嫦娥一号卫星载激光高度计设计验证和运行解读.docx
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嫦娥一号卫星载激光高度计设计验证和运行解读
嫦娥一号卫星载激光高度计设计、验证和运行
王建宇１ 舒嵘１ 陈卫标２ 贾建军1侯霞2黄庚华１王斌永１
1 中国科学院上海技术物理研究所 上海200083
2 中国科学院上海精密光学机械研究所上海201800
摘要本文介绍了嫦娥一号（CE-1）卫星激光高度计的设计和运行情况，包括系统的总体设计、空间激光器设计、激光发射系统设计、接收系统设计；分析了激光高度计的测量精度；阐述了激光高度计的地面测试情况；最后介绍了激光高度计在轨运行和在轨测试的情况。
该激光高度计是我国第一次自行研制的空间应用的激光主动遥感仪器，自2007年11月28日在环月轨道上开机后，获取了共计912万点有效月球高层数据，圆满地完成了探测任务。
关键词:
嫦娥一号卫星，激光高度计，空间激光
1.引言
激光高度计是载于中国第一颗月球探测卫星嫦娥一号（CE-1）的有效载荷之一。
实现了卫星星下点月表地形高度数据的获取，为月球表面三维影像的获取提供服务。
通过星上激光高度计测量卫星到星下点月球表面的距离，为光学成像探测系统的立体成图提供修正参数；并通过地面应用系统将距离数据与卫星轨道参数、地月坐标关系进行综合数据处理，获得卫星星下点月表地形高度数据。
CE-1激光高度计由探头和电路箱两部分组成，如图1所示。
其主要性能参数如表1所示。
本文将详细介绍激光高度计的系统设计、地面测试、标定和仪器上天后的工作状况。
图1CE-1激光高度计探头和电路箱
表1CE-1卫星激光高度计主要性能参数
作用距离
200±25km
月面激光足印大小
<Ф200m
激光波长
1064nm
激光能量
150mJ±10mJ
激光脉宽
<7ns
接收望远镜有效口径
>120mm
测距频率
1Hz
测距分辨率
1m
测距不确定度
5m（3
）
沿卫星飞行方向上月面足印点距离
～1.4km
2.激光高度计设计
2.1激光高度计信号链路分析和系统设计
CE-1卫星激光高度计任务的核心是激光测距。
该激光高度计中的测量结果是月表目标到卫星的距离。
图2显示了激光高度计的测量原理和工作流程，激光器向目标发射一束功率为
，脉宽为
的脉冲激光，目标表面返回的散射光为光学系统接收，光电探测器件将发射脉冲的一小部分及探测到的激光回波信号转变为电信号，分别触发测距计数器开始和结束计时，由此获得光脉冲飞行时间，经数据计算得到距离值
。
其中
表示真空中的光速，
表示激光往返时间。
图２激光高度计工作原理
图３激光高度计总体框图
激光高度计在其内置的计算机产生的控制时序下同步工作。
在总同步脉冲的触发下，激光器每一秒钟发射一次激光，与此同时一个激光发射的主波启动信号使得时间测量电路开始计数。
激光回波被探测器接收后，经放大、阈值检波，输出激光回波脉冲，时间测量电路停止计数，由星上计算机读出计数值，并计算出高度计到月表的距离值。
同时，计算机还将接收载荷数据管理系统提供数据注入，完成激光高度计主要点状态参数监测和控制任务。
激光高度计系统的总体框图如图3所示。
根据激光对漫反射面目标的探测方程，激光高度计接收到的回波信号功率Ｐr由功率测距方程给出为：
（1）
式中，
为激光发射功率，
为有效接收口径面积，
为接收系统光学透过率，
为月面反射率，
为激光束与月面之间的夹角，
为激光高度计与月面距离。
激光高度计的发射功率由式
（2）给出
（2）
其中，
为激光发射能量，
为激光发射脉冲的半脉宽。
激光高度计的工作轨道高度距离月面约为200km，考虑回波展宽变形以及系统最大测程的系统设计余量，根据式
（1），激光高度计接收系统接收到的回波功率约为20nW左右，接近激光高度计的设计探测灵敏度。
因此，系统设计时需对激光光源输出功率稳定性、激光收发光轴同轴稳定度、背景光噪声抑制技术等方面展开研究。
2.2激光高度计空间激光器设计
为适应CE-1激光高度计空间应用需求，激光器设计采用的如下的技术路线：
1）激光二极管泵浦的Nd：
YAG；2）采用直角棱镜和平面镜输出的谐振腔形式和直线结构；3）主动电光调Q。
采用激光二极管泵浦、电光调Q的固体Nd：
YAG激光器，利用Porro棱镜改善激光器的失调灵敏度。
激光器的光学设计主要是指激光谐振腔的设计，激光器输出后接扩束望远镜，腔内偏振片输出的一部分激光衰减后，由PIN管接收，作为能量监测和主波取样。
整个光学系统的组成如图4所示。
图4激光器光学系统组成
激光器对外界的污染非常敏感，因此其结构必须实现密封，使激光器内部光学组件与外界隔绝。
同时在整机存储温度范围内，要求密封结构的漏气率必须控制在一定的范围内，避免激光器内的高压电源出现低气压放电情况，损坏器件。
其密封方式采用橡胶密封方法，经实物检漏，在常温下漏率优于210-8Pa.m3/s，适用温度范围-15～30℃。
满足激光器的漏率要求。
激光发射系统的技术指标如表４所示。
表４激光发射系统性能参数
工作波长
1064nm±1nm
单脉冲能量
150mJ，能量起伏不高于10%
脉冲宽度
5ns-7ns
脉冲重复频率
1Hz
激光发散角
<0.6mrad（光束扩展后）
光斑直径
<30mm
波束指向稳定度
0.05mrad
激光模式
低阶模，>90%
2.3激光高度计的发射系统设计
激光高度计的发射系统负责向目标发射高能量密度的激光脉冲光束，主要由激光器和激光扩束器组成。
考虑到星载激光高度计的作用距离很远，要求脉冲具有较高的瞬时功率，同时体积、重量又有严格的控制，因此，系统采用了Nd:
YAG主动电光调Q激光器作为发射激光器。
为减少发射光束的发散角，系统采用了激光光束扩束准直技术。
为解决发射激光能量过强，激光扩束镜采用伽利略式的球面透镜系统，使得激光在镜筒内没有会聚点，可以有效防止激光损伤；系统无中心挡光，不损失发射的激光能量；光路短，且结构简洁等特点。
扩束镜的扩束倍数为5倍，扩束后的激光发散角为0.6mrad。
图5为扩束镜和激光器对接的光路示意图。
图5 CE-1激光高度计发射系统光路示意图
2.4激光高度计的接收系统设计
激光高度计的接收系统由接收望远镜和激光回波接收电路组成。
接收望远镜用于将目标反射回来的激光能量高效率地会聚到探测器光敏面上；激光探测电路由雪崩二极管探测器、信号处理电路、脉冲形成电路、峰值检测电路和偏压调整电路组成，将收集到的光信号转换为电信号，并进行处理后得到测量距离数据。
2.3.1接收光学系统设计
由于月球探测距离较远，为了收集到更多的回波能量，需要接收系统口径较大，为了减小体积和重量，并兼顾到系统焦距设计要求，接收望远镜采用了结构紧凑的双非球面反射式卡式系统。
在系统中设置有中继镜组，中继镜组产生平行光路。
中继镜组的平行光路中设置有前截止滤光片和窄带滤光片，用于滤除外界的非信号光。
光学系统组成如图6所示。
设计结果如表2所示。
图6接收光学系统设计结构图
表２光学系统参数
光学参数
设计值
接收望远镜有效口径（mm）
128（通光口径134）
系统焦距（mm）
533.333
瞬时视场（mrad）
1.5
光学效率
0.82
弥散斑直径（um）
<10
2.3.2激光回波接收电路设计
激光高度计的回波接收电路工作原理如图7所示，雪崩二极管将回波脉冲光信号转化为电信号，经匹配放大器进行放大后，由阈值检波比较器检出回波TTL信号，触发时间计数电路停止计时。
图7激光高度计回波接收电路原理图
回波接收单元采用的雪崩二极管（APD）为SPD-0522近红外增强型探测器，主要指标如表3。
表３ SPD-0522雪崩二极管参数
工作波长
0.4~1.1μm
最佳工作电压
250V~450V
电压响应度（1.06μm）
>0.7×105V/W
等效噪声功率（1.06μm）
<0.35pW/Hz1/2
脉冲响应时间
<10ns
工作温度
-20~+50℃
为了达到最佳信噪比，设计匹配放大器的带宽与雪崩二极管带宽相当。
当激光回波信号为1×10-8W时，雪崩二极管产生的激光回波脉冲信号峰值为1.4×10-3V。
要能达到阈值检波电路的工作范围，匹配放大器设计增益需控制在60dB左右。
激光高度计在对月球的探测过程中，由于月面背景光照条件噪声和雪崩光电二极管工作温度的变化，在放大器的输出端的噪声电平就会不断变化，从而导致在恒定阈值条件下的虚警率变化。
由于地面测控系统无法实时对激光高度计的比较阈值进行注入调整，为了保证对应一个阈值门限下的恒定虚警率，需要在不同的工作环境下实现噪声电平的基本不变，以保证所需的虚警率。
雪崩光电二极管经匹配滤波器输出的噪声可以近似为高斯分布，如果对该噪声作检波处理，则噪声的包络将是瑞利分布的，其概率密度为
（３）
为噪声方差。
噪声包络的统计平均值是
（４）
由此可见，噪声包络的统计平均值与总输出噪声的方差成正比，从而在理论上来说，可以先求得噪声的方差值，然后由它去对噪声进行归一化，就可以使噪声恒定，从而达到一定阈值电平下的恒定虚警的目的。
信号处理框图如图７。
噪声检波后的平滑结果将通过控制器改变探测器的工作状态，从而实现类似的归一化操作，使得电路总输出的噪声电平基本保持恒定。
图７恒虚警率信号控制框图
激光高度计上还设计了回波峰值采样电路，可对月面返回的回波信号进行峰值采样，在一定程度上可以表征月面对1.06um波段激光能量的反射强度。
3.激光高度计的地面测试、标定和验证
激光高度计的主要功能是在距离月表200公里的轨道上实现测距，在地面无法对其工作能力进行实际测量，所以需要在地面通过间接的办法对其测距精度和最大测程进行标定，以验证其能否具备月表探测的能力。
3.1地面测距不确定度的标定
测距不确定度综合反映了计数时间分辨率引起的量化测距误差
、计时晶振的不稳定度引起的测距误差
、测距回波信号变形和上升沿抖动引起的测距误差
以及定标后引起的系统测距残差
，在这四项误差中的前三项为独立随机事件，而第四项是固定的系统误差，所以激光高度计的总不确定度
如式（5）所示。
这三项分别在地面进行了测试和标定。
CE-1卫星激光高度计的测距不确定度指标要求为<5m。
（５）
计数时间分辨率引起的量化测距误差
主要由计数电路时间分辨率引起的量化误差，包括主波起始时间量化误差和回波停止时间量化误差，系统的计数晶振频率f＝155.2MHz，经计算由于计数时间分辨率引起的量化误差引起的测距误差
为0.422m。
计时晶振的不稳定度引起的测距误差
，为激光高度计测距电路的计时不确定度，
。
为工作距离，
为时基稳定度，激光高度计采用温补型晶振，时基稳定度是1.5ppm，在200km距离上对应的计数不确定度
＝200×103×1.5×10－6＝0.3m。
测距回波信号变形和上升沿抖动引起的测距误差
主要由回波幅度变化所引起的时延误差、回波脉冲宽度变化所引起的时延误差和噪声所引起的时延误差，经分析和测量，该项误差引起的测距误差不超过0.66m。
3×
＝2.52（６）
定标后引起的系统测距残差
是激光高度计为校正测距中的系统误差而进行的标定过程中留下的残余误差，经测量该项误差不大于1m。
综上所述，系统测距不确定度3
≤3.52，满足任务书≤5m的指标要求。
3.2地面最大测程模拟
CE-1激光高度计的工作环境是月球外层空间，为真空环境；探测目标是月球表面。
根据激光高度计要求的发散角和轨道高度，探测时月球目标可以认为是朗伯体大目标，反射率为3%-7%。
最大测程如式（７）所示。
（７）
式中，
为最大测程，Pt为激光发射功率，
为光学系统效率，
为双程大气透过率，
为目标反射率，Ar为系统接收孔径，Prmin为系统最小探测功率。
由式（3）可以看出，只要求出系统最小探测功率，也即系统探测灵敏度，再结合探测目标和环境，就可以对激光高度计的最大测程进行标定。
对于CE-1激光高度计，采用了外场消光比模拟测试和目标回波模拟器进行直接探测的办法对其最大测程进行标定，两种标定方法互为补充。
3.2.1消光系数法测最大测程
消光系数法是指根据激光高度计对环境条件、距离和目标特性均已知的模拟目标进行测距时，接收到的目标回波等于系统探测灵敏度时所需的消光比M，推算得到激光高度计在规定条件下的最大测程。
激光高度计对一个已知距离、已知反射率的面目标进行探测，在激光接收路径上放置光学衰减片，不断增加衰减量，直至探测概率降低到95%时，以此时激光接收路径上的光学衰减量作为消光比（ER）。
当激光光路上的光学衰减量衰减到临界值时，激光测距仪接收到的光功率即为系统最小探测功率，如下式所示：
（８）
式中，
为地面测试时模拟目标的距离。
测试框图如图9所示。
图9面目标消光比测试框图
激光高度计研制完成以后，在西安某基地对其进行了最大测程消光比测试。
图10为激光高度计外场测试靶标。
目标距离为1194.34m，目标漫反射率为0.85，尺寸为1.6m×1.6m。
测试得出激光高度计的消光比为60dB，根据式（4）和（3）得出在月表反射率为0.03时，其最大测程为279.773km。
图10激光高度计外场测试靶标图
3.2.2目标回波模拟器测最大测程
直接模拟测量法是指当激光高度计的所有其它参数都已经确定后，通过某种设备直接测定系统的探测灵敏度，再根据测距公式计算得到系统的最大测程。
CE-1激光高度计专门研制了目标回波模拟器，原理框图如图11所示。
图11目标回波模拟器原理框图
该目标回波模拟器可用于产生有一定延时的模拟回波，该模拟回波发散角为1.5mrad（与激光高度计接收系统视场相同），脉宽为25ns，回波功率最大可达到2.6×102W，最小可小于1.4×10-15W，与主波的延迟在0~1s内可调，调整幅度最小为1ps。
目标回波模拟器可用于直接测量激光高度计系统探测灵敏度得到系统的最大测程，精度达到±2.24%；还可用于测量发射激光能量、距离范围等参数。
该模拟器具有不受外界环境条件影响、适用性强、精度高等特点。
在激光高度计发射之前利用此模拟器对其最小探测灵敏度进行了测试，为6×10-8W。
综合激光高度计的系统参数，计算得出激光高度计在假设月面反射率为0.03时，结合其它月表环境，根据式（7）得到其最大测程为225.527km。
3.3高精度同轴测试
为了增加系统探测效率和减小外部杂散光的影响，激光高度计的发散角
和接收视场角
都很小。
为达到最大的探测效率，激光高度计发射轴和接收轴之间的夹角
需要满足式（9）。
（9）
激光高度计发射激光的发散角为0.6mrad，接收视场角为1.5mrad，则需激光高度计双轴之间的夹角满足
<0.45mrad。
这对双轴配准度和结构稳定性有了更高的要求。
激光高度计为能量接收系统，不能成像，装上探测器之后不能利用光学的方法来判断其双轴配准情况，只能根据电信号的输出情况来判断。
为了测试激光高度计发射和接收的同轴度，设计了如图12所示的测试系统。
该系统由六部分组成，包括：
模拟回波单元、光束扫描与控制单元、回波分束与平移单元、平行光管、光束监视和数据存储与处理单元。
图12同轴度测试系统原理框图
根据激光高度计探测原理，当系统处于正常距离探测状态时，处于视场内的回波光束能引起探测系统有一定的信号响应。
回波光束在接收视场位置的不同会引起探测系统的信号发生变化。
所以利用一与发射激光指向位置有一定相对关系的回波光束对激光雷达接收系统进行探测，就可以获得与回波光束位置相对应的输出信号。
根据输出信号与光束位置的相对关系就能得到系统的双轴配准度情况。
该系统可产生能量大小可调、延时可控制、回波光束发散角小、可扫描且指向能精确标定的模拟回波。
利用该装置能模拟激光高度计的实际工作状态，避免近程杂散光的影响，完成对高度计双轴配准度的精确测试。
该系统测试误差<0.1mrad，满足CE-1激光高度计的测试要求。
利用该测试装置对激光高度计在经历环模试验后的双轴配准情况进行了测试，测试结果如图13所示。
图中虚线表示接收系统光轴相对于发射系统光轴的初始位置，实线为发射光轴和接收光轴重合时的位置。
两条线之间的夹角表示系统的双轴配准情况。
由图13可以看出为两轴夹角为0.21urad。
图13同轴度测试结果图
3.4空间激光器温度控制和寿命验证
4.激光高度计的在轨运行
4.1激光高度计在轨运行
2007年10月24日18时05分，嫦娥一号卫星发射升空，进入奔月轨道；11月5日成功实施月球捕获，11月7日进入月球200Km高的极轨工作轨道，并进入科学探测阶段。
2007年11月28日1时32分，激光高度计开机，3时49分激光高度计在月球200Km轨道向月球表面发出了第一束激光，至2007年××，激光高度计运行在200公里的绕月轨道上，2008年××至2008年10月24日，激光高度计运行在100公里的绕月轨道上，共计在轨累计开机3309小时，获得了1369轨探测数据，有效测距点8335416个，对月球表面实现了全覆盖。
激光高度计获取的高程数据结合卫星轨道、姿态、仪器几何参数以及精密星历，通过高程模型解算，制作了空间分辨率7Km全月球DEM图（图12）和空间分辨率4Km的两极地区DEM图。
图１２ 由激光高度计数据绘制的全月球DEM图
4.2激光高度计在轨测试
在激光高度计获取科学探测数据期间，对每次开机后下行的工程、遥测参数进行实时的监视，根据这些参数来判断与激光高度计相关的电压、温度等参数是否在正常工作范围内，并进一步判断仪器工作是否正常。
激光高度计获取的测距数据、以及根据测距数据解算的月表高程数据，是沿着卫星飞行方向一系列离散的点数据，沿着轨道方向在月面间距大约为1.4公里。
为判断激光高度计获取数据的有效性，对下行的科学数据进行了评估，在科学数据质量评估过程中，用到的参考数据是规则格网的DEM数据，ClementineDEM月表空间分辨率为7公里，将激光高度计获取的离散点数据插值成月表分辨率为7.5公里的规则格网DEM数据。
图12为利用激光高度计的数据获取的全球DEM示意图。
开机后的第一阶段为激光高度计在轨测试期间，由于激光高度计的探测率与光照、地形等多种因素相关，调整仪器阈值可以获得较好的探测率结果，测试期间激光高度计的每轨探测率为82.3%（原因），两极探测率可以达到90%，激光高度计运行稳定，2007年12月1日激光高度计进入长期管理状态。
（什么时候进入100公里轨道）
对激光高度计进入长管状态后获取的数据进行了探测率分析，总体在97%以上。
随机抽取了2007年12月14日11：
25至22：
00的6轨科学数据进行了评估分析，经调整后的激光高度计在月球背阳面每轨探测率最高达到了99%。
（也要找一个阳面的数据）
表3相邻轨道数据分析表
序号
轨道进入时间
记录数
漏警
虚警
探测率
1
11：
25：
00
6960
0
24
99.6%
2
13：
32：
11
7629
2
19
99.7%
3
15：
39：
21
7631
0
13
99.8%
4
17：
46：
33
7628
0
12
99.8%
5
19：
53：
42
7630
0
21
99.7%
6
22：
00：
53
7664
1
25
99.6%
图13是激光高度计的一轨科学数据的距离值剖面图，其呈正旋波动的形式是隐含了卫星轨道。
卫星是沿月球经度方向飞行，左边为南极，右边为北极，地形起伏规律正确，并且相邻轨道同纬度地区地形特征相似。
（对尖峰数据的解说）
图132007-12-1411:
25:
00开始的一轨距离数据剖面图
图14为100km轨道面上激光高度计探测器偏压遥测曲线随轨道位置的变化情况。
激光高度计回波探测单元基于恒虚警率设计，系统对探测器输出的背景光噪声进行监测，当背景光噪声超过设定阈值后，将自动降低探测器偏压，从而降低系统增益，使输出噪声稳定在设计水平。
图14反映了四轨数据中偏压遥测电压的变化情况。
当激光高度计工作在高纬度地区及月球阴影区时，由太阳光引起的背景光噪声水平很低，从而探测器偏压工作在较高电平端。
当激光高度计离开两极地区进入月球阳照区后，月面太阳辐射能量逐渐增大，偏压水平逐渐降低，在赤道地区达到最低值。
图14探测器偏压遥测量变化情况
图15、图16为100km轨道面激光高度计高程数据与相应的回波峰值采样数据曲线。
在图15中，可以很明显看出在该轨道面上，月面连绵不绝的分布着宽度从数千米到数十千米不等的撞击坑，最深点可达4km左右。
图16中代表激光回波反射强度的数据曲线在末端整体水平略有下降，与图15月面距离曲线末端距离由100km增加到104km端相对应，印证了激光测距方程中回波能量随距离增大而减小的特点。
在后续嫦娥二号激光高度计中，将优化采样电路设计，更精确的测量月球表面对激光1.06um波段的反射特性。
图15100km轨道面上月面距离测量曲线
图16同轨月面回波强度测量曲线
图17反映了激光高度计激光器LD部位在100km轨道面上两轨中的温度变化情况。
激光器开始工作后，LD部位温度由19℃逐渐上升至22～23℃，在卫星热控控制下，始终稳定在1℃范围内，与设计要求吻合。
图17激光器LD组件温度波动曲线
5.结论
本文总结了嫦娥一号卫星载激光高度计的设计、研制、测试和在轨运行情况，地面的测试和在轨的运行验证了激光高度计的最大测程（>225km）、测距不确定度（<5m），激光高度计的发射与接收双轴配准精度和运行寿命均满足了任务的要求。
国家天文台月球与深空探测应用中心对激光高度计获取的科学数据进行了处理，并且将之与ClementineDEM、ApolloDEM数据的月表定位结果、高程测量结果、撞击坑大小测量结果、地形剖面线总体趋势等比对，证明激光高度计的定位结果正确、高程测量结果正确、地形剖面线反映的月表地形地貌特征正确。
此结果也验证了激光高度计系统设计的合理性和可靠性。
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