保持電路,實現(xiàn)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)化。采樣保持電路由2個電壓跟隨器及保持電容構(gòu)成。采樣保持電路以順序采樣模式工作,通過對重復(fù)脈沖信號的幾個周期不同位置取樣組成一個完整周期,適合于目前的數(shù)字化轉(zhuǎn)化。

利用軟件模擬探測器光電探測電路、電荷靈敏前放電路、峰值采樣保持電路,得到的輸入輸出模擬結(jié)果如圖5所示。在窄脈沖輸入信號下,脈沖信號經(jīng)過采樣放大和采樣保持,信號脈沖時間得到擴(kuò)展,信號幅值降低,總能量不變。經(jīng)過不同輸入信號的輸出電壓模擬,在線性能量輸入時,信號的輸出也呈線性,可以利用實驗室標(biāo)定的方式,確定不同輸入激光脈沖能量對應(yīng)的電壓輸出結(jié)果,實現(xiàn)多量級、低能量的激光脈沖能量采集。

圖5 激光脈沖輸入輸出模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of laser pulse input and output

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

利用激光足印探測器陣列進(jìn)行測高儀在軌校驗時,需要以幾米至幾十米的間隔布設(shè)上千或更多的探測器,每次試驗布設(shè)的探測器陣列較大,采用人工方式逐個排查探測器狀態(tài)工作量非常大,因此需要以無線數(shù)傳的方式獲得探測器的能量信息。而激光測高儀的在軌檢校試驗的地點處于無網(wǎng)絡(luò)和通信信號覆蓋的草原、隔壁、沙漠等地區(qū),無法采用4G或網(wǎng)絡(luò)信號等方式進(jìn)行通信。

根據(jù)以上的要求,激光脈沖探測器采用了自主通信的LoRa610射頻模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,設(shè)計方案如圖6所示。LoRa610無線模塊采用了LoRa TM擴(kuò)頻調(diào)制跳頻技術(shù),具備高效的接收靈敏度和超強(qiáng)的抗干擾性能,其通信距離、接收靈敏度都遠(yuǎn)超現(xiàn)在的FSK、GFSK調(diào)制。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是通過串口通信的方式進(jìn)行,無線模塊的待機(jī)和發(fā)送模式通過使能端進(jìn)行控制,可以有效的降低功耗。

圖6 無線通信應(yīng)用圖Fig.6 Application diagram of wireless communication

3 激光脈沖探測器測試

3.1 能量探測范圍測試

激光脈沖探測器的能量密度測試基于脈沖激光器的實驗室測試平臺進(jìn)行,測試示意圖如圖7所示。利用ns級脈沖激光器作為光源,中性濾光片和擴(kuò)束鏡進(jìn)行能量衰減和擴(kuò)束,實現(xiàn)不同間隔的激光能量分布,獲得激光脈沖探測器模擬條件下的能量采集。

圖7 激光脈沖探測器能量密度范圍測試示意圖Fig.7 Schematic diagram of the detector′s energy density range test device

實驗室測試?yán)谜{(diào)Q Nd:YAG脈沖激光器Ultra 20,它可以產(chǎn)生與星載激光測高儀脈寬和波長一致的激光,并利用中性濾光片大幅度衰減激光脈沖能量,增加不同參數(shù)的平凹透鏡以增加激光光束的發(fā)散角,可以模擬出 0.5～150 nJ·cm?2的激光足印。

利用上述測試裝置進(jìn)行了能量密度的測試,調(diào)整光路使激光器的光束直射探測器陣列,激光器經(jīng)過擴(kuò)束后可以覆蓋整個探測器陣列,根據(jù)中心和邊沿不同位置探測器的響應(yīng)結(jié)果,獲得探測器的能量響應(yīng)結(jié)果,最終得到能量密度的探測范圍。圖8為探測器響應(yīng)值與能量密度對應(yīng)關(guān)系。由圖可知,探測器的響應(yīng)結(jié)果為1～4096 時對應(yīng)的能量密度范圍為 1～120 nJ·cm?2。

圖8 探測器響應(yīng)值與能量密度對應(yīng)關(guān)系Fig.8 Relationship between detector response and energy density

3.2 響應(yīng)一致性測試

激光足印質(zhì)心的擬合結(jié)果主要受不同探測器采集能量準(zhǔn)確性的影響,因此需要進(jìn)行探測器響應(yīng)一致性的測試。由于采用脈沖激光器作為光源會受到激光器的輸出不穩(wěn)定性影響,在穩(wěn)定性測試時采用積分球作為測試光源。實際測試的示意圖如圖9所示,將探測器架設(shè)在同一垂直面上,放置在積分球的出口處,積分球光源的中心穩(wěn)定部分覆蓋所有探測器,通過采集所有探測器的結(jié)果,判斷探測器陣列在相同光源下的穩(wěn)定性輸出結(jié)果。

圖9 能量一致性測試裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of the energy consistency test device

探測器的測試數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送的方式將數(shù)據(jù)傳送到電腦端,每個探測器測試8組數(shù)據(jù),計算其平均值獲得單個探測器的結(jié)果。探測器的測試數(shù)據(jù)如表2所示。由表可知,探測器的最大響應(yīng)為1.59 nJ·cm?2,最小響應(yīng)為1.52 nJ·cm?2,平均響應(yīng)為1.56 nJ·cm?2,利用(最大值?最小值)/平均值的方法,獲得探測器響應(yīng)一致性的測量結(jié)果為4.5%。

表2 激光脈沖探測器響應(yīng)一致性測試結(jié)果Table 2 Response consistency results of laser pluse detector

3.3 穩(wěn)定性測試

利用脈沖探測器陣列進(jìn)行激光測高儀的在軌檢校時,試驗場的溫度變化較大,探測器在不同溫度環(huán)境下的能量響應(yīng)穩(wěn)定性會影響測高儀指向在軌檢校的結(jié)果。為了驗證研制的探測器能量響應(yīng)穩(wěn)定性,采用了如圖10所示的實驗裝置對探測器進(jìn)行了測試。探測器固定在高低溫試驗箱內(nèi)部,外部使用穩(wěn)定光源照射探測器,在?20～50°C的溫度范圍內(nèi),獲得同一激光光源下的探測器采集結(jié)果。圖11為探測器在不同溫度下的能量響應(yīng),在?20～50°C的溫度范圍內(nèi)探測器能量響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.054,能量響應(yīng)平均值為4.63 nJ·cm?2,計算得到的不同溫度下的能量響應(yīng)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.17%。

圖10 能量響應(yīng)穩(wěn)定性測試裝置示意圖Fig.10 Schematic diagram of the energy response stability test device

圖11 激光脈沖探測器不同溫度下的能量響應(yīng)數(shù)據(jù)Fig.11 Energy response data of the laser pulse detector at different temperatures

3.4 探測器視場角測試

為了滿足衛(wèi)星激光測高儀在軌檢校中衛(wèi)星側(cè)擺的應(yīng)用需求,脈沖探測器在設(shè)計中考慮了觀測視場角的設(shè)計方案。探測器研制完成后為了驗證視場角的具體參數(shù),采用圖12所示的測試裝置對探測器的水平和垂直方向的視場角進(jìn)行了測試。測試中采用脈沖激光器作為光源,經(jīng)過衰減和準(zhǔn)直后照射到探測器上,其中衰減倍數(shù)為100,擴(kuò)束后形成直徑為100 mm的光斑,可以覆蓋整個激光探測器的旋轉(zhuǎn)范圍。通過二維旋轉(zhuǎn)臺以1°的間隔變換探測器的角度,得到圖13所示的測量結(jié)果,激光探測器可以在±12°的角度范圍內(nèi)獲得有效的響應(yīng)數(shù)據(jù),用于測高儀側(cè)擺中的在軌檢校。

圖12 激光脈沖探測器視場角測試裝置示意圖Fig.12 Schematic diagram of FOV test device for the laser pulse detector

圖13 水平和垂直方向視場角測試Fig.13 Horizontal and vertical FOV angle tests

4 激光脈沖探測器的應(yīng)用

基于激光脈沖探測器的激光束矢量指向檢校精度,采用了GF-7衛(wèi)星激光測高儀的在軌定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行了驗證[16]。此次實驗于2020年5–6月在內(nèi)蒙古的蘇尼特右旗開展。整個實驗過程探測器性能穩(wěn)定并成功捕捉到激光足印。

2020年6月19日,實驗中對激光測高儀的西波束進(jìn)行激光指向定標(biāo),探測器陣列大小為49行×26列,相鄰探測器間距為4.5 m。衛(wèi)星過頂后查看探測器,探測器陣列中的第12～17列的第21～25行間共觸發(fā)23個激光脈沖探測器,每個探測器的能量測量數(shù)據(jù)如表3所示,數(shù)據(jù)三維圖如圖14所示。

表3 4.5 m間距激光脈沖探測器陣列響應(yīng)結(jié)果Table 3 Response of detector array at 4.5m spacing

圖14 4.5 m間隔探測器陣列的數(shù)據(jù)波形圖Fig.14 Data waveform of 4.5 m spacing detector array

基于激光測高儀在軌檢校成功的實驗過程與結(jié)果,結(jié)合大氣參數(shù)、測高儀的參數(shù)進(jìn)行計算,通過在地形均勻的地球區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與反演的結(jié)果表明:GF-7激光測高儀經(jīng)過探測器的在軌檢校后,星載激光的雙波束絕對測高精度優(yōu)于0.3 m[7]。

5 結(jié) 論

自2016年開始,我國開始陸續(xù)在資源衛(wèi)星和高分衛(wèi)星上搭載激光測高儀,通過測高儀的地表高程測量提高我國立體測繪衛(wèi)星的精度。為了實現(xiàn)激光測高儀應(yīng)用中的在軌檢校工作,研制了激光脈沖探測器系統(tǒng)用于外場試驗。探測器系統(tǒng)采用高速PIN探測單元及高速數(shù)據(jù)采集電路實現(xiàn)了ns級脈寬的激光脈沖的定量化采集,通過集成高精度計時單元實現(xiàn)了μs量級的激光脈沖觸發(fā)計時,并通過無線射頻模塊實現(xiàn)脈沖探測器的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。探測器系統(tǒng)進(jìn)行了能量密度、計時精度、能量響應(yīng)一致性與穩(wěn)定性、探測器視場角等參數(shù)的實驗室測試,試驗結(jié)果表明脈沖探測器可以實現(xiàn)1～120 nJ·cm?2的能量范圍采集,能量響應(yīng)的一致性優(yōu)于5%,穩(wěn)定性優(yōu)于1.5%,可以實現(xiàn)±12°角度范圍內(nèi)的激光脈沖的有效采集。最終探測器成功應(yīng)用到我國GF-7衛(wèi)星激光測高儀的在軌檢校中,獲得的GF-7業(yè)務(wù)測高精度可達(dá)0.3 m。未來,伴隨著我國激光衛(wèi)星的進(jìn)一步發(fā)展,基于激光探測器的地面檢校技術(shù)將為我國立體測繪衛(wèi)星精度驗證提供更多的技術(shù)支撐和應(yīng)用保障。