星载激光雷达光路自动调整技术研究进展

张文静, 徐赤东

1. 中国科学院合肥物质研究院安徽光学精密机械研究所,合肥 230031 2. 中国科学技术大学, 合肥 230026

0 引 言

大气探测激光雷达是一种以大气气溶胶、云、风场、温度、湿度和各种痕量气体作为遥感对象的光探测系统.星载大气探测激光雷达直接从高空对城市、沙漠、极地等地区进行探测,可提供全球观测数据,在环境监测、空间遥感等领域发挥了重要作用.激光雷达工作过程中,激光器晶体边界温度的不均匀波动、系统内部元件机械振动、外界传输环境因素以及背景光引入的噪声等因素,都可能使激光光束产生漂移[1],当光束偏离实际光轴角度过大时,会直接影响探测数据的准确性和可信度[2].因此其发射和接收光轴的对准调整就十分必要.最初大气探测激光雷达通常由专业人员利用专用设备手动完成光路调整工作,虽然能够达到一定的初始对准精度,但该方法耗时长、光路调整结果非常随机,也无法推广至星载系统.理想状态下,为了获得更高的信噪比,激光雷达的接收视场应恰好完全覆盖发射视场,即相当于发射与接收视场完全同轴,但发射视场与接收视场完全同轴在工程上无法实现,所以工程上会尽可能提高收发同轴度.在此条件下,通过高精度光束调整机构实现光路调整,进一步提高信噪比成为保障星载激光雷达系统稳定性和探测数据可靠性的有效途径之一.相比手动方法,自动对准调节技术降低了对实验人员的依赖性,提高了光路调整的精度和可重复性,避免了手动调节时由于不同环境条件、不同操作者产生的测量差异,进而提升了测量数据的可靠性.

1 光路自动调整方法

光路自动调节系统涉及:选取光路基准、采集光束参数信息、设计反馈控制算法、控制执行机构等关键技术[3].在调节过程中既不影响主光路,又能准确获得激光回波信号强度或光束实际位置和方向的误差信号,设计合适的控制算法及驱动程序是光路调整的主要难点.现有的星载激光雷达光路自动调节方法可归纳为回波信号强度法和光斑调节法两类.

1.1 回波信号强度法

回波信号强度法利用回波信号强度和发射指向角之间的关系来实现光路自动对准.标准大气条件下,若消光系数和后向散射系数稳定,当激光雷达在某方向进行扫描时,激光束从视场外完全进入视场,再离开视场的过程,回波信号的强度曲线呈现近似梯形的变化.扫描过程中记录光束通过望远镜时对应的信号电平,信号强度随指向角的变化曲线如图1所示[4],其中梯形上升沿宽度对应激光光束发散角θDIV,梯形的半峰全宽对应望远镜接收视场角θFOV.曲线中梯形平台部分,表示发射光束完全进入接收视场,梯形曲线平台的中心位置,为光路调整最佳点.分别在俯仰和方位2个方向上扫描,根据此曲线调整发射光束指向角使回波信号落在关系曲线交叉点中心位置,即可使接收到的回波信号强度最大,完成激光雷达的光路对准.现有的星载激光雷达系统中,利用回波信号强度法实现光路对准的方式可分为两种.

图1 回波信号强度与指向角之间的关系Fig.1 Relationship between echo signal and pointing Angle

第1种结构通过直接调整激光发射平台整体方向实现光路调整.这种结构的稳定性要好于其他结构,但由于要调节整个发射平台,其光束调整范围会偏大.2006年美国发射的云-气溶胶星载激光雷达(CALIOP)采用了这种结构,为提高接收信号的信噪比,CALIOP接收系统采用窄视场,对准偏差不超过10 μrad[5].由于其光路调节系统采用了调节发射平台整体机械结构的模式,其调整频率为50 Hz,远低于测高激光雷达(GLAS)的800 Hz,但其观测稳定性为6 μrad,高于GLAS的20 μrad[6].CALIOP的接收和发射平台由可调节对准装置 (ABM)连接,通过ABM调节发射平台的方向,实现收发光路的调节.图2给出了ABM结构的立体图,其对准系统由线性驱动结构和可在YZ方向活动的常平架组成[7].在进行视轴对准调整时,将在2个正交方向扫描时接收到的回波信号与基准信号模型进行比对,若发生偏移,则通过线性驱动结构摆动发射系统的尾部,调整常平架的旋转角度来调节发射方向,完成光路自动对准调整.在测试实验中,CALIOP完成光路调整分别耗时2′35″和3′24″.

图2 ABM结构图Fig.2 ABM structure

第2种结构选用Risley棱镜对,基于Risley公式,通过步进电机驱动Risley棱镜对实现光路调整.由Risley公式可知,单个棱镜的光束角偏差为棱镜角度和棱镜折射率减1后的积.如图3[8]所示,A1为第1棱镜的旋转位置,A2为第2棱镜的旋转位置.光束通过棱镜对角度的总偏差为2个单独棱镜角度偏差之和,当两块透镜完全对齐时,光束对准完成.GLAS系统选用了这种结构.2003年NASA发射ICESat卫星搭载激光雷达GLAS,该系统光束调整范围为0.75 mrad,光束调整精度为30～50 μrad,发射稳定性小于10 μrad,观测稳定性小于20 μrad[8].为解决温度变化所带来的光路偏移问题,GLAS系统增加了对准调整机构(BAM).

图3 Risley棱镜原理图Fig.3 Risley prism schematic diagram

BAM位于激光接收器前,利用2个电动棱镜对控制激光来实现光路的调整.图4[8]给出BAM结构的细节图,其中包括安装平台、棱镜驱动组件、棱镜对主结构.棱镜驱动组件安装在主结构两侧,通过步进电机旋转各自的棱镜调整光束方向.该结构的缺陷在于,制造精确匹配的Risley棱镜对需要非常长的周期,如果没有备用的Risley棱镜对,一旦出现问题对开发周期的影响会非常大.

图4 BAM系统结构Fig.4 BAM system structure

事实上还有一种结构常被应用在地基系统中,即在激光发射端利用电动调整架驱动反射镜旋转控制光束方向.早在1998年,意大利物质物理研究所和Naples大学的LUCA等[9]就提出了一种基于该结构的光路调整系统.如图5[9](a)所示,该系统的核心部件是一个可绕2个正交独立轴旋转的45°反射镜,图中东-西方向旋转角度为φ,南北方向旋转角度为φ,系统通过调节该反射镜来实现光路的调整.该调整系统角分辨率为0.5 μrad,单次移动步长为10 μrad,调整频率为50 Hz.图5(b)所示为望远镜视场中的光束扫描装置.随着各项技术的发展,基于回波信号强度法的自动光路调整技术的研究在各类系统上均得到了推广,光路自动调整系统的调节速度和精度均有了较大的提升,有些系统在几十秒之内即可完成光路调整,调节精度可以达到10 μrad左右.

图5 激光雷达系统示意图Fig.5 Schematic diagram of lidar system

1.2 光斑调整法

光斑调整法根据两点确定一条直线的原理,在基准光轴上选定近、远场2个参考基准面,近场监测光束的平移量,远场监测光束的角移量,利用成像设备采集2个基准点的光斑,并根据图像处理技术得到光斑中心位置,当激光束偏离较大时,在一定范围内,信号相对集中,此时减小噪声影响,突出信号强度分布特征,提取高于根据实际情况设定的亮度阈值图像进行线性增强,从而确定光斑质心位置和望远镜标准轴中心位置,随后与基准位置进行比较,两位置间的距离即为光轴偏移量[10].根据该值,计算各个轴向需要调整的偏移量,在两坐标轴上减小偏移量,根据偏移量得出需要调整的步数,再将调整步数和调整方向编译成控制指令,控制驱动器完成发射激光束与望远镜光轴对准.这种方法从测量计算到执行需要耗费一定的时间,导致调节过程有一定的滞后性.星载系统ALADIN和ATLID的光路调整系统选用了该方法.

图6 光路调整系统俯视图Fig.6 Top view for alignment of laser

图7 CAS主结构Fig.7 CAS system structure

2018年欧空局发射了ALADIN星载多普勒激光雷达,该系统轨道高度约为400 km,垂直分辨率为0.25～8 km[11],其光路调整系统核心器件包括望远镜、激光头、接收光学器件和探测器等[12].如图6[13]所示,ALADIN激光调整路径位于发射路径后端,分束器将入射光束分成发射路径和校准路径,校准路径叠加进入接收路径,激光束垂直于玻璃平板进入传输接收光路,图中顶部所示为接收发射单元(TRO).CCD在望远镜的输入/输出端口测量发射和接收光束的角距离,系统利用输入光束和反射光束之间的角度差,定位接收到的光斑,获取位置信号[13].发射接收系统的失调主要通过控制回路反馈驱动倾斜折叠镜调整激光发射方向来实现,该折叠镜位于望远镜次镜前端,镜片集成支架安装在闭环压电驱动平台上,该平台由对准软件控制.在测试实验中,该平台旋转时对准分辨率优于1 μrad.

同样由欧空局研制的星载后向散射激光雷达ATLID,轨道高度约400 km,垂直分辨率为100 m,地面光斑小于30 m[14],系统的光路对准由位于光学平台上的校准传感器 (CAS)和二维光束指向调整机构来完成.CAS传感器具有抑制太阳背景光、CCD信号采集等功能.如图7[15]所示,CAS由光学组件、机械平台组件和接近电子组件构成.其中光学组件对CAS传感器上的光束进行采样和成像,以对主透射光束影响最小的方式获取部分有效光信号,将有用光信号聚焦在CAS探测器上,达到优化发射和接收光路对准的目的.机械平台组件主要用于为其他元件提供机械支撑,确保CAS系统的热稳定性.接近电子组件用于控制存储CCD(MCCD),完成图像信号处理[15].指向镜为光束指向调整机构,柔性支承用于分配变形,同时限制各轴的自由度,实现指向镜的偏转,通过调整发射光束来保持发射光束与接收光束的对准.图像处理和质心定位则由控制回路软件来实现[16].

国内的大气探测星载激光雷达仍处于研究阶段[17],但在大型高功率激光装置和其他类型的激光雷达系统中,光路自动调整系统同样占据非常重要的地位.20世纪90年代后期,光路自动调整技术被成功应用在以中科院上海光机所神光系列装置为代表的高功率激光装置中[18].该系列装置均利用光斑信号实现光路调整,其整个调整过程的关键在于获取光束中心位置和电机控制方式.图像处理技术中,常用的检测光斑中心的方法有质心法、Hough变换法、最小二乘法、Canny算子边缘检测算法等[19].在光斑调节法中应用较广的有质心法和最小二乘法.质心法思路简单,计算速度快,但当遇到光斑不太规则的情况时,并不能检测出光斑的半径.最小二乘法定位精度高且仅对轮廓进行一次循环即可计算出中心坐标,可快速实现光斑中心检测.哈尔滨工业大学的敖磊[20]、中国科学院的潘高峰等[21],在使用光斑调整法进行对准时均采用了该算法.

在实际应用过程中,还可能出现激光光束可以穿过小孔光阑,但非垂直从小孔光阑穿过,造成光束指向性偏差.中国科学院上海光机所李红等提出通过细化光斑处理过程的方式来解决该问题[22].首先利用局部自适应阈值二值化算法提高光斑图像定位精度.同时通过改进最小二乘法椭圆拟合算法,计算光斑的长短轴轴长,求取椭圆光斑的相关信息,计算椭圆光斑的长短轴差值,通过调节近远场的反射镜调整接收光斑形状,具体调整步数通过椭圆光斑长短轴差值获得,直至将接收图像调整为较规则的圆形光斑后,再利用传统的计算方法,获取圆形光斑的中心位置,最终完成光路自动调节[22].该方法目前虽未被应用于星载激光雷达光路对准调整系统,但实验结果表明,该方法可以提高调整精度,提高系统的整体性能,具有一定的参考意义.

2 光路调整方法对比分析

目前星载系统中使用回波信号强度法的有CALIOP和GLAS的光路调整系统,地基系统基于相同原理常采用高精度步进电机或者压电控制器来驱动反射镜,分别从方位和俯仰2个方向进行十字或者螺旋式扫描,确定对准位置.选用光斑调整法的系统,则与ALADIN系统类似,大多是增加辅助光路,利用分束片将一部分光束传输到近场和远场的CCD或四象限光电探测模块,通过近场和远场光斑质心的坐标与基准坐标的差值确定调节量,最终完成光路的调节.其他类型的激光雷达常采用的硬件结构、软件算法均与星载系统类似,但星载系统在元器件、材料、精度、调整系统稳定性和可靠性等方面的要求相对更高.

2.1 调整方法对比

(1)整体结构

回波信号强度法的系统结构简单,无需在系统中增加CCD、四象限探测器等成像元件,通常只需增加电动调整架和电机即可,在传统的光路自动调节系统中应用十分广泛.星载系统CALIOP在轨运行期间也有不俗的表现.与光斑调整法相比,回波信号强度法的优势在于控制对象少、硬件改造成本低、系统复杂度低、可实现性高.但该方法过于依赖回波信号,易受到大气环境的影响.CALIOP为了获取最佳信噪比,提高数据可靠性,采用窄视场,选择当在轨运行背对太阳时进行光路对准.而地基系统通常选择回波信号强度大于测量背景值两倍的测量范围,测量背景值取不发射激光时,天空背景信号所积累的脉冲数的均值.理想状态下,通过扫描获取到回波信号强度和发射指向角之间的关系曲线后,可以比较容易确定该曲线的中心位置.但由于光电倍增管(PMT)的空间感应不均匀、激光光斑不均匀和望远镜虚光等原因,实际测量时得到的梯形曲线可能会不够标准,仍需要后期进行测算校正,可能会产生一定的误差.

近些年,越来越多的系统选择使用光斑调整法实现光路自动调整.光斑调整法的优势在于其克服了对回波信号的依赖,且随着图像处理技术、光机电技术的发展,增加辅助光路的成本也不断降低,光斑调节法逐渐显示出优势.但星载系统对元件性能、材料、调整系统稳定性的要求相对较高,许多辅助光路新增的元件都需要进行定制,这样不仅提高了成本也延长了设计周期,同时可能会引入一些不确定性因素,在研发时需要权衡考虑.总体而言,目前现有的系统中,使用光斑调整法的系统其调整精度相对更高,但光路系统更为复杂,设计周期也更长.

(2)软件算法

选用不同的调整方法,其软件算法所涉及的内容也有所不同.采用回波信号强度法的系统,在光路调整时其调整方式可分为两类,一种为与CALIOP类似,将调节过程分为粗调和精调两步进行螺旋扫描.如图8[6]所示,为初步确定视场角范围,首先进行步长为50 μrad的粗调,使光斑进入视场;随后进行步长为5 μrad的精调,将光斑精确定位至视场角中心位置.另外一种先采用螺旋式粗扫,再改用圆形或径向细扫的模式.但最终均是根据回波信号强度随发散角变化的梯形曲线,多次扫描来确定回波信号强度最大位置.

光斑调整法的软件算法则更关注高精度获取光斑中心点和选择合理驱动方式两方面的内容.准确获取光斑中心点位置是精确调整的前提条件,合理的控制方式则决定了光路调整的效率.光斑中心检测算法有重心法、中值法、最小二乘法等,其中最小二乘法仅需对边界点进行一次循环,计算速度最快[23],应用也越来越广泛.在控制方式上,许多系统选择增加补偿来提高调节效率.中科院上海光机所李红等人曾将模糊控制算法引入到调节过程,结合前馈补偿,将光路调整时间由原来的30 min缩短至12 min.在控制算法方面,比较常见的是应用直接校正算法,根据偏移量和光束需要校正的角度计算电机的调节步数,使激光重新回到基准点.该算法简单易行,但环境对光束的扰动其实十分复杂和随机,光束的指向抖动趋势无法预测,且从测量到驱动调整结构会有一定的延迟,使得调整会有一定的滞后性.利用光斑调节法进行光路反馈控制调节时,还存在另外一个问题.理论上CCD的每个像素点对应的步进电机调整量应该是固定的,但实际情况中,由于机械结构、温度等因素的影响,像素与电机调整步数为非线性关系.针对此问题,上海光机所李红等人曾提出基于图像Jacobian矩阵的近远场串并行同时处理的反馈控制结构,该结构提高了系统的调整效率,也为星载系统的光路调整控制算法提供了新的思路.

图8 CALIOP对准方法示意图Fig.8 CALIOP alignment algorithm

2.2 分析结果

在已发射的几个星载系统中,选用回波信号强度调整法的CALIOP在轨运行时间最长,所获取的探测数据也最多,其系统光路也相对简单.故在制定系统方案时,考虑基于CALIOP的调整系统,并参考ATLID和ALADIN利用可调整偏转镜实现调整,获得较高调整精度的优势进行设计.

利用CALIOP所采用的回波信号强度调整法,在实验室手动调整其他激光雷达的光路时,经常会出现单次调整力度过大的现象.且单次调整量的具体值在不同位置实际是有一定差异的.在粗调阶段,当偏离范围并不大时,若仍使用大步长调节,则可能需要数次扫描才能找到回波信号强度最大点.且系统的单次调整步长除了和软件算法有关之外,还与机械加工、外部调整元件的精细程度等因素密切相关.当硬件系统结构精度稍差时,可能会出现因为调整步长过大而直接将光路调出视场,从而增加调整时长的问题.为解决该问题,尝试引入模糊控制并提出变步长调整法.基于模糊控制不需要建立精确数学模型的特点,根据当前回波信号强度确定调整步长,对步长进行实时调整,达到高效调节的目的.

为了初步验证变步长调整法的可行性,利用Python软件平台分别对CALIOP所使用的回波信号强度法和引入模糊控制的变步长调整法进行调整路线跟踪模拟,并根据仿真结果对比分析传统固定步长回波信号强度法和变步长调整法的差异.随机选取1 000个样本点,对比分析以上两种算法在调整路径、调整精度和完成一次调整所需要的总步数即总调整时长中的差异.大多数情况下,利用变步长调整法进行调整时,可以获得更高的调整精度,且所需要的调整时间也更短.在理想状态下,不考虑机械元件导致的调整误差,使用变步长调整法调整精度可达到1 μrad.

3 总结与展望

光路自动调整系统涉及光学、自动控制技术、传感器技术、探测技术、图像与数据处理技术等多个学科和领域.为保证探测数据的可靠性,设计出低成本、可实现性高、工作效率高的自动调整系统,对星载大气探测激光雷达具有重要的意义.目前常采用的两种方法具有以下特点:

1)应用回波信号强度法的系统采用高精度的步进电机或者压电控制器来控制反射镜,以直角坐标系为基准进行十字或螺旋式扫描,确定对准位置.选用光斑调节法的系统,大多是增加辅助光路,利用分束片将一部分光束传输到近场和远场的CCD或四象限光电探测模块,根据近场和远场探测光斑质心的坐标与基准坐标的差值确定调节量,利用步进电机或压电控制器驱动调整装置,实现光路调节.

2)现有系统不论使用哪种方法,无论是星载还是其他类型激光雷达的调整系统,都选择在激光发射端进行光路调整,调整机构涉及反射镜、二维或三维调整架等多种结构,驱动装置大多使用步进电机和压电控制器.与使用步进电机的系统相比,使用压电控制器的系统调节精度相对更高.

综上所述,光路自动调节系统经过几十年的发展已日趋成熟.随着技术的进步,其他学科的发展也为光路自动调节系统提供了更多可能.利用自动控制、图像处理等学科的发展优势,参考在发射端进行调整时的方法,通过调节接收视场来跟随发射光束,当接收到的回波信号强度或者光斑的位置发生变化时,根据此变化量调节接收视场小孔位置,采用小孔跟踪发射光束的方式实现同等或更高精度的光路调节十分值得探讨.目前常见的回波信号强度法均选用固定步长调节.当激光束偏离位置较小时,采用大步长,反倒有可能会增加扫描时间.若能根据当前回波信号强度实时改变调整步长,就可能缩短调节时间.引入模糊控制,将手动调节知识和长期积累的专家经验表示成计算机语言,形成控制规则[24],利用这些规则控制精度更高的压电陶瓷驱动器实现光路自动对准调节.利用模糊控制精度高、实时性强、鲁棒性和适应性好的优势[25],选用简单器件搭建节省成本的系统,并快速精确地完成光路校准,最终将其推广至星载系统也是未来值得关注的方向.