高分七号卫星激光测高仪分系统关键技术设计与实现

黄庚华 丁宇星 吴金才 舒嵘 王欣 姜紫庆

(中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院空间主动光电技术重点实验室，上海 200083)

高分七号(GF-7)卫星激光测高仪分系统是我国首个自主研发的对地激光测绘载荷。2019年11月3日，高分七号卫星在山西太原成功发射，激光测高仪随后在轨开机，获取了森林、戈壁、山脉等丰富的激光回波信号及落点区域的可见光影像。激光测高仪的平面定位精度与激光发射光轴的实时监测精度、星载平台三轴测姿定轨精度、激光载荷与平台安装关系测量精度等相关[1-5]。搭载这一载荷的高分七号卫星可实现1∶10 000比例尺立体测绘，为国土测绘、住建应用规划、国家资源统计应用等行业提供高精度应用测绘数据。

本文提出并首次在轨实现了激光测高信息与足印落点影像同时获取的方法，可不依赖星敏感器将激光足印落点位置的实时测量精度提高至米级，并适应多反射率、多地物高差的复杂工作条件，可为后续星地联合检校提供参考。

1 激光落点平面信息及多地物高程信息获取技术

高分七号卫星激光测高仪采用了足印相机激光定位的原理[6-10]，先通过足印相机图像匹配确定激光足印落点，再根据激光足印落点与卫星位置确立激光光线方向，从而算出足印点的三维坐标(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点的平面位置。激光测高仪采用激光发射光轴在足印相机地物图像中定位、再与立体相机图像进行匹配过渡的方法，可满足对高程控制点平面定位精度的要求，激光足印定位的方法如图1所示。

(1)足印相机、激光光轴监视相机获取出射激光光斑图像，确定激光发射光轴角度信息。

(2)足印相机在激光发射时刻对地成像，在足印相机地物图像中确定激光足印中心的坐标位置。

图1 基于足印相机的激光足印定位图Fig.1 Laser footprint positioning map based on footprint camera

激光指向定位系统的定位误差主要受发射光轴测量误差、系统误差、多分辨率图像匹配误差以及系统不可测量误差等影响。

激光发射光轴测量是通过足印相机、激光监视相机对激光光斑成像来实现，其精度主要受相机瞬时视场、光斑大小以及质心提取算法精度等共同影响。激光指向定位由复杂的光机结构实现，因为在轨力学、热学等环境特性与地面环境有所不同，激光指向定位会出现偏差，主要表现为绝对误差，通过在轨状态地面定标可以消除绝对误差。

在轨状态指向定位系统光、机部件因温度变化、微振动等外部因素而表现出来的相对误差，无法通过定标消除为指向定位系统差。建立在足印相机图像上的激光足印位置关系需要通过足印相机图像与立体相机图像匹配转移到立体相机图像上，在此过程中会因地物图像分辨率以及多分辨率图像匹配而引入误差。系统不可测误差主要包括因系统卫星平台运动、大气传输等因素引入定位误差，经仿真分析可以通过算法及地面定标予以校正，但仍留有残差无法消除。

2 系统设计及实现

2.1 激光与足印影像复合测量系统设计

激光器光学谐振腔热稳定性、在轨重力释放后的框架形变等因素均会引起激光发射光轴指向产生微小漂移，将导致地面标定时激光发射光轴与足印相机的传感器模型发生偏差，从而影响最终的控制点匹配精度，因此需要实时对发射激光光轴进行监测。

基于激光足印影像的激光指向定位系统方案如图2所示。指向定位系统由发射激光光轴监视单元与详查足印相机单元共同构成。

在激光器出光光路中设计了取光组件对激光器光轴进行取样。其中98%的激光能量透过取光组件后,经过二级扩束系统准直后在地面形成足印，2%的剩余部分能量经过接收望远镜到达足印相机和光轴监视相机焦面。根据严密的曝光时序设计，足印相机可同时对地物以及激光光斑进行成像，光轴监视相机可对两个方向的激光光斑进行成像。通过激光光斑应用质心提取算法可以反映激光指向在轨变化情况。

图2 基于足印相机的激光指向定位方案框图Fig.2 Block diagram of laser pointing positioning scheme based on footprint camera

2.2 复合测量系统稳定性分析

取光组件截取的激光发射光轴与足印相机之间的指向稳定性主要取决于取光组件自身光轴稳定性、光路折转镜稳定性、扩束镜稳定性分析和足印相机光斑提取稳定性。

1)取光组件与二级扩束镜稳定性分析结果

光机系统的有限元分析主要针对扩束系统光机组件、取光组件展开分析工作，目的是得到取光光路镜面受重力和温度影响引起的光轴指向变化。

经过力热分析，对扩束系统和取样棱镜温度要求如下：

(1)两个取光组件温度稳定性(20±0.5)℃，径向和轴向温度梯度小于0.2 ℃；

(2)扩束主镜和次镜温度稳定性(20±0.5)℃，径向和轴向温度梯度小于0.5 ℃；

(3)自检光源温度稳定性(20±0.5)℃，径向和轴向温度梯度小于0.5 ℃。

扩束系统和取光组件重力变形和温度变形对光轴稳定性影响如下：

(1)扩束主镜受0.5 ℃温度稳定性影响造成指向变化为1.67rad；

(3)取光组件双镜面受0.5 ℃温度稳定性影响对光轴指向变化为2.74rad；

(4)取光组件结构受0.2 ℃温度梯度影响对光轴指向变化为0.55rad。

2)激光光斑质心提取精度分析

光斑质心提取精度受像元占空比、有效光斑直径影响。像元占空比越高，有效光斑直径越大，则光斑质心提取误差越小。根据足印相机设计参数，经取光后入射的激光光斑直径达到31×31像素，激光光斑测量误差小于0.2像元。对应于高分七号激光测高仪足印相机6.4 μrad瞬时视场，激光质心测量误差优于1.28 μrad。

以上误差因素为独立随机变量，综合因温度变化、温度梯度、激光光斑质心提取误差等因素引入误差，激光测高仪激光指向在轨监视总误差计算为3.42 μrad。

3)光轴监视相机与足印相机之间的光机稳定性分析

该项稳定性取决于足印相机和光束准直发射光路光机稳定性，因为该项误差可以在轨利用自检光源通过共光路分别在详查足印相机及光轴监视相机同时成像进行标校，所以两相机之间的传递误差主要取决于取光组件和内部折转光路的稳定性。

对于单透镜系统，(20±5)℃的环境温度变化和大气压变化引起的发散角差异很小，光斑中心没有变化，因此环境变化不会对自检光束的指向产生影响。取光组件长度为100 mm，结构材料为铟钢，经分析：在温度变化范围小于5 ℃时，引入指向偏差不大于2 μrad。折转光路较长，不大于1500 mm，在5 ℃温度变化范围内，对光轴监视与足印相机两个测量源所引入偏差最大不超过5 μrad。

3 测试结果及分析

3.1 激光足印取样与实际光轴测量误差

简析：遇到这样的试题,有很多考生总是不重视从试题中寻找信息,死板地用所谓的“阳离子放电顺序”来判断,认为H+比Na+更容易在阴极上放电,导致错误答案。事实上,只要观察题给示意图,就能找到三条重要信息:①电解室中阴极上是Na+放电,②钠汞合金从电解室流到解汞室,③解汞室里是Na→Na+,根据其中任何一条都可判断出该生产条件下电解室中阴极上是Na+比H+优先放电。从中也可以看出平时学习中形成的“认识误区”是那么顽固,要克服其影响是那么难!

(1)波束1转换矩阵

(2)

(2)波束2转换矩阵

(3)

在地面真空热光试验中，采用以上方法对备份发射光轴进行了测试，同时进行了相应的计算，计算结果与对比数据见表1。

表1 热光试验取样光斑质心及激光落点Table 1 Thermal optical test sampling spot centroid and laser spot

同时在不同工作温度工况，对激光发射光轴的指向稳定性进行了测试，发射光轴稳定性测试结果见表2。

表2 发射光轴稳定性测试数据汇总Table 2 Summary of test data for the stability of the emitted optical axis

3.2 在轨光轴变化趋势

取第32圈数据进行分析。光轴监视相机的光斑质心解算结果最大跳动值不超过0.3像素。同时可观测到在5 min时间内，激光质心逐渐向一个方向缓慢变化的过程。

图3 监视相机中波束1光轴变化Fig.3 Changes of beam 1 optical axis in the monitoring camera

波束1在足印相机中变化趋势如下：X/Y向方差分别为0.51像素、0.41像素(见图4)。

图4 足印相机中波束1光轴变化Fig.4 Changes of beam 1 optical axis in the footprint camera

波束2在监视相机中的变化趋势如下：X/Y向方差分别为0.2像素、0.16像素(见图5)。

波束2在足印相机中的变化趋势如下：X/Y向方差分别为0.29像素、0.23像素(见图6)。

图6 足印相机中波束2光轴变化Fig.6 Changes of beam 2 optical axis in the footprint camera

3.3 在轨复合测量采集结果

以第33轨为例，波束1、波束2回波峰值分布如图7所示，均无饱和现象引起全波形算法精度下降的情况出现。无回波区域经足印影像比对为云层覆盖区域。排除云层区域后，回波探测概率接近100%。

图7 激光足印影像与全波形Fig.7 Images of laser footprint and waveform

根据试验室标定结果，以红圈方式在激光测高仪足印相机影像上标记激光实际落点，图7为对林地、建筑、平原所采集到的回波波形。波形信息丰富，回波通道信噪比优于20 dB。

4 结束语

本文对高分七号卫星激光测高仪中采用的激光指向在轨监测关键技术进行了介绍，并分析了激光指向角度的地面测试数据以及在轨实测数据。至2020年5月，高分七号卫星激光测高仪分系统获取了约500轨测量数据，激光测点数量达到百万量级。除完成在轨参数设置和状态调整测试外，还配合用户开展了南极中山站区域和南极大陆冰盖的激光测绘工作，后续将开展星地联合标定工作，进一步提高后期数据处理精度。在轨预计可获取至少2亿个激光高程数据，将为构建我国境内无控区域乃至全球高精度立体测绘信息网发挥关键作用。