高分七號衛(wèi)星激光測高儀分系統(tǒng)關鍵技術設計與實現(xiàn)

黃庚華 丁宇星 吳金才 舒嶸 王欣 姜紫慶

(中國科學院上海技術物理研究所 中國科學院空間主動光電技術重點實驗室，上海 200083)

高分七號(GF-7)衛(wèi)星激光測高儀分系統(tǒng)是我國首個自主研發(fā)的對地激光測繪載荷。2019年11月3日，高分七號衛(wèi)星在山西太原成功發(fā)射，激光測高儀隨后在軌開機，獲取了森林、戈壁、山脈等豐富的激光回波信號及落點區(qū)域的可見光影像。激光測高儀的平面定位精度與激光發(fā)射光軸的實時監(jiān)測精度、星載平臺三軸測姿定軌精度、激光載荷與平臺安裝關系測量精度等相關[1-5]。搭載這一載荷的高分七號衛(wèi)星可實現(xiàn)1∶10 000比例尺立體測繪，為國土測繪、住建應用規(guī)劃、國家資源統(tǒng)計應用等行業(yè)提供高精度應用測繪數據。

本文提出并首次在軌實現(xiàn)了激光測高信息與足印落點影像同時獲取的方法，可不依賴星敏感器將激光足印落點位置的實時測量精度提高至米級，并適應多反射率、多地物高差的復雜工作條件，可為后續(xù)星地聯(lián)合檢校提供參考。

1 激光落點平面信息及多地物高程信息獲取技術

高分七號衛(wèi)星激光測高儀采用了足印相機激光定位的原理[6-10]，先通過足印相機圖像匹配確定激光足印落點，再根據激光足印落點與衛(wèi)星位置確立激光光線方向，從而算出足印點的三維坐標(Xp,Yp,Z)。

(1)

出射激光在星下的足印中心位置代表了高程控制點的平面位置。激光測高儀采用激光發(fā)射光軸在足印相機地物圖像中定位、再與立體相機圖像進行匹配過渡的方法，可滿足對高程控制點平面定位精度的要求，激光足印定位的方法如圖1所示。

(1)足印相機、激光光軸監(jiān)視相機獲取出射激光光斑圖像，確定激光發(fā)射光軸角度信息。

(2)足印相機在激光發(fā)射時刻對地成像，在足印相機地物圖像中確定激光足印中心的坐標位置。

圖1 基于足印相機的激光足印定位圖Fig.1 Laser footprint positioning map based on footprint camera

激光指向定位系統(tǒng)的定位誤差主要受發(fā)射光軸測量誤差、系統(tǒng)誤差、多分辨率圖像匹配誤差以及系統(tǒng)不可測量誤差等影響。

激光發(fā)射光軸測量是通過足印相機、激光監(jiān)視相機對激光光斑成像來實現(xiàn)，其精度主要受相機瞬時視場、光斑大小以及質心提取算法精度等共同影響。激光指向定位由復雜的光機結構實現(xiàn)，因為在軌力學、熱學等環(huán)境特性與地面環(huán)境有所不同，激光指向定位會出現(xiàn)偏差，主要表現(xiàn)為絕對誤差，通過在軌狀態(tài)地面定標可以消除絕對誤差。

在軌狀態(tài)指向定位系統(tǒng)光、機部件因溫度變化、微振動等外部因素而表現(xiàn)出來的相對誤差，無法通過定標消除為指向定位系統(tǒng)差。建立在足印相機圖像上的激光足印位置關系需要通過足印相機圖像與立體相機圖像匹配轉移到立體相機圖像上，在此過程中會因地物圖像分辨率以及多分辨率圖像匹配而引入誤差。系統(tǒng)不可測誤差主要包括因系統(tǒng)衛(wèi)星平臺運動、大氣傳輸等因素引入定位誤差，經仿真分析可以通過算法及地面定標予以校正，但仍留有殘差無法消除。

2 系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

2.1 激光與足印影像復合測量系統(tǒng)設計

激光器光學諧振腔熱穩(wěn)定性、在軌重力釋放后的框架形變等因素均會引起激光發(fā)射光軸指向產生微小漂移，將導致地面標定時激光發(fā)射光軸與足印相機的傳感器模型發(fā)生偏差，從而影響最終的控制點匹配精度，因此需要實時對發(fā)射激光光軸進行監(jiān)測。

基于激光足印影像的激光指向定位系統(tǒng)方案如圖2所示。指向定位系統(tǒng)由發(fā)射激光光軸監(jiān)視單元與詳查足印相機單元共同構成。

在激光器出光光路中設計了取光組件對激光器光軸進行取樣。其中98%的激光能量透過取光組件后,經過二級擴束系統(tǒng)準直后在地面形成足印，2%的剩余部分能量經過接收望遠鏡到達足印相機和光軸監(jiān)視相機焦面。根據嚴密的曝光時序設計，足印相機可同時對地物以及激光光斑進行成像，光軸監(jiān)視相機可對兩個方向的激光光斑進行成像。通過激光光斑應用質心提取算法可以反映激光指向在軌變化情況。

圖2 基于足印相機的激光指向定位方案框圖Fig.2 Block diagram of laser pointing positioning scheme based on footprint camera

2.2 復合測量系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

取光組件截取的激光發(fā)射光軸與足印相機之間的指向穩(wěn)定性主要取決于取光組件自身光軸穩(wěn)定性、光路折轉鏡穩(wěn)定性、擴束鏡穩(wěn)定性分析和足印相機光斑提取穩(wěn)定性。

1)取光組件與二級擴束鏡穩(wěn)定性分析結果

光機系統(tǒng)的有限元分析主要針對擴束系統(tǒng)光機組件、取光組件展開分析工作，目的是得到取光光路鏡面受重力和溫度影響引起的光軸指向變化。

經過力熱分析，對擴束系統(tǒng)和取樣棱鏡溫度要求如下：

(1)兩個取光組件溫度穩(wěn)定性(20±0.5)℃，徑向和軸向溫度梯度小于0.2 ℃；

(2)擴束主鏡和次鏡溫度穩(wěn)定性(20±0.5)℃，徑向和軸向溫度梯度小于0.5 ℃；

(3)自檢光源溫度穩(wěn)定性(20±0.5)℃，徑向和軸向溫度梯度小于0.5 ℃。

擴束系統(tǒng)和取光組件重力變形和溫度變形對光軸穩(wěn)定性影響如下：

(1)擴束主鏡受0.5 ℃溫度穩(wěn)定性影響造成指向變化為1.67rad；

(3)取光組件雙鏡面受0.5 ℃溫度穩(wěn)定性影響對光軸指向變化為2.74rad；

(4)取光組件結構受0.2 ℃溫度梯度影響對光軸指向變化為0.55rad。

2)激光光斑質心提取精度分析

光斑質心提取精度受像元占空比、有效光斑直徑影響。像元占空比越高，有效光斑直徑越大，則光斑質心提取誤差越小。根據足印相機設計參數，經取光后入射的激光光斑直徑達到31×31像素，激光光斑測量誤差小于0.2像元。對應于高分七號激光測高儀足印相機6.4 μrad瞬時視場，激光質心測量誤差優(yōu)于1.28 μrad。

以上誤差因素為獨立隨機變量，綜合因溫度變化、溫度梯度、激光光斑質心提取誤差等因素引入誤差，激光測高儀激光指向在軌監(jiān)視總誤差計算為3.42 μrad。

3)光軸監(jiān)視相機與足印相機之間的光機穩(wěn)定性分析

該項穩(wěn)定性取決于足印相機和光束準直發(fā)射光路光機穩(wěn)定性，因為該項誤差可以在軌利用自檢光源通過共光路分別在詳查足印相機及光軸監(jiān)視相機同時成像進行標校，所以兩相機之間的傳遞誤差主要取決于取光組件和內部折轉光路的穩(wěn)定性。

對于單透鏡系統(tǒng)，(20±5)℃的環(huán)境溫度變化和大氣壓變化引起的發(fā)散角差異很小，光斑中心沒有變化，因此環(huán)境變化不會對自檢光束的指向產生影響。取光組件長度為100 mm，結構材料為銦鋼，經分析：在溫度變化范圍小于5 ℃時，引入指向偏差不大于2 μrad。折轉光路較長，不大于1500 mm，在5 ℃溫度變化范圍內，對光軸監(jiān)視與足印相機兩個測量源所引入偏差最大不超過5 μrad。

3 測試結果及分析

3.1 激光足印取樣與實際光軸測量誤差

簡析：遇到這樣的試題,有很多考生總是不重視從試題中尋找信息,死板地用所謂的“陽離子放電順序”來判斷,認為H+比Na+更容易在陰極上放電,導致錯誤答案。事實上,只要觀察題給示意圖,就能找到三條重要信息:①電解室中陰極上是Na+放電,②鈉汞合金從電解室流到解汞室,③解汞室里是Na→Na+,根據其中任何一條都可判斷出該生產條件下電解室中陰極上是Na+比H+優(yōu)先放電。從中也可以看出平時學習中形成的“認識誤區(qū)”是那么頑固,要克服其影響是那么難!

(1)波束1轉換矩陣

(2)

(2)波束2轉換矩陣

(3)

在地面真空熱光試驗中，采用以上方法對備份發(fā)射光軸進行了測試，同時進行了相應的計算，計算結果與對比數據見表1。

表1 熱光試驗取樣光斑質心及激光落點Table 1 Thermal optical test sampling spot centroid and laser spot

同時在不同工作溫度工況，對激光發(fā)射光軸的指向穩(wěn)定性進行了測試，發(fā)射光軸穩(wěn)定性測試結果見表2。

表2 發(fā)射光軸穩(wěn)定性測試數據匯總Table 2 Summary of test data for the stability of the emitted optical axis

3.2 在軌光軸變化趨勢

取第32圈數據進行分析。光軸監(jiān)視相機的光斑質心解算結果最大跳動值不超過0.3像素。同時可觀測到在5 min時間內，激光質心逐漸向一個方向緩慢變化的過程。

圖3 監(jiān)視相機中波束1光軸變化Fig.3 Changes of beam 1 optical axis in the monitoring camera

波束1在足印相機中變化趨勢如下：X/Y向方差分別為0.51像素、0.41像素(見圖4)。

圖4 足印相機中波束1光軸變化Fig.4 Changes of beam 1 optical axis in the footprint camera

波束2在監(jiān)視相機中的變化趨勢如下：X/Y向方差分別為0.2像素、0.16像素(見圖5)。

波束2在足印相機中的變化趨勢如下：X/Y向方差分別為0.29像素、0.23像素(見圖6)。

圖6 足印相機中波束2光軸變化Fig.6 Changes of beam 2 optical axis in the footprint camera

3.3 在軌復合測量采集結果

以第33軌為例，波束1、波束2回波峰值分布如圖7所示，均無飽和現(xiàn)象引起全波形算法精度下降的情況出現(xiàn)。無回波區(qū)域經足印影像比對為云層覆蓋區(qū)域。排除云層區(qū)域后，回波探測概率接近100%。

圖7 激光足印影像與全波形Fig.7 Images of laser footprint and waveform

根據試驗室標定結果，以紅圈方式在激光測高儀足印相機影像上標記激光實際落點，圖7為對林地、建筑、平原所采集到的回波波形。波形信息豐富，回波通道信噪比優(yōu)于20 dB。

4 結束語

本文對高分七號衛(wèi)星激光測高儀中采用的激光指向在軌監(jiān)測關鍵技術進行了介紹，并分析了激光指向角度的地面測試數據以及在軌實測數據。至2020年5月，高分七號衛(wèi)星激光測高儀分系統(tǒng)獲取了約500軌測量數據，激光測點數量達到百萬量級。除完成在軌參數設置和狀態(tài)調整測試外，還配合用戶開展了南極中山站區(qū)域和南極大陸冰蓋的激光測繪工作，后續(xù)將開展星地聯(lián)合標定工作，進一步提高后期數據處理精度。在軌預計可獲取至少2億個激光高程數據，將為構建我國境內無控區(qū)域乃至全球高精度立體測繪信息網發(fā)揮關鍵作用。