星載激光雷達高精高穩探測衛星系統保證技術

袁金如，汪自軍，董長哲，劉繼橋，石新宇

(1. 上海衛星工程研究所，上海 201109； 2. 上海光學精密機械研究所，上海 201800)

0 引言

激光雷達遙感衛星具備主動發射能量集中、波長短觀測精細，以及無光照限制全天時連續工作，可探測大氣成分垂直廓線等特點。1994年，美國國家航空航天局(NASA)蘭利研究中心首次進行星載激光雷達空間技術試驗(LITE)[1]，驗證了星載激光雷達系統對全球氣溶膠探測的可行性，自此星載激光雷達基礎研究和應用研究蓬勃發展。2003年，隨著ICESat衛星發射入軌，其裝載的地球激光測高系統(GLAS)開始工作，主要應用于全球的冰層地形及氣溶膠和云的垂直分布探測[2]，是世界上第1個實現對全球大氣及地表進行連續探測的星載激光雷達系統。2006年，美國CALIPSO衛星發射成功，其裝載的雙波長正交偏振云-氣溶膠激光雷達CALIOP成為迄今為止工作壽命最長的星載激光雷達[3]。2018年，歐洲太空局ADM-Aeolus/ALADIN測風激光雷達衛星發射成功，是全球首顆用于觀測地球風場的專用衛星，其采集的風廓線數據有望顯著提高氣象的預報準確度[4]。法國與德國合作的“灰背隼”(MERLIN)衛星利用積分路徑差分吸收激光雷達探測甲烷柱狀濃度，以用于全球碳循環及溫室氣體效應研究，計劃于2021年發射[5]。關于全球溫室氣體CO2柱線濃度測量項目主要還有歐洲太空局ASCOPE[6]和美國ASCENDS[7]，但均處于研究論證階段，暫未有研制計劃。在我國，大氣環境監測衛星是國家民用空間基礎設施規劃中的科研衛星，是我國大氣環境監測領域的重要組成部分。衛星裝載了大氣探測激光雷達(ACDL)、高精度偏振掃描儀等有效載荷，通過主、被動手段結合實現對大氣細顆粒物、污染氣體、溫室氣體、云和氣溶膠等大氣環境要素進行大范圍、連續、動態、全天時的綜合監測[8]。作為主要載荷，ACDL采用雙體制3波長激光雷達同步探測全球氣溶膠垂直廓線信息、CO2柱線濃度等重要大氣環境要素。氣溶膠探測綜合采用532，1 064 nm雙波長后向散射、高光譜分辨和偏振接收方法。CO2柱線濃度測量采用雙脈沖1 572 nm激光積分路徑差分吸收方法。ACDL的高精度探測對整星機熱保障、高精度指向保證等提出了很高的要求。

本文針對大氣激光遙感衛星CO2柱線濃度遙感探測，開展了星載激光雷達測量系統指標體系梳理、探測精度影響敏感參數和功能模塊配置及保障要求分析等工作，重點從星載激光雷達光機頭部穩定安裝、良好機熱環境及發射光軸絕對指向高精度測量等整星層面進行總體設計系統保證；同時就激光雷達波長、能量精度及穩定性實時監測、衛星對地光軸指向高精度測定和星地載荷光軸指向測量誤差標定提出地面試驗驗證要求。大氣激光遙感衛星在軌飛行示意圖如圖1所示。

圖1 大氣激光遙感衛星在軌飛行示意圖Fig.1 Schematic diagram of atmospheric laserremote sensing satellite on orbit

1 探測原理及測量系統指標體系框架

1.1 CO2柱線濃度測量原理

衛星利用激光雷達積分路徑差分吸收體制測量CO2柱線濃度[7]。當衛星經過某探測點時，分別發射波長為λon和λoff的2束激光照射地面，其中λon波長與CO2氣體分子中心譜線(帶)重合，該光束在大氣介質中傳輸時，受到CO2氣體分子的強烈吸收而衰減，根據激光被吸收的程度可確定大氣中CO2氣體分子的濃度。同時為了減小大氣中其他氣體分子、氣溶膠造成的衰減，以及儀器參數等對探測精度的影響，選取另一波長λoff對其進行校正，該波長處于CO2吸收譜線的谷值且略偏離λon，2束激光(雙脈沖)沿同一大氣路徑發射并傳輸，原理如圖2所示。

圖2 積分路徑差分吸收星載激光雷達探測CO2濃度原理Fig.2 Schematic diagram of detecting concentration of CO2 using integration path differential absorption space-borne lidar

由于2束激光被CO2吸收的能量不同，衛星接收到的兩激光束反射回波能量就有區別。結合大氣溫度、壓強、水汽混合比等環境參數及衛星指向測量不確定性等衛星軌道姿態參數，根據接收的回波信號差別計算得到CO2柱線濃度。

1.2 星載激光雷達測量系統指標體系框架

根據應用指標要求，CO2柱線濃度測量精度為1×10-6/50 km(陸地)。影響積分路徑差分吸收激光雷達測量全球CO2柱線濃度的誤差主要包括載荷參數誤差、平臺參數誤差及大氣環境參數誤差[9]，體系框架如圖3所示。

圖3 CO2激光雷達測量系統指標體系框架Fig.3 Index system of space-borne lidar on CO2 measurement

2 探測精度敏感參數指標要求及激光雷達功能模塊配置

2.1 探測精度影響參數指標要求

本文僅考慮激光雷達自身系統誤差及衛星姿態指向精度影響，并著重考慮需要衛星進行保證的參數，而不考慮激光雷達探測隨機誤差及大氣壓力、溫度和濕度等環境引入誤差影響。

2.1.1 激光雷達系統參數指標

CO2柱線濃度的測量與發射光信號功率、接收光信號功率大小密切相關。激光波長、能量、線寬、頻率穩定性、光譜純度等不確定性因素都會帶來CO2濃度測量誤差，主要誤差項見表1。

2.1.2 衛星姿態參數指標

衛星指向不準確會導致沿軌、穿軌多普勒效應。on-line和off-line足印不重合、激光路徑長度不確定等均會引起全球CO2柱線濃度測量誤差。綜合分析，對衛星姿態精度指標要求見表2。

表1 激光雷達系統主要參數指標要求

表2 衛星姿態精度指標要求

其中，衛星姿態確定精度是指從激光雷達發射光軸到星敏光軸的指向測量精度，主要受星敏自身測量誤差、星敏支架變形誤差及激光雷達內部光路傳輸誤差等影響。

2.2 激光雷達功能模塊配置

星載激光雷達主要通過具有高穩定、高精度波長及能量要求的激光發射及高靈敏度回波接收，實現衛星對PM2.5等細顆粒物及CO2柱線濃度的高精度遙感探測。根據激光雷達系統一般組成原理[10]，大氣遙感衛星激光雷達包含激光發射、回波接收及服務保障三大模塊。其中：激光發射模塊主要由發射望遠鏡、功率激光器和參考激光器等部分組成；回波接收模塊主要由接收望遠鏡、后端光路和數據采集等部分組成；服務模塊主要由安裝結構、能源供應、溫度控制、內部通信、遙測遙控等部分組成。激光雷達主要功能模塊配置如圖4所示。

圖4 激光雷達主要功能模塊配置Fig.4 Main functional module configuration of space-borne lidar

激光雷達功能模塊配置中，直接影響衛星遙感探測精度的有發射望遠鏡、功率激光器、參考激光器、接收望遠鏡、后端光路、能量監測等功能模塊，這些關鍵模塊一般集成于激光雷達光機頭部。其中，激光發射能量、波長、線寬、光譜純度指標主要取決于功率激光器、參考激光器性能，濾波器帶寬指標主要取決于后端光路模塊性能。發射及接收功率測量精度主要取決于能量監測模塊性能。工作環境條件尤其是力學環境及溫控水平對激光雷達以上性能參數影響很大。力熱引起的變形，輕則導致光束質量變壞，重則引起元器件內缺陷、表面灰塵污染，將導致光學系統失效[11]。因此，需要衛星提供穩定的安裝結構及良好的熱控環境保障。

3 激光雷達高精度探測保證措施

從總體設計系統保證、地面試驗專項驗證和星地載荷光軸指向測量誤差標定三大層面，提出激光雷達在光機頭部穩定安裝條件、良好機熱環境及發射光軸絕對指向高精度測量技術的保證措施。

3.1 總體設計系統保證

3.1.1 合理構型

大氣激光綜合遙感衛星整星采用中心承力筒+蜂窩板封閉式艙體構型，大體積激光雷達光機頭部通過其箱體式整體框架水平安裝在衛星載荷艙頂板上。整星主傳力路徑為激光雷達光機頭部→載荷艙隔板→中心承力筒→星箭連接環，路徑簡潔，傳力高效。衛星總體構型如圖5所示。

根據衛星結構構型特點，在推進艙底板、服務艙底板、載荷艙底板、載荷艙中板、載荷艙頂板相應處設置振動監測點(見圖5)，分別監測主傳力路徑及激光雷達光機頭部安裝面結構動力學放大特性，具體頻響特性情況如圖6所示。

圖5 大氣激光遙感衛星總體結構構型Fig.5 Structural configuration of atmospheric laser remote sensing satellite

圖6 衛星主傳力路徑及激光雷達安裝面頻率響應情況Fig.6 Frequency response of main load trans-pathof satellite and mounting surface of lidar

衛星主傳力結構動力學放大傳遞隨衛星結構高度的增加而增大，曲線順滑無突變，衛星主結構剛度特性較好；激光雷達安裝面響應放大控制在8倍以內，安裝條件滿足相關要求。

3.1.2 統籌布局

激光雷達光機頭部整體外框采用碳纖維材料，熱傳導系數低，同時在衛星載荷艙頂板連接處采用鈦合金鑲塊加強，阻止其與衛星平臺之間的熱傳導耦合，以便實施獨立熱控。為防止海洋鏡面反射造成探測器損傷，激光雷達光機頭部沿衛星X軸整體偏轉2°安裝，且遮光罩偏向背陽面(+Y)一側，保證探測器接收能量安全，同時降低了太陽光照射遮光罩內側面積，提升熱控效率并減少雜散光影響。散熱板熱控組件分布安裝在整體外框背陽面(+Y)一側，不直接與基準板等高精度要求光學組件相連，既提供了高效散熱面，又不影響關鍵部位精度。

高精度大功率激光器通過多級力、熱隔離，實現高精度、高穩定機熱環境工作條件。激光雷達光機頭部通過鈦合金箱盒式墊片與衛星平臺隔熱安裝，高精度高導熱要求基準板通過鈦合金柔性安裝腳安裝在激光雷達整體外框承載龍門架上，功率激光器則通過精確剛度/阻尼設計的鈦合金減振安裝腳固定在基準板上。另外，大功耗功率激光器熱量通過異型外貼熱管傳導至散熱板輻射散出，異型熱管可高效導熱，亦可部分吸收安裝及熱變形應力。星載激光雷達光機頭部總體布局如圖7所示。

圖7 星載激光雷達總體布局Fig.7 System layout for space-borne lidar

激光雷達發射光軸到星敏光軸的絕對指向高精度測量，對多頭星敏與激光雷達之間的連接件，即星敏支架熱變形提出了很高的要求。為保證星敏支架穩定熱環境，根據太陽同步軌道光照特點，在其外圍增加了封閉式熱控罩，然后再對星敏支架實施精密溫控，星敏熱量直接通過散熱板輻射散出。星敏支架安裝布局及典型工況下溫度分布如圖8所示。

星敏支架溫度處于19～21 ℃，滿足環境溫度水平要求。其中星敏安裝面溫度處于19.5 ～20.1 ℃，變化平滑，波動為-0.3～0.3 ℃，滿足熱變形控制所需的局部溫度波動要求。

3.1.3 星敏載荷一體化

圖8 星敏支架安裝布局及其溫度分布Fig.8 Layout and temperature distribution for mounting bracket of star sensors

為補償衛星指向不確定導致的衛星沿軌多普勒頻移效應，需保證激光雷達發射光軸到星敏光軸的絕對指向測量精度，該指向測量精度主要受星敏自身測量誤差、星敏支架變形誤差及激光雷達內部光路傳輸誤差等影響。為減少傳輸環節，將星敏支架與激光雷達基準板一體安裝，且兩者均采用鋁基碳化硅材料，保證熱變形的一致性。星敏與激光雷達光機頭部一體化安裝設計如圖9所示。

圖9 星敏與激光雷達一體化安裝布局設計Fig.9 Integrated layout design of starsensors and space-borne lidar

為定量測量激光雷達內部光路傳輸情況，設置光軸監視單元，測量其發射光軸到星敏支架之間的安裝及變形誤差。并將光軸監視單元的激光合束棱鏡與星敏支架精測棱鏡合二為一，實現星敏安裝、測量及變形監測三基準統一，進一步減少誤差環節，如圖10所示。

圖10 星敏安裝、測量及變形監測統一基準Fig.10 Installation, measurement and deformationmonitoring reference of star sensors

通過上述星敏與激光雷達一體化布局和安裝、測量及變形監測三基準統一，光軸變形監視等設計措施，激光雷達對地光軸指向測量確定精度可優于28″，滿足基于沿軌多普勒頻移約束的衛星指向不確定性控制要求。

3.2 地面試驗驗證要求

3.2.1 整星條件下激光雷達波長、能量精度及穩定性實時監測

星載激光雷達為主動式探測系統，激光波長及發射能量的精度和穩定性直接影響CO2反演探測精度。根據系統參數指標要求，1 572 nm波長相對測量誤差需控制在0.6 MHz，單脈沖能量監測相對誤差需控制在5%，并在星上激光雷達系統中設置了相應的波長頻率及能量監視系統。為驗證激光雷達在裝星、測試及試驗過程中發射激光的性能及監測系統的監測精度和穩定性，需在地面建立整星條件下激光雷達波長、能量精度及穩定性實時監測系統，對激光雷達發射激光的能量和波長進行監測，并與星上監測系統進行比對。地面實時監測系統波長檢測精度優于0.3 MHz，能量檢測精度優于2%。

3.2.2 衛星對地光軸指向高精度測定

激光雷達收發光軸匹配精度及衛星對地光軸指向測量精度是保證全球CO2柱線濃度反演精度的關鍵性指標。激光雷達收發光軸匹配是指在軌期間收發光軸處于同軸狀態，即發射激光和接收望遠鏡光學系統光軸時刻保持平行。受空間環境溫度變化等影響，激光雷達發射光軸和接收光軸會產生偏差，需要在軌進行收發光軸的匹配調節。衛星對地光軸高精度指向測量是用于補償激光雷達發射光軸指向不精確導致的沿軌多普勒頻移效應引起的CO2探測誤差。根據任務分析，要求激光雷達發射光軸和接收光軸匹配精度控制在30 μrad以內，衛星對地光軸指向測量精度控制在140 μrad以內，并在星上設置光軸監視系統進行實時檢測。為驗證激光雷達裝星測試過程及力熱試驗前后收發光軸匹配性，以及衛星對地光軸指向測量精度和穩定性，需在地面建立衛星對地光軸指向高精度測定系統，對相關指標進行監測，并與星上光軸監視系統測量數據比對。衛星對地光軸指向高精度測定系統收發光軸匹配測試精度優于15 μrad，發射光軸指向測試精度優于20 μrad。

3.3 星地載荷光軸指向測量誤差標定

根據調研，國外類似星載激光雷達光軸指向標定方法主要有地面信標標定、航拍標定、反射回波標定和測距標定4種方法。地面信標標定和反射回波標定均需要布置地面信標，且需有較為開闊平整的地面定標場，目前國內缺乏相應的條件。航拍定標方法每次進行定標時需租用飛機進行航拍，滿足衛星連續業務化運行要求成本極高。測距標定方法利用星載GPS給出的高精度軌道位置和地球模型精確計算激光發射時衛星理論高度，結合衛星姿態信息計算衛星的理論指向距離；然后與激光雷達自身的測距信息進行比對，通過幾何方法計算衛星理論指向距離與激光雷達實測距離偏差，繼而得到激光雷達光軸指向誤差。測距定標相關方法已應用于機載激光雷達系統標定[12]，經過適應性設計，該方法可用于星地激光發射光軸指向標定，可滿足衛星低成本、高精度、高頻度、連續業務化運行實施要求。星載激光雷達測距標定一般選在廣闊平靜的海面。

4 結束語

根據大氣激光遙感衛星CO2柱線濃度遙感探測原理，簡要歸納分析了星載激光雷達測量系統指標體系框架、探測精度影響敏感參數和功能模塊配置及星上保障需求，重點從星載激光雷達光機頭部的穩定安裝、良好機熱環境保障及星敏載荷一體化布局等方面，開展總體系統設計保證，初步仿真結果表明方案可行。同時提出了激光雷達波長、能量精度及穩定性實時監測、衛星對地光軸指向高精度測定和星地載荷光軸指向測量誤差標定的地面試驗驗證要求，為激光雷達遙感衛星研制試驗和產品保證提供參考。隨著工程研制的推進，將陸續開展各項地面試驗方案設計和實施驗證，確保系統設計的有效性，同時為后續系列衛星改進提供技術參考。