真空環境下激光測距儀收發光軸測試方法研究

杜國軍，歐宗耀，張晨陽，王春輝，李 旭，李重陽

(北京空間機電研究所, 北京100194)

引 言

資源衛星由三線陣立體測繪相機、多光譜相機和激光測距儀組成。激光測距儀為資源衛星提供高程信息，測距精度可達到1m，滿足1∶50000比例尺測圖、1∶25000以及更大比例尺地理信息更新的需求[1]。

激光測距儀利用測量激光束往返時間原理測距[2]：發射機向測試目標發射脈沖信號，接收機捕獲反射的回波信號，根據激光脈沖飛行時間計算被測目標距離。

激光測距儀在軌運行時的環境與地面裝調時的環境有很大差異[3]，尤其是溫度和氣壓差異對測距儀穩定性[4]的影響特別大。為了驗證不同工況下測距儀的性能，需要進行地面真空熱實驗評估測距儀的性能。

1 研究背景

資源衛星激光測距儀采用單波束發射、接收對應布局體制，其中發射機和接收機均采取主備份設計，主備份雙通道通過分視場實現，主份和備份沿垂軌方向對稱分布，夾角0.23°。激光發射機由激光器和擴束器組成，激光器發射2Hz,1064nm,170mJ的激光脈沖信號，擴束器擴束倍率2倍，發射機產生一個發散角100μrad的脈沖激光束，對應50.6km的地面光斑尺寸。接收機光學系統焦距1000mm，接收視場角550μrad，光學型式應用卡塞格林和中繼光學組合系統，在中繼光學的平行光路中放置1064nm±0.5nm的濾光片消除背景雜光影響。接收機視場光闌直徑0.55mm，通過中繼光學成像在直徑0.8mm的雪崩光電二極管(avalanche photodiode，APD)上。系統如圖1所示。

Fig.1 Laser altimeter of ZY-satellite

激光測距儀為了減小噪聲、提高探測效率，激光發射機發散角和接收機視場角都很小。接收機捕獲激光回波信號的條件是激光發射機光軸偏差小于接收機的視場[5]。影響回波信號接收的因素主要包括：衛星飛行延時[6]，激光發射機回波彌散斑大小，激光發射機抖動以及裝調和結構變形偏差。為了實現發射機光軸和接收機視軸的失調量小于接收機的視場角550μrad，各項誤差分配如表1所示。在地面裝調測試過程中重點關注裝調和結構變形偏差，其中裝調偏差小于50μrad，失重偏差小于45μrad，熱變形偏差小于80μrad。

Table 1 The distribution of parallelism

2 系統設計

常壓下的測距儀收發平行度測試采用平行光管和多光軸測試裝置[7]。激光發射機輸出能量170mJ，發射機能量高，在光學面和結構面的散射光危害大，發射機能量的10-10量級的散射光超出APD的損傷閾值，需要防護APD。在常壓環境下測試發射機光軸時，采用金屬遮光罩遮擋接收機，保護APD探測器，接收機測試時移除遮光罩，通過分時測試的方式消除激光損傷APD探測器的風險。但在真空環境下，沒有合適的方法安裝和移除遮光罩，無法保護APD探測器。

2.1 國內外測試方法

國內外激光測距儀真空測試方法以比皮科倫坡水星探測器激光測距儀(the BepiColombo laser altimeter，BELA)為代表[8]，激光測距儀放置在真空罐內，真空罐外放置測試裝置，測試裝置由發射機光軸測試裝置、接收光軸測試裝置、結構底板立方晶監視裝置三部分組成。如圖2所示，發射和接收固定在一個零膨脹的底板上，限制接收和發射機隨溫度的相對位置變化，測試系統包含一個1064nm連續激光，通過分束器1分成兩束，一束通過反射鏡進入接收系統，通過反射鏡的擺動測試接收系統的視軸；另一束來自準直底板上的立方晶，通過位置傳感器監測底板變化量。激光發射機光軸測試系統由衰減片、分束器和兩個電荷耦合器件(charge-coupled device ，CCD)組成，通過測試立方晶，接收系統和發射機3個光軸之間的變化量，得出真空環境下的收發平行度等參量[9]。

Fig.2 BELA vacuum test device

2.2 測試系統

為了解決真空下APD的防護難題，借鑒現有國內外測試方法[10]，提出了一種新的真空下激光性能測試方法，在接收機的APD焦面處設置模擬光纖勻光器，通過穿罐光纖將外置光源引入焦面，測試真空下激光發射機和接收機視軸偏差。此方法相對于現有方法的特點是結構緊湊，不需要額外的掃描機構[11]，并且測試鏈路少、測試精度高,解決了真空下不同工況的收發平行度測試難題。

真空測試系統如圖3所示。激光測距儀放置在包含平行光管的真空罐內[12]，平行光管[13]口徑600mm覆蓋測距儀的全口徑，在平行光管焦面光學窗口處安裝激光光束分析儀，測試光軸偏差，數據分析系統通過穿艙電纜連接激光測距儀和光束分析儀。

Fig.3 Vacuum test system of laser altimeter

為了解決真空環境下APD激光損傷風險，將測距儀APD焦面整體遮擋，在焦面處安裝光纖勻光器,均勻照明接收系統的視場光闌，在平行光管焦面獲取接收視軸的光斑位置。光纖勻光器通過法蘭盤上穿艙密封光纜連接器連接外部照明光源[14]，照明光源波長1064nm，最大功率60mW。測距儀發出的激光束經過多級衰減匯聚在激光光束分析儀上，得到發射機的聚焦光斑位置，根據下面的公式計算光斑位置偏差對應的收發平行度偏差數據：

(1)

(2)

(3)

式中，x1和y1為激光發射機聚焦光斑在激光光束分析儀上的質心位置，x2和y2為接收機光闌在激光光束分析儀的像點質心位置，f1為平行光管焦距，θx和θy為激光發射機和接收機x和y方向的平行度偏差，dx和dy為激光光束分析儀x和y方向的像元尺寸，θ為收發平行度總體偏差。

接收機的焦面位置[15]設計一個光纖勻光器，照明接收視場，如圖4所示。光纖勻光器由光纖、反射鏡和勻光片組成，光纖發出數值孔徑為0.22的發散光束，經45°反射鏡折轉到勻光片上，勻光片產生發散的均勻分布的光束照明接收機的視場光闌，引出接收機的視軸。光纖芯徑為200μm，反射鏡直徑為5mm，勻光片直徑為5mm，整個光纖勻光器體積為20mm×20mm×18mm，適應測距儀焦面位置的狹小空間安裝[16]。

Fig.4 Diagram of fiber-optic homogenizer

2.3 精度分析

收發平行度標定誤差包括隨機誤差和系統誤差兩種。

隨機誤差包括激光發射機的指向抖動誤差和能量分布誤差[17]，以δr表示，通過10次測量取平均值減小隨機誤差，測試結果表明，隨機誤差小于5μrad。

系統誤差以δs表示，包括CCD的質心計算誤差[18]、衰減片引起的誤差、平行光管定焦誤差、CCD的焦面傾斜誤差、平行光管波前引起的誤差和激光光斑不均勻性對質心位置判斷的影響等，具體為：(1)質心計算誤差以δ1表示。對于激光發射器，CCD像元尺寸為9μm，使用12m焦距平行光管，根據質心算法精度，則激光發射器光軸對準精度優于0.07μrad；(2)衰減片引起的誤差以δ2表示。發射系統加入50dB的衰減片，不同工況影響一致，測試相對變化量，此項誤差可以忽略[19]；(3)平行光管的定焦誤差以δ3表示。平行光管焦距12m，采用五棱鏡法定焦面誤差為1.07mm，接收系統和激光發射機的間距534mm，此項對光軸對準帶來的影響為3.99μrad；(4)CCD的焦面傾斜誤差以δ4表示。多光軸標定系統焦面傾斜通過自準直調整，誤差小于0.2°，整個焦面長度36mm，在整個長度范圍內因焦面傾斜引起的光軸偏差為0.11μrad；(5)平行光管波前引起的誤差以δ5表示。經ZEMAX軟件仿真分析，平行光管的波前均方根小于0.1λ(λ=0.6328μm)時，對質心的影響小于0.97μrad；(6)激光光斑不均勻性對質心位置判斷的影響以δ6表示。激光器的光斑近似近高斯分布[20]，對質心計算的影響可以忽略。

綜合以上誤差項，系統的隨機誤差如下式所示:

(4)

經計算,隨機誤差為4.1μrad。

收發平行度標定誤差以δ表示，包含系統誤差和隨機誤差，如下式所示:

(5)

經計算,收發平行度誤差為6.47μrad。

圖5為測試誤差分布圖。

Fig.5 Distribution of test error

3 測試結果

采用新的方法測試了激光發射機的光軸和發散角、接收機的視軸，以及系統的收發平行度，測試分為常壓20℃、真空20℃、真空18℃和真空22℃ 4個工況，測試結果如圖6所示。圖6a為真空20℃工況下激光發射機在平行光管焦面的光斑分布，圖6b為真空20℃工況下接收機在平行光管焦面光斑分布。

測距儀發散角的測試結果如圖7所示。激光發射鏡頭進行了真空預置，常壓下處于離焦狀態，發散角達到了160μrad，屬于正常現象。不同的真空熱試驗工況下，發散角均小于90μrad，滿足發散角小于100μrad指標要求。

Fig.6 Test result of vacuum experiment

Fig.7 Test result of divergence angle

Fig.8 Field of view result of receiver

接收機的視場角測試結果如圖8所示。接收機為反射式光學系統，無真空預置。不同的真空熱試驗工況下，接收機視場角均大于550μrad，滿足接收視場角大于550μrad指標要求。

根據發射機和接收機的光斑位置，用(2)式～(4)式計算收發平行度偏差，不同的真空熱試驗工況下的測試結果如表2所示。最大偏差14.1μrad，收發平行度最大允許偏差80μrad，表明系統優于指標要求，不同工況的偏差分布如圖9所示。

Table 2 Test result of parallelism

Fig.9 The distribution of parallelism

4 結 論

本文中針對高能激光損傷風險高，提出了一套適用于真空環境下收發平行度測試方法，通過設計一套穿罐光纖照明裝置，實現了真空下接收機的視軸引出，避免了接收機APD探測器敏感元件的損傷風險。利用此方法測試了資源衛星激光測距儀真空不同熱實驗工況下的發散角和收發平行度等指標，測試結果表明，發散角小于90μrad，收發平行度偏差小于14.1μrad ，滿足指標要求。測距儀在軌性能良好，驗證了本方法的正確性。本文中提供了一個有效的高能激光測距儀真空測試方法，完善了激光測距儀測試鏈路。