嫦娥一号卫星载激光高度计

嫦娥一号卫星载激光高度计作者（中国科学院上海技术物理研究所上海 200083）摘要嫦娥一号卫星载激光高度计在我国是第一次作为航天产品来研制，在工作模式、元器件工作、工作环境保证和测试方法方面引入了新的技术问题。

激光高度计的成功运行证明了其在系统设计等方面的正确性和合理性。

本文介绍了CE-1卫星激光高度计的系统设计，包括系统总体设计、发射系统设计和接收系统设计，阐述了其主要的设计原则和技术路线；分析和总结了空间激光器的设计和激光高度计的空间适应性设计；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。

关键词: 嫦娥一号卫星，激光高度计，系统设计中图分类号：TN247 文献标识码：AChang’E-1 Satellite Laser Altimeterauther(Shanghai Institute of Technical Physics Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China) Abstract: The Chang’E-1 Satellite Laser Altimeter, developed to Moon, is designed to measurethe planet’s topography by laser ranging. It is the first time to develop space-borne laser altimeter in china. The Chang’E-1 Satellite Laser Altimeter has gained useful datum and obtained the scientific objectives. This proved that the laser altimeter’s design is reasonable. A description of the laser altimeter system was presented. The design included emitting system, received system, space environmental adaptability, space laser, prelaunch measurement and on-orbit operation situation.Keywords：Chang’E-1 Satellite, Laser Altimeter, system design1.引言激光高度计是我国于2007年发射的第一颗月球探测卫星嫦娥一号（CE-1）的有效载荷之一。

其实现了获取卫星星下点月表地形高度数据的任务，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。

激光高度计技术是从激光测距中演化来的，激光测距在我国的应用已经有好多年的历史，但是在此前仅限于在地面或机载的情况，CE-1激光高度计是我国第一个星载激光高度计，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。

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激光高度计共获取307轨有用数据，根据这些科学数据得到全月面的DEM示意图如图2所示。

图2 激光高度计307轨探测数据制作的全球DEM示意图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，它是通过测量激光回波脉冲相对于发射激光脉冲之间的时间延迟来测量的。

图3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τ的脉冲激光，目标表面返回的散射光为光学系统接收。

激光高度计整体光路结构采取激光发射系统和接收系统光轴平行的方式。

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2/T c z ∆=。

其中c 表示真空中的光速，T ∆表示激光往返时间。

图3 激光高度计工作原理 发射光学系统接收光学系统激光探测器激光发射取样数据传输接口距离测量电路激光器电源中心控制器有效载荷管理系统激光器电源电路遥控遥测接口自卫星图4 激光高度计总体框图激光高度计在其内置的单片机产生的控制时序下同步工作。

系统的总同步脉冲周期为1秒，每秒钟提供一个距离数据。

在总同步脉冲的触发下，电路箱内的电路给出一个激光触发脉冲给激光器控制电路，它控制激光器电源开始储能，经过约200us 后，激光器控制器的调Q脉冲控制激光输出，与此同时一个激光发射的主波启动信号送到时间测量电路作为测距的启动信号，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。

在下一个测距周期到来之前，数据管理系统将所存储的距离和时间信息读出。

在一个测距周期内不测距（测距时间不到1.5ms）的时间内，要进行主要点状态参数监测、温度测量、温度控制，同时接收载荷数据管理系统提供数据注入。

激光高度计系统的总体框图如图4所示。

2.2 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，主要由激光发射器和激光驱动电子学两部分组成。

激光发射器包括激光谐振腔相关的光学元件、调Q电子线路盒，其出光方向处安装激光扩束器，与接收望远镜并行放置。

激光驱动电子学放置在激光谐振腔外，包括激光二极管驱动控制、储能电容、激光器电源等。

发射系统的设计指标影响到激光测距仪的最大工作距离和工作寿命。

对于星载激光高度计，由于其作用距离较远，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，一般都采用Nd:YAG 主动电光调Q激光器作为发射激光器。

为了不增大激光器主体尺寸，同时又保证小的激光发散角，在激光器前采用激光光束扩束准直技术，用于调整发射光束的发散角。

由于发射激光能量很强，激光扩束镜采用伽利略式的球面透镜系统，由一负镜、一正镜组成，这样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；光路较短，且结构简洁。

扩束镜的扩束倍数为5倍。

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激光发射系统的技术指标如表2所示。

表2 激光发射系统性能参数工作波长1064 nm±1 nm单脉冲能量150 mJ，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 接收光学系统设计接收望远镜常用的结构有反射式、折射式（透射式）和折反射式等。

接收望远镜的光学设计需要保证激光发射轴与望远镜视轴平行，并且望远镜的瞬时视场大于激光束的发散角，从而保证目标反射回的激光能量始终落在望远镜的接收视场中心附近。

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。

光学系统组成图如下所示。

图6 接收光学系统设计结构图光学系统设计结果如表6所示。

表3 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外形尺寸（mm）140×178（到像面）扩束倍数 5.6×2.3.2 激光回波接收电路设计图7 激光回波接收电路原理框图激光探测电路的关键器件是雪崩二极管探测器，采用国产器件SPD-052探测器，信号处理模块和偏压控制模块分别采用西南技术物理所生产的TGA-91和ABS-91，这两种模块满足军用要求。

激光回波接收电路的原理框图如图7所示。

2.4 激光高度计的空间适应性设计嫦娥一号卫星的发射和空间运行环境比较复杂，空间的太阳辐照、紫外辐照、真空、极端温度、等离子体、带电粒子辐射都有可能给系统带来很大的影响，所以在系统设计时要充分考虑到空间环境给系统结构、光学和电路带来的影响，并进行相应的空间适应性设计。

CE-1卫星激光高度计的研制过程中在材料选型、结构厚度、防辐照加固等方面进行了辐照分析与设计，并进行了紫外辐照、钴60总剂量辐照、单粒子效应试验。

2.4.1 结构的空间适应性设计激光高度计是一种主动光学系统，对结构的稳定性要求很高，它需要保证发射和接收光学系统保持很稳定的同轴关系，这给结构的强度和抗震性、热变形特性提出了非常高的要求，尤其是激光器部分，其光学部件之间的位置关系误差要在秒级范围之内。

所以，在机械结构设计时，采取了高强度、高温度稳定性设计，周密设计外形结构和布局。

为了满足力学环境，激光光学元件的安装均采用螺钉直接固定方式，通过修磨基座来调整光路，一旦调整完成后，采用螺钉固定。

这种结构在模样完成后，按照力学环境鉴定级实验要求，进行了测试，在测试前后的性能测试中，没有发现松动，震碎以及性能下降的现象。

结构设计还须满足电子元器件的电磁屏蔽和防辐照要求，所以电子电路箱等关键元器件的铝板厚度都不小于3mm。

2.4.2 光学的环境适应性设计激光高度计为单波长工作系统，为了增加探测灵敏度，探测器采用灵敏度极高的雪崩管。

雪崩管响应波长为0.4-1.1um，极容易受到外部太阳光线的影响。

在光学系统中设计了窄带滤光片和中继光学镜组，以便减少太阳光直射和辐照对探测器的影响。