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：A

Chang’E-1 Satellite Laser Altimeter

auther

(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 measure

the 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 design

1.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%