真空環(huán)境下激光測距儀收發(fā)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(jī)電研究所, 北京100194)

引 言

資源衛(wèi)星由三線陣立體測繪相機(jī)、多光譜相機(jī)和激光測距儀組成。激光測距儀為資源衛(wèi)星提供高程信息，測距精度可達(dá)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(fā)射機(jī)向測試目標(biāo)發(fā)射脈沖信號，接收機(jī)捕獲反射的回波信號，根據(jù)激光脈沖飛行時間計算被測目標(biāo)距離。

激光測距儀在軌運行時的環(huán)境與地面裝調(diào)時的環(huán)境有很大差異[3]，尤其是溫度和氣壓差異對測距儀穩(wěn)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(jìn)行地面真空熱實驗評估測距儀的性能。

1 研究背景

資源衛(wèi)星激光測距儀采用單波束發(fā)射、接收對應(yīng)布局體制，其中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)均采取主備份設(shè)計，主備份雙通道通過分視場實現(xiàn)，主份和備份沿垂軌方向?qū)ΨQ分布，夾角0.23°。激光發(fā)射機(jī)由激光器和擴(kuò)束器組成，激光器發(fā)射2Hz,1064nm,170mJ的激光脈沖信號，擴(kuò)束器擴(kuò)束倍率2倍，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一個發(fā)散角100μrad的脈沖激光束，對應(yīng)50.6km的地面光斑尺寸。接收機(jī)光學(xué)系統(tǒng)焦距1000mm，接收視場角550μrad，光學(xué)型式應(yīng)用卡塞格林和中繼光學(xué)組合系統(tǒng)，在中繼光學(xué)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(jī)視場光闌直徑0.55mm，通過中繼光學(xué)成像在直徑0.8mm的雪崩光電二極管(avalanche photodiode，APD)上。系統(tǒng)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(fā)射機(jī)發(fā)散角和接收機(jī)視場角都很小。接收機(jī)捕獲激光回波信號的條件是激光發(fā)射機(jī)光軸偏差小于接收機(jī)的視場[5]。影響回波信號接收的因素主要包括：衛(wèi)星飛行延時[6]，激光發(fā)射機(jī)回波彌散斑大小，激光發(fā)射機(jī)抖動以及裝調(diào)和結(jié)構(gòu)變形偏差。為了實現(xiàn)發(fā)射機(jī)光軸和接收機(jī)視軸的失調(diào)量小于接收機(jī)的視場角550μrad，各項誤差分配如表1所示。在地面裝調(diào)測試過程中重點關(guān)注裝調(diào)和結(jié)構(gòu)變形偏差，其中裝調(diào)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(tǒng)設(shè)計

常壓下的測距儀收發(fā)平行度測試采用平行光管和多光軸測試裝置[7]。激光發(fā)射機(jī)輸出能量170mJ，發(fā)射機(jī)能量高，在光學(xué)面和結(jié)構(gòu)面的散射光危害大，發(fā)射機(jī)能量的10-10量級的散射光超出APD的損傷閾值，需要防護(hù)APD。在常壓環(huán)境下測試發(fā)射機(jī)光軸時，采用金屬遮光罩遮擋接收機(jī)，保護(hù)APD探測器，接收機(jī)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(fēng)險。但在真空環(huán)境下，沒有合適的方法安裝和移除遮光罩，無法保護(hù)APD探測器。

2.1 國內(nèi)外測試方法

國內(nèi)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(nèi)，真空罐外放置測試裝置，測試裝置由發(fā)射機(jī)光軸測試裝置、接收光軸測試裝置、結(jié)構(gòu)底板立方晶監(jiān)視裝置三部分組成。如圖2所示，發(fā)射和接收固定在一個零膨脹的底板上，限制接收和發(fā)射機(jī)隨溫度的相對位置變化，測試系統(tǒng)包含一個1064nm連續(xù)激光，通過分束器1分成兩束，一束通過反射鏡進(jìn)入接收系統(tǒng)，通過反射鏡的擺動測試接收系統(tǒng)的視軸；另一束來自準(zhǔn)直底板上的立方晶，通過位置傳感器監(jiān)測底板變化量。激光發(fā)射機(jī)光軸測試系統(tǒng)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(tǒng)和發(fā)射機(jī)3個光軸之間的變化量，得出真空環(huán)境下的收發(fā)平行度等參量[9]。

Fig.2 BELA vacuum test device

2.2 測試系統(tǒng)

為了解決真空下APD的防護(hù)難題，借鑒現(xiàn)有國內(nèi)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(jī)的APD焦面處設(shè)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(fā)射機(jī)和接收機(jī)視軸偏差。此方法相對于現(xiàn)有方法的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，不需要額外的掃描機(jī)構(gòu)[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(fā)平行度測試難題。

真空測試系統(tǒng)如圖3所示。激光測距儀放置在包含平行光管的真空罐內(nèi)[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(xué)窗口處安裝激光光束分析儀，測試光軸偏差，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)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(huán)境下APD激光損傷風(fēng)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(tǒng)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(fā)出的激光束經(jīng)過多級衰減匯聚在激光光束分析儀上，得到發(fā)射機(jī)的聚焦光斑位置，根據(jù)下面的公式計算光斑位置偏差對應(yīng)的收發(fā)平行度偏差數(shù)據(jù)：

(1)

(2)

(3)

式中，x1和y1為激光發(fā)射機(jī)聚焦光斑在激光光束分析儀上的質(zhì)心位置，x2和y2為接收機(jī)光闌在激光光束分析儀的像點質(zhì)心位置，f1為平行光管焦距，θx和θy為激光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(fā)平行度總體偏差。

接收機(jī)的焦面位置[15]設(shè)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(fā)出數(shù)值孔徑為0.22的發(fā)散光束，經(jīng)45°反射鏡折轉(zhuǎn)到勻光片上，勻光片產(chǎn)生發(fā)散的均勻分布的光束照明接收機(jī)的視場光闌，引出接收機(jī)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(yīng)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(fā)平行度標(biāo)定誤差包括隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差兩種。

隨機(jī)誤差包括激光發(fā)射機(jī)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(jī)誤差，測試結(jié)果表明，隨機(jī)誤差小于5μrad。

系統(tǒng)誤差以δs表示，包括CCD的質(zhì)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(zhì)心位置判斷的影響等，具體為：(1)質(zhì)心計算誤差以δ1表示。對于激光發(fā)射器，CCD像元尺寸為9μm，使用12m焦距平行光管，根據(jù)質(zhì)心算法精度，則激光發(fā)射器光軸對準(zhǔn)精度優(yōu)于0.07μrad；(2)衰減片引起的誤差以δ2表示。發(fā)射系統(tǒng)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(tǒng)和激光發(fā)射機(jī)的間距534mm，此項對光軸對準(zhǔn)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(biāo)定系統(tǒng)焦面傾斜通過自準(zhǔn)直調(diào)整，誤差小于0.2°，整個焦面長度36mm，在整個長度范圍內(nèi)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(jīng)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(zhì)心的影響小于0.97μrad；(6)激光光斑不均勻性對質(zhì)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(zhì)心計算的影響可以忽略。

綜合以上誤差項，系統(tǒng)的隨機(jī)誤差如下式所示:

(4)

經(jīng)計算,隨機(jī)誤差為4.1μrad。

收發(fā)平行度標(biāo)定誤差以δ表示，包含系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，如下式所示:

(5)

經(jīng)計算,收發(fā)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(jié)果

采用新的方法測試了激光發(fā)射機(jī)的光軸和發(fā)散角、接收機(jī)的視軸，以及系統(tǒng)的收發(fā)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(jié)果如圖6所示。圖6a為真空20℃工況下激光發(fā)射機(jī)在平行光管焦面的光斑分布，圖6b為真空20℃工況下接收機(jī)在平行光管焦面光斑分布。

測距儀發(fā)散角的測試結(jié)果如圖7所示。激光發(fā)射鏡頭進(jìn)行了真空預(yù)置，常壓下處于離焦?fàn)顟B(tài)，發(fā)散角達(dá)到了160μrad，屬于正?，F(xiàn)象。不同的真空熱試驗工況下，發(fā)散角均小于90μrad，滿足發(fā)散角小于100μrad指標(biāo)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(jī)的視場角測試結(jié)果如圖8所示。接收機(jī)為反射式光學(xué)系統(tǒng)，無真空預(yù)置。不同的真空熱試驗工況下，接收機(jī)視場角均大于550μrad，滿足接收視場角大于550μrad指標(biāo)要求。

根據(jù)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的光斑位置，用(2)式～(4)式計算收發(fā)平行度偏差，不同的真空熱試驗工況下的測試結(jié)果如表2所示。最大偏差14.1μrad，收發(fā)平行度最大允許偏差80μrad，表明系統(tǒng)優(yōu)于指標(biāo)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(jié) 論

本文中針對高能激光損傷風(fēng)險高，提出了一套適用于真空環(huán)境下收發(fā)平行度測試方法，通過設(shè)計一套穿罐光纖照明裝置，實現(xiàn)了真空下接收機(jī)的視軸引出，避免了接收機(jī)APD探測器敏感元件的損傷風(fēng)險。利用此方法測試了資源衛(wèi)星激光測距儀真空不同熱實驗工況下的發(fā)散角和收發(fā)平行度等指標(biāo)，測試結(jié)果表明，發(fā)散角小于90μrad，收發(fā)平行度偏差小于14.1μrad ，滿足指標(biāo)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。