嫦娥一号卫星载激光高度计设计、验证和运行 - 图文

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1 CE-1激光高度计探头和电路箱

表1 CE-1卫星激光高度计主要性能参数

作用距离 月面激光足印大小 激光波长 激光能量 激光脉宽 接收望远镜有效口径 测距频率 测距分辨率 测距不确定度 沿卫星飞行方向上月面足印点距离 200±25km <Ф200m 1064nm 150mJ±10mJ <7ns >120mm 1Hz 1m 5m（3?） ～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P，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z?c?T/2。其中c表示真空中的光速，?T表示激光往返时间。

图２ 激光高度计工作原理

激光发射取样激光器激光探测器遥控遥测接口自卫星距离测量电路数据传输接口有效载荷管理系统电源电路发射光学系统接收光学系统中心控制器激光器电源

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：

Pt?Sr?Tr??1?cos2?Pr?

??R2Pt (1)

式中，

为激光发射功率，Sr为有效接收口径面积，Tr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，R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

WtPt?? (2)

其中，

Wt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2?10-8Pa.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 单脉冲能量 脉冲宽度 脉冲重复频率 1064 nm±1 nm 150 mJ，能量起伏不高于10% 5ns-7ns 1Hz