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测量地球的“游标卡尺”——高分七号如何实现

日期:2021-02-26 18:54 作者:滚球体育

  2019年12月,“高分家族”的新成员——高分七号发射了。作为目前家族中最年轻的测绘卫星,高分七号拥有着亚米级的“火眼金睛”。就测高能力而言,如果将普通测绘卫星比作中小学生最常用的直尺,那么高分七号就是物理实验中用于精准测量的游标卡尺。高分七号能够高精度地测量地物的平面位置的高度,与中国科学院安徽光学精密机械研制所(以下简称“安光所”)研制的高灵敏度激光脉冲感应探测器有着密切的关系。近日,本刊记者采访了参与了高分七号测高仪研发与测试的专家刘恩超先生,他将为我们讲解高灵敏的激光脉冲感应探测器如何为高分七号的激光测高仪参数优化提供支撑。

  卫星激光测高是一种精度高、指向性强的重要对地观测技术。高分七号的激光测高仪包含激光发射器和激光接收器两个部分,各部件按照精确的计算安装在卫星上。高分七号就是凭借着激光“一发一收”过程中产生的数据,计算出地物高度。

  但是,卫星发射产生的震动以及运行过程中发生的太空环境变化,都会让发射器与接收器的工作出现微小的偏差,导致测量数据出现误差。这时,安光所的高灵敏度激光脉冲感应探测器(以下简称“探测器”)就派上了用场。

  记者:请您介绍一下安光所研发的高灵敏度激光脉冲感应探测器的工作原理及优势。

  刘恩超:激光测高仪将激光以一定的发散角从卫星平台发射到地面形成一个有一定半径的圆形光斑,称为激光足印。对于基于地面探测器的星载激光测高仪在轨几何检校而言,激光足印中心(即激光发射器指向地面点的确切位置)的确定是在轨几何检校的第一步,其精度高低直接影响到检校的精度。

  安光所研发的高灵敏度激光脉冲感应探测器采用高速电路实现激光脉冲的连续能量采集,能够实现(1-120)nJ/cm⊃2;能量范围的激光足印捕捉。根据激光的高斯分布特性,即可对探测器的能量采集结果(散点)拟合出激光足印的质心曲线,从而实现激光测高仪的在轨检校。

  此外,为了适应高分七号激光测高仪的外场检校试验,安光所在探测器的应用、布设、杂散光滤除、供电、可靠性等方面进行了优化设计。

  为了提高探测器应用的便捷性,安光所设计的探测器集成了数码管显示单元、水平角度观测单元、一键开机关机等功能,并在野外实验中得到良好的应用效果;在布设便捷性方面,探测器采用圆形底座+不倒翁的设计方案,确保探测器在沙地、草地、冰面、丘陵等地貌都可以保证1范围内的垂直布设精度;在杂散光滤除方面,探测器经过参数核算,定制了杂散光滤除的滤光片,保证了探测器野外应用的信号采集可信度;在提升续航能力方面,探测器采用单机供电的形式,集成了适应于高低温环境下的锂电池,同时实现了长时间待机和可充电的功能,增加了野外试验的方便性;此外,为了提升探测器的可靠性,安光所在光机电的设计方面考虑了耐高低温、防水防沙防尘、不同场合的运输等多方面的因素,实现了探测器从实验室到外场应用的一致性和可靠性,保证了整个野外试验的成功。

  刘恩超:高分七号卫星所搭载的测高仪激光脉冲具有脉宽窄、能量范围大的特点。因此安光所在探测器研发中选取了以高速能量采集电路为核心的设计方案,以高速光电二极管和数据采集技术获取不同激光能量下的连续采集。

  经过一系列的研究论证,安光所在探测器设计中采用了基于高度PIN光电探测器作为能量采集方案,利用电荷灵敏前放电路将激光脉冲转换为电荷量,通过峰值采样保持电路实现了不同激光能量下的数字化输出电压。

  确定能量采集方案后,探测器的研发还需要攻克两大难题。一是激光测高仪发射的激光脉冲宽度为ns(纳秒)量级,探测器需要满足激光窄脉冲的高速触发采集;二是从激光足印中心到边沿的激光脉冲能量不同,探测器需能够大动态范围的激光能量的采集。

  为适应高分七号激光测高仪的在轨检校,安光所对激光脉冲探测器进行了定制化的开发。结合整个探测器的设计方案,工作团队从开关、充电口、锂电池等器件的选型,到滤光片定制、硬件电路的设计加工全程跟踪把控质量,甚至于机械件的加工与喷漆等工艺细节都做了最严格的把控。最终到探测器系统的组装,整个工作团队尽职尽责,高质量地完成了2000多套探测器的制作。

  为测试探测器在大动态范围的条件下的激光脉冲足印能量探测能力,以及野外高低温工作环境和不同地表环境布设的适应能力。2020年5月~6月,基于激光脉冲探测器的“高分七号”卫星激光测高仪的在轨检校试验在内蒙古苏尼特右旗开展。

  整个实验过程,探测器的布设间距分别为8m、4.5m、3m,有效触发的探测器数据分别为8个、23个、44个,试验过程中对激光测高仪的双波束都进行了测试。根据试验中验证探测器对激光足印的能量采集结果和应用效果——野外布设条件下探测器实现了(2 1-120)nJ/cm的能量密度范围的激光能量探测,其功能和性能都满足高分七号激光测高仪的应用需求。

  刘恩超:回首过往,我国激光脉冲探测器的研发与应用起步较晚,但近年来发展迅速。根据目前发表论文情况,我国从2008年起已有工作团队进行激光测高仪的研究工作,但是大多数都是基于地球科学激光测高系统(GLAS)软件的研发工作。随着我国激光测高仪的发展,安光所从2013年起开展了激光探测器的研究工作,并研制了双能级的激光脉冲响应探测器,结合中科院重点实验室配备的脉冲激光器,实现了激光探测器的实验室测试。

  2016年,搭载激光测高仪的资源三号02星发射成功。国内的多个团队联合进行了激光测高仪的在轨检校试验,试验中采用八能级的激光脉冲探测器进行了激光足印捕捉,此次采用的探测器与美国GLAS在轨试验的技术一致,这标志着我国激光测绘技术步入国际领先行列。2019年,安光所开展了激光脉冲定量化采集的高灵敏度探测器研制,并在2020年应用到高分七号激光测高仪的在轨检校中。未来,伴随着我国测绘卫星的进一步发展,激光脉冲感应探测器将更多地应用到激光测高仪的在轨检校当中。

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