測量地球的「遊標卡尺」——高分七號如何實現測高儀參數優化

2020-11-23 澎湃新聞

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本文內容摘自《中國測繪》2020年第10期

2019年12月，「高分家族」的新成員——高分七號發射了。作為目前家族中最年輕的測繪衛星，高分七號擁有著亞米級的「火眼金睛」。就測高能力而言，如果將普通測繪衛星比作中小學生最常用的直尺，那麼高分七號就是物理實驗中用於精準測量的遊標卡尺。高分七號能夠高精度地測量地物的平面位置的高度，與中國科學院安徽光學精密機械研製所（以下簡稱「安光所」）研製的高靈敏度雷射脈衝感應探測器有著密切的關係。近日，本刊記者採訪了參與了高分七號測高儀研發與測試的專家劉恩超先生，他將為我們講解高靈敏的雷射脈衝感應探測器如何為高分七號的雷射測高儀參數優化提供支撐。

高分七號測高儀研發與測試專家劉恩超

衛星雷射測高是一種精度高、指向性強的重要對地觀測技術。高分七號的雷射測高儀包含雷射發射器和雷射接收器兩個部分，各部件按照精確的計算安裝在衛星上。高分七號就是憑藉著雷射「一發一收」過程中產生的數據，計算出地物高度。

但是，衛星發射產生的震動以及運行過程中發生的太空環境變化，都會讓發射器與接收器的工作出現微小的偏差，導致測量數據出現誤差。這時，安光所的高靈敏度雷射脈衝感應探測器（以下簡稱「探測器」）就派上了用場。

記者：請您介紹一下安光所研發的高靈敏度雷射脈衝感應探測器的工作原理及優勢。

劉恩超：雷射測高儀將雷射以一定的發散角從衛星平臺發射到地面形成一個有一定半徑的圓形光斑，稱為雷射足印。對於基於地面探測器的星載雷射測高儀在軌幾何檢校而言，雷射足印中心(即雷射發射器指向地面點的確切位置)的確定是在軌幾何檢校的第一步，其精度高低直接影響到檢校的精度。

安光所研發的高靈敏度雷射脈衝感應探測器採用高速電路實現雷射脈衝的連續能量採集，能夠實現（1-120）nJ/cm⊃2;能量範圍的雷射足印捕捉。根據雷射的高斯分布特性，即可對探測器的能量採集結果（散點）擬合出雷射足印的質心曲線，從而實現雷射測高儀的在軌檢校。

安光所研製的衛星精度驗證地面探測器

此外，為了適應高分七號雷射測高儀的外場檢校試驗，安光所在探測器的應用、布設、雜散光濾除、供電、可靠性等方面進行了優化設計。

為了提高探測器應用的便捷性，安光所設計的探測器集成了數碼管顯示單元、水平角度觀測單元、一鍵開機關機等功能，並在野外實驗中得到良好的應用效果；在布設便捷性方面，探測器採用圓形底座+不倒翁的設計方案，確保探測器在沙地、草地、冰面、丘陵等地貌都可以保證1°範圍內的垂直布設精度；在雜散光濾除方面，探測器經過參數核算，定製了雜散光濾除的濾光片，保證了探測器野外應用的信號採集可信度；在提升續航能力方面，探測器採用單機供電的形式，集成了適應於高低溫環境下的鋰電池，同時實現了長時間待機和可充電的功能，增加了野外試驗的方便性；此外，為了提升探測器的可靠性，安光所在光機電的設計方面考慮了耐高低溫、防水防沙防塵、不同場合的運輸等多方面的因素，實現了探測器從實驗室到外場應用的一致性和可靠性，保證了整個野外試驗的成功。

記者：對接高分七號，難點在哪？

劉恩超：高分七號衛星所搭載的測高儀雷射脈衝具有脈寬窄、能量範圍大的特點。因此安光所在探測器研發中選取了以高速能量採集電路為核心的設計方案，以高速光電二極體和數據採集技術獲取不同雷射能量下的連續採集。

經過一系列的研究論證，安光所在探測器設計中採用了基於高度PIN光電探測器作為能量採集方案，利用電荷靈敏前放電路將雷射脈衝轉換為電荷量，通過峰值採樣保持電路實現了不同雷射能量下的數位化輸出電壓。

確定能量採集方案後，探測器的研發還需要攻克兩大難題。一是雷射測高儀發射的雷射脈衝寬度為ns（納秒）量級，探測器需要滿足雷射窄脈衝的高速觸發採集；二是從雷射足印中心到邊沿的雷射脈衝能量不同，探測器需能夠大動態範圍的雷射能量的採集。

為適應高分七號雷射測高儀的在軌檢校，安光所對雷射脈衝探測器進行了定製化的開發。結合整個探測器的設計方案，工作團隊從開關、充電口、鋰電池等器件的選型，到濾光片定製、硬體電路的設計加工全程跟蹤把控質量，甚至於機械件的加工與噴漆等工藝細節都做了最嚴格的把控。最終到探測器系統的組裝，整個工作團隊盡職盡責，高質量地完成了2000多套探測器的製作。

為測試探測器在大動態範圍的條件下的雷射脈衝足印能量探測能力，以及野外高低溫工作環境和不同地表環境布設的適應能力。2020年5月～6月，基於雷射脈衝探測器的「高分七號」衛星雷射測高儀的在軌檢校試驗在內蒙古蘇尼特右旗開展。

整個實驗過程，探測器的布設間距分別為8m、4.5m、3m，有效觸發的探測器數據分別為8個、23個、44個，試驗過程中對雷射測高儀的雙波束都進行了測試。根據試驗中驗證探測器對雷射足印的能量採集結果和應用效果——野外布設條件下探測器實現了（2 1-120）nJ/cm的能量密度範圍的雷射能量探測，其功能和性能都滿足高分七號雷射測高儀的應用需求。

記者：我國雷射脈衝感應探測器的研發和應用處於怎樣的水平？

劉恩超：回首過往，我國雷射脈衝探測器的研發與應用起步較晚，但近年來發展迅速。根據目前發表論文情況，我國從2008年起已有工作團隊進行雷射測高儀的研究工作，但是大多數都是基於地球科學雷射測高系統（GLAS）軟體的研發工作。隨著我國雷射測高儀的發展，安光所從2013年起開展了雷射探測器的研究工作，並研製了雙能級的雷射脈衝響應探測器，結合中科院重點實驗室配備的脈衝雷射器，實現了雷射探測器的實驗室測試。

2016年，搭載雷射測高儀的資源三號02星發射成功。國內的多個團隊聯合進行了雷射測高儀的在軌檢校試驗，試驗中採用八能級的雷射脈衝探測器進行了雷射足印捕捉，此次採用的探測器與美國GLAS在軌試驗的技術一致，這標誌著我國雷射測繪技術步入國際領先行列。2019年，安光所開展了雷射脈衝定量化採集的高靈敏度探測器研製，並在2020年應用到高分七號雷射測高儀的在軌檢校中。未來，伴隨著我國測繪衛星的進一步發展，雷射脈衝感應探測器將更多地應用到雷射測高儀的在軌檢校當中。

文 / 本刊記者 素晴 圖 / 受訪者提供

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