小天體激光地形測(cè)繪與導(dǎo)航一體化設(shè)計(jì)方法

郭紹剛，李 林，朱飛虎，王 立 ，張運(yùn)方，趙 琴，鄭 巖，馬月超，張恒康

（1.北京控制工程研究所 空間光電測(cè)量與感知實(shí)驗(yàn)室 北京 100190；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院 北京 100094）

引言

小天體是太陽(yáng)系內(nèi)各類小行星和彗星的統(tǒng)稱，由于體積小、演化程度低，較為完整地保留了太陽(yáng)系形成早期乃至形成前的物質(zhì)，小天體探測(cè)可為太陽(yáng)系早期演化過(guò)程研究提供重要的線索，并有望揭示生命的起源[1-4]。少數(shù)小天體具有撞擊地球的潛在威脅，研究小天體是制定相應(yīng)防御策略、避免撞擊威脅的前提[5-9]。采樣返回是目前最具科學(xué)和技術(shù)價(jià)值的小天體探測(cè)方式[4,9-10]。2019年4月18日，中國(guó)國(guó)家航天局（China National Space Administration，CNSA）公布了小天體探測(cè)計(jì)劃，其中探測(cè)器將開展對(duì)近地小天體2016HO3的繞飛探測(cè)，隨后擇機(jī)附著在小行星表面并采集樣品，攜帶樣品返回地球[11]。對(duì)小天體進(jìn)行地形測(cè)繪，完成小天體表面地形、地貌的三維重建，可獲取小天體全球地形信息，這將為科學(xué)研究提供最寶貴的原始數(shù)據(jù)；此外，全星地形信息將為航天器著陸采樣提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)來(lái)源與三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配，引導(dǎo)航天器在安全可靠及具有高度科學(xué)研究?jī)r(jià)值的位置附著采樣。

目前小天體2016HO3在軌自轉(zhuǎn)方向無(wú)法確定，甚至無(wú)法判斷其是否存在穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)軸[12]。相比采用一觸即走（Touch And Go，TAG）采樣方式的“隼鳥一號(hào)”（Hayabusa 1）、“隼鳥2 號(hào)”（Hayabusa 2）[13]與“歐西里斯-雷克斯號(hào)”（Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security Regolith Explorer，OSIRIS-REx）[14]，中國(guó)將采取探測(cè)器附著小天體表面后進(jìn)行樣品采集的方式[11]，獲取小天體表面高精度的地形地貌信息對(duì)于小天體著陸采樣任務(wù)總體設(shè)計(jì)至關(guān)重要。小天體2016HO3直徑約40～100 m，全球尺寸小，表面特征cm級(jí)，自轉(zhuǎn)周期約0.467 h，并且自轉(zhuǎn)方向未知①數(shù)據(jù)來(lái)源于：MPC數(shù)據(jù)庫(kù)（IAU Minor Planet Center），http://minorplanetcenter.net/db_search/showobject?object_id=469219，2019-7-10；ALCDEF數(shù)據(jù)庫(kù)，http://alcdef.org/PHP/alcdef_generateALCDEFPage.php，2019-7-10。，這使得表面無(wú)光照和太陽(yáng)光照射環(huán)境呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的交替變化狀態(tài)。小天體自身的特性決定了探測(cè)器必須具備高動(dòng)態(tài)、高分辨率和高測(cè)距精度需求。

激光探測(cè)技術(shù)具備陽(yáng)光免疫和無(wú)光照條件下使探測(cè)器對(duì)未知地形仍有測(cè)繪和導(dǎo)航能力，在小天體探測(cè)中得到重點(diǎn)關(guān)注[15-19]。目前，國(guó)際空間激光探測(cè)技術(shù)已發(fā)展了3代：第1代為機(jī)械掃描式，采用機(jī)械振鏡以及線陣APD探測(cè)器，以O(shè)SIRIS-Rex上的激光高度計(jì)（Optical Laser Altimeter，OLA）[20-21]和Hayabusa 2上的LIDAR（Laser Intensity Direction Finding and Ranging）[22-23]為代表；第2代產(chǎn)品為MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）掃描式，特點(diǎn)是小型化、輕量化，適合于深空探測(cè)任務(wù)，以北京控制工程研究所研制的火星多功能避障敏感器[24]及美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的MEMS激光雷達(dá)[25-26]為代表。第3代產(chǎn)品為面陣成像式，通過(guò)一次成像或多次成像統(tǒng)計(jì)的方式進(jìn)行三維成像，花費(fèi)少數(shù)激光脈沖的時(shí)間即可獲得高分辨率三維圖像，以O(shè)SIRIS-Rex的閃光激光雷達(dá)（FLASH LIDAR）[27]為代表。以上3代激光探測(cè)技術(shù)各有特點(diǎn)，但均不能同時(shí)滿足高幀率、高分辨率和高測(cè)距精度的需求。

本文結(jié)合國(guó)際目前已實(shí)施的小天體探測(cè)任務(wù)，對(duì)激光探測(cè)技術(shù)在導(dǎo)航和地形測(cè)繪中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)，歸納梳理了與激光導(dǎo)航和測(cè)繪相關(guān)技術(shù)的最新研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合前3代激光探測(cè)技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種適用于小天體探測(cè)的混合固態(tài)激光探測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與三維地形測(cè)繪一體輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)中國(guó)小天體地形測(cè)繪與導(dǎo)航的工程實(shí)施具有一定的指導(dǎo)意義。

1 激光測(cè)繪導(dǎo)航探測(cè)方法

采用激光探測(cè)方法進(jìn)行導(dǎo)航和地形測(cè)繪的典型產(chǎn)品為激光雷達(dá)，是一種激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度、姿態(tài)等特征量，具有自主性、全天時(shí)、全天候獲取目標(biāo)信息的特點(diǎn)[28]。激光雷達(dá)可對(duì)目標(biāo)成像生成三維地形，直接描述目標(biāo)區(qū)域的地形起伏和特征細(xì)節(jié)，實(shí)時(shí)自主障礙檢測(cè)。通過(guò)激光主動(dòng)探測(cè)成像獲取的高精度地形圖，可為地外天體探測(cè)器的導(dǎo)航和地形測(cè)繪提供最直接的信息。該項(xiàng)技術(shù)在火星探測(cè)、月球探測(cè)[29-33]中得到了積極的應(yīng)用，并取得了系列成果。

1.1 機(jī)械掃描式

機(jī)械掃描式為第一代激光探測(cè)技術(shù)，以Hayabusa 2上配備的LIDAR、歐洲航天局（European Space Agency，ESA）的火星著陸激光雷達(dá)、OSIRIS-Rex上配備的激光高度計(jì)OLA為典型代表，中國(guó)科學(xué)院上海技物所研制的月球著陸激光三維成像儀[31]也為機(jī)械掃描式。日本小行星探測(cè)器Hayabusa 2[34]的激光雷達(dá)LIDAR[22,32]實(shí)物圖如圖1（a）所示，質(zhì)量?jī)H3.52 kg，該產(chǎn)品主要包含激光模塊、接收光學(xué)系統(tǒng)和控制電路，采用兩套接收光學(xué)系統(tǒng)，遠(yuǎn)場(chǎng)鏡頭口徑110 mm，近場(chǎng)鏡頭口徑3 mm，兩套光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得整機(jī)的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍為30 m～25 km。由于采用了機(jī)械振鏡，其掃描速度很慢，導(dǎo)致圖像刷新率和圖像分辨率較低。ESA火星著陸激光雷達(dá)[35]整機(jī)模型如圖1（b）所示，采用1×256的線陣探測(cè)器，并且在接收光學(xué)鏡頭上增加了調(diào)焦機(jī)構(gòu)，測(cè)距精度大幅提升，5 km遠(yuǎn)距離的測(cè)距精度優(yōu)于5 m，在近距離10 m時(shí)的測(cè)距精度優(yōu)于2 cm，但陣列個(gè)數(shù)過(guò)多導(dǎo)致激光能量分散，作用距離受限，且機(jī)械振鏡體積、重量均較大，使得整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了10 kg。NASA用于執(zhí)行小行星采樣返回任務(wù)的OSIRISRex探測(cè)器于2016年發(fā)射，其激光高度計(jì)OLA采用二維快反鏡（FSM）和單點(diǎn)線性模式APD探測(cè)器[20-21]，實(shí)物如圖1（c）所示，O L A 采用高能量激光器〔被動(dòng)調(diào)Q固體激光器（Cr+/Nd:YAG）〕和低能量激光器〔（被動(dòng)調(diào)Q微片激光器（Cr+/Nd:YAG）〕，中心波長(zhǎng)均為1 064 nm，在軌通過(guò)線掃描和面掃描兩種模式進(jìn)行探測(cè)，具備較高的測(cè)距精度和橫向分辨率，但體積、重量較大，單幀圖像成像時(shí)間在2～6 min，由于配備了兩臺(tái)激光器，OLA的總重量高達(dá)21.4 kg。

圖1 國(guó)外第一代典型激光探測(cè)產(chǎn)品Fig.1 International first generation of typical laser detection instrument

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研發(fā)了用于行星導(dǎo)航和軟著陸的激光雷達(dá)系統(tǒng)[31]。該系統(tǒng)由激光測(cè)距儀、激光測(cè)速儀和激光三維成像儀組成，如圖2所示。激光測(cè)距儀能在離行星高度30 km處開始工作，直至10 m高度全程測(cè)距；激光測(cè)速儀在離行星高度3 km處開始工作，連續(xù)測(cè)速直至高度4 m，測(cè)速精度達(dá)到15 cm/s；激光三維成像儀對(duì)選擇的著陸區(qū)進(jìn)行三維成像，最大視場(chǎng)達(dá)到30°×30°，成像精度達(dá)到5 cm（1σ）。激光三維成像儀部組件包括激光器、光學(xué)發(fā)射和接收單元、二維掃描機(jī)構(gòu)單元、回波接收單元、信息處理單元和電源分配單元等。探測(cè)器為Si-APD線陣1×16探測(cè)器，通過(guò)兩個(gè)機(jī)械振鏡掃描擴(kuò)大探測(cè)視場(chǎng)，激光器采用全光纖體制激光器，雖能滿足高重頻、大功率要求，但作用距離較近，測(cè)距精度和成像分辨率相對(duì)較低。

圖2 中科院上海技術(shù)物理研究所激光三維成像儀Fig.2 Picture of SITP LIDAR

第一代典型激光探測(cè)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1所示，采用機(jī)械振鏡掃描方式的激光探測(cè)方法對(duì)功耗需求較高，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量較大，采用機(jī)械振鏡使得掃描速度有限，幀率很低，無(wú)法適用于高動(dòng)態(tài)的三維成像，對(duì)高速自轉(zhuǎn)小天體或者在快速接近的導(dǎo)航任務(wù)中都不適用。

表1 第一代典型激光探測(cè)產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比Table 1 Parameters of First generation of typical laser detection instrument

1.2 MEMS掃描式

第二代激光探測(cè)技術(shù)為MEMS 掃描式，以NASA的MEMS激光雷達(dá)[25-26]和北京控制工程研究所研制的火星多功能避障敏感器[24]為代表，第二代產(chǎn)品采用了MEMS掃描鏡，其體積重量很小，在掃描速度上具有較高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由于MEMS掃描鏡的鏡面尺寸較小，接收光學(xué)系統(tǒng)孔徑受限，其作用距離也受限，此外，鏡面尺寸小導(dǎo)致激光出射光斑較小，使得激光發(fā)散角較大，圖像分辨率精度受到限制。NASA的MEMS激光雷達(dá)作用距離僅能達(dá)到40 m，實(shí)物圖如圖3（a）所示。北京控制工程研究所為“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器研制的多功能避障敏感器同樣采用MEMS擺鏡掃描成像，采用1 064 nm激光器作為主動(dòng)光源，是一種輕小型化、高分辨率的激光三維成像敏感器，且集成了光學(xué)成像功能，具備抗高低溫環(huán)境靈敏度漂移、抗背景雜光干擾、大視場(chǎng)大相對(duì)孔徑能量接收、高精度MEMS掃描鏡訓(xùn)練與標(biāo)定等技術(shù)優(yōu)勢(shì)?；鹦嵌喙δ鼙苷厦舾衅魇鞘状螒?yīng)用于深空探測(cè)的MEMS掃描激光雷達(dá)產(chǎn)品，其作用距離為80～120 m，實(shí)物圖如圖3（b）所示。FLASH LIDAR為美國(guó)ASC公司生產(chǎn)，產(chǎn)品型號(hào)為GoldenEye，有兩個(gè)子型，其中S級(jí)別的“SOLID”子型面向深空探測(cè)任務(wù)，主要應(yīng)用于是OSIRIS-REx；M級(jí)別的“GEO3D”子型主要面向地球同步軌道（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）和月球探測(cè)任務(wù)。FLASH LIDAR的實(shí)物如圖4所示，技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表3所示，OSIRIS-REx探測(cè)器上安裝了2臺(tái)閃光激光雷達(dá)（LIDAR-1和LIDAR-2）為GNC提供導(dǎo)航。

圖3 MEMS掃描式典型產(chǎn)品Fig.3 Second generation of typical laser detection instrument

圖4 閃光激光雷達(dá)飛行件實(shí)物Fig.4 Picture of OSIRIS-Rex FLASH LIDAR

第二代典型激光探測(cè)產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比如表2所示，據(jù)表2可知，采用MEMS鏡掃描方式的激光探測(cè)方法具有較高的掃描速度，但MEMS掃描鏡未引入閉環(huán)控制，指向精度不高，在0.1°量級(jí)，距離小天體2016HO3探測(cè)需要達(dá)到的0.005°～0.01°的指向精度還有較大的差距。

表2 MEMS掃描式技術(shù)典型產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)Table 2 Parameters of second generation of typical laser detection instrument

1.3 面陣成像式

為解決作用距離、圖像分辨率、圖像刷新率受限的問(wèn)題，第3代面陣成像式激光探測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，以美國(guó)OSIRIS-Rex小天體探測(cè)任務(wù)的FLASH LIDAR[27]為代表，其分辨率為128×128，作用距離達(dá)到3 km。

據(jù)表3可知，F(xiàn)LASH LIDAR雖然成像幀率很快，但成像分辨率、測(cè)距精度較低，不適用于小天體2016HO3全球地形測(cè)繪的需求。128 × 128陣列規(guī)模成像器件分辨率有限，此外，測(cè)距精度僅為15 cm（3σ）量級(jí)，對(duì)于小天體2016HO3科學(xué)探測(cè)cm級(jí)需求有較大的差距。

表3 OSIRIS-REx閃光激光雷達(dá)（FLASH LIDAR）的指標(biāo)參數(shù)Table 3 Parameters of OSIRIS-RE FLASH LIDAR

2 混合固態(tài)激光三維成像探測(cè)方法

面陣探測(cè)器可以獲得較高的成像幀率，且單光子探測(cè)器比普通的線性模式APD探測(cè)器靈敏度高出至少3個(gè)數(shù)量級(jí)，同等距離下所需激光能量更少?？紤]到小天體探測(cè)需求，現(xiàn)有的面陣成像器件分辨率不夠，激光地形測(cè)繪與導(dǎo)航一體設(shè)計(jì)方法采用快反鏡二維掃描與單光子面陣探測(cè)器成像結(jié)合的總體方案，即混合固態(tài)激光三維成像探測(cè)。

2.1 方案構(gòu)成與功能

混合固態(tài)激光三維成像探測(cè)總體框圖構(gòu)成如圖5所示，主要包含光學(xué)組件和電子學(xué)組件兩部分：光學(xué)組件包括發(fā)射單元、接收單元以及二維音圈電機(jī)快反鏡單元，其中發(fā)射單元由脈沖光纖激光器和衍射光柵組成，接收單元由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和單光子面陣探測(cè)器組成；電子學(xué)組件包括SPAD驅(qū)動(dòng)及溫控電路、快反鏡驅(qū)動(dòng)電路、主控處理電路、PIN探測(cè)電路以及電源。

圖5 混合固態(tài)激光三維成像探測(cè)方法組成框圖Fig.5 Block diagram of hybrid solid-state method

通過(guò)RS422串口接收到圖像控制單元（Image Processing Unit，IPU）指令后，激光器發(fā)出窄脈沖平行光束，經(jīng)過(guò)衍射光柵后形成二維激光點(diǎn)陣，二維激光點(diǎn)陣投射至小天體表面上，其散射光被望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)收集，并成像至單光子面陣探測(cè)器上，在主控處理電路現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）控制下，通過(guò)時(shí)間飛行法（Time Of Flight，TOF）[36]完成照射區(qū)域多個(gè)點(diǎn)位置的距離測(cè)量。二維音圈電機(jī)快反鏡單元實(shí)現(xiàn)收發(fā)光路的同步掃描，一方面通過(guò)大角度步進(jìn)擴(kuò)展地形成像視場(chǎng)；另一方面通過(guò)像素內(nèi)小角度掃描獲得亞像素的成像分辨率。掃描獲得的地形成像數(shù)據(jù)通過(guò)低電壓差分信號(hào)（Low-Voltage Differential Signaling，LVDS）接口下傳給IPU。主要工作模式包含全球地形測(cè)繪模式（MODEA）和六自由度位姿相對(duì)導(dǎo)航模式（MODE-B）。

2.2 探測(cè)波段與成像器件

探測(cè)波段選擇需要考慮到小天體2016HO3的光譜特性[37]、激光器在所選波段具有較高峰值功率和較窄脈沖寬度，同時(shí)成像器件在該波段具有較高的光子探測(cè)效率。通過(guò)地面望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)小行星的平均光譜，獲得非常粗略宏觀的光譜特性參數(shù)，2016HO3在0.4～0.65 μm之間的反射率迅速增大，0.65～0.8 μm之間反射率平坦，0.8 μm以后波段的反射率尚不清楚[37-39]①數(shù)據(jù)來(lái)源于：MPC數(shù)據(jù)庫(kù)（IAU Minor Planet Center），http://minorplanetcenter.net/db_search/showobject?object_id=469219，2019-7-10。。808 nm波段的固體激光器以及光纖激光器功率能量較低，1 064 nm波段的激光器光束質(zhì)量較好，但單光子探測(cè)器的光子探測(cè)效率太低；1 550 nm波段雖然光纖激光器光束質(zhì)量較好，且對(duì)人眼安全，但該波段不處于Si材料的靈敏區(qū)，一般采用InGaAs或Ge材料[40]，其性能遠(yuǎn)不如Si基探測(cè)器件。因此，532 nm譜段是較為理想的探測(cè)波段。

單光子面陣成像器件的光子探測(cè)效率（Photon Detection Efficiency，PDE）、暗計(jì)數(shù)（Dark Count Rate，DCR）、時(shí)間分辨率（Bin）、像素尺寸（Φ）和讀出幀率對(duì)探測(cè)性能具有決定性的作用，本方案選用某32×32陣列探測(cè)元件作為成像器件，通過(guò)單光子噪聲濾除算法，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于3 cm（3σ）測(cè)距精度，成像器件技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 32×32陣列面陣成像器件主要技術(shù)指標(biāo)Table 4 Parameters of 32×32 single photon array

2.3 快反鏡掃描方案

快反鏡應(yīng)具備較大的鏡面尺寸、較高的帶寬和角分辨率、較大的偏轉(zhuǎn)角度和較小的體積重量，以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高分辨率、高幀率和輕小型化設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的二維音圈電機(jī)快反鏡機(jī)械偏轉(zhuǎn)角度 ± 1.5°，角分辨率 ＜ 2 μrad?；谝羧﹄姍C(jī)的快反鏡由4個(gè)直線型音圈電機(jī)所驅(qū)動(dòng)，兩兩一組分別驅(qū)動(dòng)鏡面的兩個(gè)橫軸（X軸和Y軸）。該快反鏡掃描設(shè)計(jì)已在地面實(shí)驗(yàn)室完成了各項(xiàng)空間環(huán)境的考核驗(yàn)證。

快反鏡的掃描方式如圖6所示，MODE-A為全球地形測(cè)繪模式，快反鏡以連續(xù)方式進(jìn)行掃描，X軸以周期性三角波形進(jìn)行往復(fù)掃描，32 × 32連續(xù)掃描5次，每次掃描間隔中，在像素之間設(shè)置精細(xì)掃描策略，像素之間的角間距為0.041°，快反鏡單次步進(jìn)的光學(xué)角度為0.005 5°，像素之間掃描7次，全球地形測(cè)繪模式下分辨率到達(dá)1 100 × 1 100；MODE-B為步進(jìn)掃描成像模式，該模式不設(shè)置像素間掃描，在相同的硬件配置下，其分辨率相對(duì)較低，為MODE-A的1/7。

圖6 快反鏡掃描方案（藍(lán)色為掃描軌跡）Fig.6 Scanning trajectory of fast mirror

2.4 望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)

根據(jù)成像器件和快反鏡參數(shù)，望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具備較大的入瞳直徑、較小的彌散斑，并設(shè)計(jì)窄帶濾光片。單光子成像器件靈敏度很高，應(yīng)盡可能降低進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的太陽(yáng)背景光能量，否則將引起背景光計(jì)數(shù)，減少甚至湮沒(méi)掉正常的回波光計(jì)數(shù)。考慮到濾光片的角度藍(lán)移效應(yīng)，1°角度偏離約偏移1 nm，選擇濾光片的帶寬為±1.5 nm。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光路如圖7所示，系統(tǒng)指標(biāo)如表5所示。所選成像器件像素大小7 um，光學(xué)系統(tǒng)焦距70 mm，經(jīng)計(jì)算角分辨率為0.1 mrad，可獲得較高的角分辨率。

圖7 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光路圖Fig.7 Optical path of telescope system

表5 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)Table 5 Parameters of telescope system

2.5 算法實(shí)現(xiàn)流程

混合固態(tài)激光三維成像探測(cè)算法涉及兩個(gè)方面，小天體全球地形測(cè)繪和高精度高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航，算法實(shí)現(xiàn)流程如圖8所示。在探測(cè)器距離小天體表面600 m高度時(shí)，快反鏡單元采用MODE-A掃描模式進(jìn)行三維點(diǎn)云掃描，通過(guò)直方圖統(tǒng)計(jì)濾波、多項(xiàng)式濾波和均方根（Root Mean Square，RMS）值濾波等進(jìn)行三維點(diǎn)云降噪預(yù)處理，針對(duì)全球掃描的相鄰兩幀三維點(diǎn)云的重疊部分進(jìn)行預(yù)配準(zhǔn)，完成高精度全球地形測(cè)繪。

圖8 算法實(shí)現(xiàn)流程Fig.8 Algorithm implementation process

在600 m高度完成全球地形測(cè)繪，通過(guò)對(duì)地形數(shù)據(jù)分析，獲取小天體表面科學(xué)探測(cè)陸標(biāo)后，在600～30 m的接近段快反鏡單元轉(zhuǎn)入MODE-B掃描模式，進(jìn)行三維點(diǎn)云掃描，將預(yù)處理后的三維點(diǎn)云與全球測(cè)繪地形先驗(yàn)信息初配準(zhǔn)，根據(jù)先驗(yàn)信息進(jìn)行點(diǎn)云六自由度旋轉(zhuǎn)，完成點(diǎn)云精配準(zhǔn)，進(jìn)而獲得六自由度相對(duì)位姿，據(jù)此進(jìn)行定點(diǎn)著陸。需要說(shuō)明的是，粗配準(zhǔn)使用基于特征點(diǎn)檢測(cè)、描述與匹配的算法，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行樣本訓(xùn)練。精配準(zhǔn)使用臨近點(diǎn)迭代法（Iterative Closest Point，ICP）實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果與討論

小天體2016HO3的預(yù)估反照率為0.2[39]，經(jīng)仿真分析，混合固態(tài)激光三維成像探測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)小天體全球地形測(cè)繪、六自由度位姿相對(duì)導(dǎo)航能力。全球地形測(cè)繪模式下，測(cè)距精度達(dá)到2.475 cm，更新率1.16 Hz，成像分辨率達(dá)到1 100 × 1 100，在600 m高度時(shí)的橫向分辨率為6.15cm。六自由度位姿相對(duì)導(dǎo)航模式下的測(cè)距精度可達(dá)到2.475 cm（3σ）。激光地形測(cè)繪與導(dǎo)航一體化設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)如化設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)如表6所示。

表6 混合固態(tài)激光三維成像探測(cè)方法技術(shù)指標(biāo)Table 6 Parameters of hybrid solid-state method

混合固態(tài)激光三維成像探測(cè)方法呈現(xiàn)出的高幀率、高分辨率和高測(cè)距精度能力，將為中國(guó)小天體2016HO3探測(cè)提供高精度三維地形數(shù)據(jù)，為科學(xué)探測(cè)任務(wù)實(shí)施提供地形測(cè)繪和導(dǎo)航服務(wù)。

在我國(guó)，現(xiàn)在存有多種預(yù)算會(huì)計(jì)制度。這就導(dǎo)致了會(huì)計(jì)不統(tǒng)一，會(huì)計(jì)信息分散，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)范、科學(xué)的財(cái)政管理，不利于財(cái)政制度的優(yōu)化。在實(shí)行權(quán)責(zé)發(fā)生制政府綜合財(cái)務(wù)報(bào)告編制之后，能夠全方位反映出政府的資產(chǎn)、負(fù)債、收入以及費(fèi)用等等，不僅可以加強(qiáng)政府的財(cái)務(wù)管理，還能夠?qū)︻A(yù)算會(huì)計(jì)制度的統(tǒng)一提供基礎(chǔ)，從而提高我國(guó)政府財(cái)政管理的水平。

隨著單光子探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)面陣探測(cè)將由現(xiàn)有的32 × 32陣列、128 × 128陣列發(fā)展到256 × 256陣列，甚至更大面陣規(guī)模，這將對(duì)空間激光探測(cè)技術(shù)帶來(lái)變革性的發(fā)展，大規(guī)模面陣陣列器件的發(fā)展將使得成像時(shí)間縮短到μs級(jí)，激光探測(cè)技術(shù)將在空間交會(huì)對(duì)接、地外天體測(cè)繪、空間非合作目標(biāo)告警防護(hù)等領(lǐng)域獲得進(jìn)一步應(yīng)用。

4 結(jié) 論

激光探測(cè)技術(shù)具備陽(yáng)光免疫和無(wú)光照條件下使探測(cè)器對(duì)未知地形仍有測(cè)繪和導(dǎo)航能力的優(yōu)勢(shì)，在深空探測(cè)任務(wù)重得到了廣泛的應(yīng)用。本文總結(jié)了國(guó)際上已開展小天體探測(cè)任務(wù)中所涉及到的地形測(cè)繪與導(dǎo)航技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適用于小天體2016HO3探測(cè)的混合固態(tài)激光探測(cè)方法，為全球提供地形測(cè)繪和高精度高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航，并通過(guò)仿真驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1）采用機(jī)械振鏡掃描方式的激光探測(cè)方法對(duì)功耗需求較高，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量較大，采用機(jī)械振鏡使得掃描速度有限，幀率很低，無(wú)法適用于高動(dòng)態(tài)的三維成像，不適用于高速自轉(zhuǎn)小天體探測(cè)或者在快速接近的導(dǎo)航任務(wù)；

2）MEMS鏡掃描方式的激光探測(cè)方法具有較高的掃描速度，但MEMS掃描鏡未引入閉環(huán)控制，指向精度不高，在0.1°量級(jí)，距離小天體2016HO3探測(cè)需要達(dá)到的0.005°～0.01°的指向精度還有較大的差距；

3）閃光激光雷達(dá)雖然成像幀率很快，但成像分辨率、測(cè)距精度較低，不適用于小天體2016HO3全球地形測(cè)繪的需求，128×128陣列規(guī)模成像器件分辨率有限，此外，測(cè)距精度僅為15 cm（3σ）量級(jí)，對(duì)于小天體2016HO3科學(xué)探測(cè)厘米級(jí)需求有較大差距；

4）混合固態(tài)激光探測(cè)方法將單光子探測(cè)器和二維音圈電機(jī)快反鏡相結(jié)合，設(shè)置多模式掃描實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、亞像素成像分辨率，該方法激光測(cè)距精度優(yōu)于3 cm，幀頻4 Hz，成像分辨率達(dá)到1 100 × 1 100，600 m高度時(shí)的橫向分辨率為6.15 cm，該設(shè)計(jì)方法兼具高成像分辨率、高成像幀率、高測(cè)距精度且能夠?qū)崿F(xiàn)輕小型設(shè)計(jì)的方案。