基于InGaAs单光子探测器的线阵扫描激光雷达及其光子信号处理技术研究

随着探测体系的发展,基于单光子探测技术的光子计数激光雷达受到了广泛关注,有效降低了系统对激光功率的需求,广泛应用在远距离测距及成像领域。针对激光雷达在人眼安全波段的工作需求,基于自由运转模式InGaAs/InP SPAD单光子探测器设计了一套多元收发的远程线阵光子计数激光雷达扫描成像原型系统,对探测器在日光背景下的探测概率影响因素展开了分析,配合主动淬灭电路设计及工作温度、偏压调整获得了系统的最佳工作点,并针对扫描视场中孤立目标特征采用了点云滤波及后脉冲预处理算法,将单个接收通道的原始数据率由200 kbps量级降低至小于1 kbps。与记录单次回波相比,单个测距周期记录四次回波可将有效数据量提升约5%。同时也对探测器的噪声及后脉冲等特性进行了分析。该系统工作波段为1550 nm,探测器线阵规模可达到128元,激光重频为20 kHz,可在2 s内实现水平200°范围内的激光三维成像,作用距离>3 km。经过成像算法处理,该系统在日光条件下成功实现多距离目标三维成像,成像目标清晰。

空间位姿测量中面阵点云CPD方法的优化及验证

面阵激光成像雷达可以实现瞬态三维探测,适用于运动平台及非合作目标的位姿测量。针对相邻像元间具有串扰特性的面阵非均匀格网型稀疏点云,提出了一种适用于空间非合作目标位姿测量的多视角点云自动配准方法。该方法基于改进的相干点漂移(Coherent Point Drift, CPD),将目标点云视为观测数据集,源点云视作为高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)的质心点集。利用贝叶斯后验概率公式及期望最大化(Expectation-Maximum, EM)方法,对构造的GMM模型似然函数进行求解,在寻优过程中通过点云重叠特性对运算点集的权值参数进行自适应调整。对单次EM迭代后源点云间距离残差进行排序,选取最优变换点云对使用最近邻方法建立局部扰动量,得到每次漂移迭代的空间变换矩阵。为了避免陷入局部解,通过监督点云均方误差更新率,对参与漂移运算的点集属性进行交替。针对空间配准目标,建立了两种近似运行下的阵列成像仿真工况。试验结果表明:在强背景及像元模糊干扰下,该配准框架具有鲁棒性优势,其结果平均最大公共点集测度相对于粗+精组合配准框架提升约61%,可应用于空间面阵平台下的非合作目标位姿测量。

高分七号卫星激光测高仪分系统关键技术设计与实现

针对1∶10000比例尺立体测绘对高程控制点的需求,高分七号激光测高仪分系统在传统激光脉冲式距离测量技术的基础上,通过可见光光学被动成像与激光接收光学复合设计方案,同时获取激光足印在地物影像上的二维方位信息和大足印内的多回波波形,并对激光指向在轨监测关键技术进行了设计实现。关键技术仿真及试验结果表明:激光足印平面定位精度可达到5μrad,对强度变化33 dB内的回波测距均值最大变化3.3 cm。在轨监测数据表明:激光发射光轴稳定性优于0.5μrad,无云区域回波探测概率达到100%。测量获取的具备5μrad平面精度、1 m高程精度的激光落点可为1∶10000比例尺测绘提供高质量的控制点信息。

空间激光测高技术发展及展望

空间激光测高技术通过在天基平台搭载脉冲激光测距仪,实现行星表面形貌信息获取,是开展对地和深空探测的重要手段。系统梳理了空间激光测高技术的发展历史和现状,提出应向多波束观测、近海及岛礁水下地形探测、激光主动多光谱探测这三个方向发展,建议开展近红外波段单光子探测、超窄带光学滤波、多光子分辨探测、单光子数据星上预处理、高转换效率激光及非线性光频变换关键技术研究,促进我国空间激光测高技术的进一步发展。

轻小型全天时远程光子计数激光雷达系统技术

对提升激光雷达作用距离的方法进行了分析,针对2 km以上的远程探测应用,提出了一种轻小型能够全天时工作的光子计数激光三维成像雷达解决方案,可用于轻小型飞行器制导,无人机、直升机、船舶导航与避障,铁路轨道障碍物探查等有远程探测需求的应用场合。该系统采取光子计数高探测灵敏度方案,光学应用收发共光路设计,收发望远镜巧妙采用了共轭光学设计,二维扫描机构放置于望远镜的后方,不但扩大了望远镜口径,提升了作用距离,同时也缩减了扫描镜尺寸,有利于扫描速度的提高,激光收发采取窄发散角和瞬时视场共视场扫描设计,再结合超窄带滤波器的应用,使得系统能够实现强烈背景噪声条件下的工作。最后讨论了高重频微脉冲激光器、发射杂散光干扰、偏振激光雷达适应性以及光子计数背景滤波去噪处理技术等技术难点。

星载激光测高仪高精度波形数字化获取技术研究

星载激光测高仪通过测量激光发射脉冲与激光接收回波脉冲之间的时间间隔,与光速常量进行计算获得与激光落点之间的相对距离。"高分七号"卫星激光测高仪采用高速数字化回波获取技术,可以在地表反射率变化、倾斜地形、林木及城市建筑复杂回波等场景下工作,为高程控制提供精确的距离信息。实验室室内标定结果表明,在强度变化33dB条件下,回波测距均值最大变化为3.3cm,距离测量方差优于3cm(1σ)。

激光测高仪接收望远镜杂散光仿真分析与试验

针对高分7号卫星在轨运行环境,建立激光测高仪杂散光仿真模型,针对空间环境三种光线来源,定量分析光机结构的杂散光特性,提出利用百叶窗次镜遮光罩和外遮光罩的抑制结构,以消除直射杂散光影响。通过点源透过率试验,模拟轨道环境,测试出不同轴外视场的杂光比最大仅为1×10^-3,满足卫星指标要求。验证结果表明:无直射杂光时,多次反射造成的杂散光比例不影响卫星图像对比度。

基于大数据多视场传函计算的星载相机焦面标定方法

为了精准标定星载相机在轨焦面位置,提出了一种基于大数据多视场光电传递函数过焦曲线的计算方法,即采用大数据处理办法,排除温度梯度、振动等测试环境影响,计算得到多视场光电传递函数,并测试计算不同焦面位置下的传递函数,绘制过焦曲线,标定焦面。通过该方法,实现了有效光学口径为600 mm,焦距为2597 mm的高分七号卫星正样激光测高仪系统中两通道可见光足印相机的焦面标定,位置标定精度小于0.02 mm,各个视场传递函数优于0.35(31线对/毫米)。经高分七号在轨图像验证,大数据多视场光电传递函数计算方法完全满足现有星载相机的标定精度和像质要求。

高分七号卫星双波束激光测高仪在轨几何检校与试验验证

高分七号卫星装载了国内首台双波束对地观测激光测高仪,用于辅助两线阵光学相机实现1∶1万立体测图。由于卫星发射时的振动及入轨后空间环境变化,激光测高仪在轨指向等参数相对于实验室标定值发生较大偏移,直接影响激光测高精度。针对高分七号双波束激光测高仪,本文提出了由粗到精的“两步法”在轨几何检校方案。首先,构建单波束激光在轨几何检校模型,基于特殊波形分析来估算激光足印落点位置信息,实现单波束激光指向粗检校;然后,以单波束激光在轨几何检校模型为基础,构建双波束激光在轨几何检校模型,在大气延迟改正、潮汐改正等基础上,采用地面探测器阵列捕获光斑,实现双波束激光指向测距联合检校。最后,采用平静湖面上的激光测高数据和地面控制数据,分别验证激光检校后相对和绝对高程测量精度。试验结果表明:高分七号卫星激光高程测量相对精度优于0.06 m(1σ),平坦地区的绝对测高精度达到0.10 m(1σ)。

高分七号卫星激光测高仪光斑质心位置变化分析

高分七号卫星搭载了我国首个具备全波形记录能力的对地观测激光测高仪,可以大范围地获取高精度三维坐标,其定位精度高度依赖于激光指向角的测量精度。针对数据特点,提出了一种阈值约束的椭圆拟合光斑质心提取算法,并建立了长周期指向角稳定性监测与分析系统。首先,用阈值法确定激光光斑轮廓的边缘;其次,通过腐蚀操作消除孔隙、噪声的影响;然后,通过椭圆拟合进一步约束激光光斑的形状,保留光斑的特征参数;最后,通过灰度重心法提取质心坐标。实验结果表明:光斑的质心位置在1.4 pixel内变化,对应的指向角度每月在0.434″内变化,较为稳定。文中相关算法、结论对我国后续激光测高卫星研制、指向稳度监测具有一定的借鉴意义。

距离门宽度对单光子激光测高卫星探测概率及测距精度的影响

针对距离门对单光子激光测高卫星探测概率以及测距精度的影响,结合激光雷达方程、单光子探测方程进行理论推导,采用不同宽度的距离门分析讨论,并利用蒙特卡洛方法进行模拟仿真试验。通过理论分析和仿真试验证明,距离门宽度对于探测概率影响不大,对于虚警概率具有较大影响,距离门为100ns时,测距误差可以满足激光测高卫星的测距要求,当距离门宽度超过400ns时,噪声占比会较大,测距精度会急剧下降,需要在数据后处理阶段采用精细化的滤波算法提取有效探测光子,保证测量精度。为保证对同一点重复观测25次,根据ICESat-2卫星的激光载荷参数,推导出光斑大小、光斑间距、激光重频三者之间的定量化关系。相关结论对于后续国产单光子激光测高卫星的设计与指标论证可提供一定参考。

高分七号激光测高中全波形回波数据的EMD降噪

针对具有多个高度层的复杂场景,全波形激光测高系统记录的回波信号中往往带有较高的噪声,采用合适的降噪方法将有助于提高计算激光测距的精确性、反演地物垂直结构和构建目标特征参数的准确性。根据高分七号激光测高在轨探测的低信噪比全波形数据的特性,采用经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)方法来构建典型的本征模函数(Intrinsic mode function,IMF),对于分解出多个不同尺度IMF的筛选,比较了使用去除高频分量,阈值选取、Wavelet选取和去趋势波动分析(Detrended fluctuation analysis,DFA)等方法与策略,通过降噪效果及定量评价,测试结果表明EMD-DFA1与EMD-1IMF对高分七号激光测高的全波形数据具有较好的降噪效果,其次为EMDWavelet和EMD-Threshold。另外通过EMD-DFA1对单个波峰、混叠波峰、多个波峰等不同情况的全波形数据测试,结果表明该方法具有较好的自适应性。

高分七号卫星激光测高仪无场几何定标法

无场几何定标是未来多波束激光测高卫星面临的一个关键问题。本文针对高分七号(GF-7)线性体制全波形激光测高仪,提出了一种基于地形和波形匹配的无场分步定标方法。在深入分析高分七号卫星激光测高仪特点的基础上,构建了严密几何定位模型,采用公开版的地形参考数据和某地区1∶2000高精度的DOM和LiDAR-DSM基础地理信息成果,开展了在轨无场几何定标试验,显著提高了高分七号卫星激光测高数据精度。在2020年上半年受新冠肺炎影响未进行外场定标期间,有效解决了激光测高数据处理无定标参数的实际困难。本文对无场定标结果与高分七号实际外场定标结果进行对比验证,结果表明,无场定标结果与实际落点位置的平面误差为11.597±3.693 m,最小值为7.115 m,平坦地区高程精度优于0.3 m,虽然略低于外场定标结果,但能满足1∶10000高程控制点测量需求。

基于InGaAs探测器的日光条件光子计数实验

介绍了基于InGaAs单光子探测器的日光条件测距实验,通过压缩激光接收视场、使用超窄带滤光片、结合超快主动淬灭电路等降低InGaAs单光子探测器死时间的方法,成功地进行了基于InGaAs单光子探测器的日光条件光子计数测距实验。分析实验数据,分别获取基于InGaAs探测器和Si基探测器的系统探测灵敏度、系统测距精度等参数,并进行比较。实验结果表明:经过高速主动淬灭电路优化后的InGaAs探测器,其死时间与Si基探测器的死时间相当;在背景光噪声一定的情况下,使用InGaAs探测器可以提高系统的探测灵敏度,从而增加系统的最大测程;得益于InGaAs探测器的低抖动时间,在提高系统最大测程的同时,系统的测距精度不受影响。

Laser altimeter of CE-1 payloads system

The design and operation of the Laser Altimeter of CE-1 Payloads System are presented in this paper.The paper includes the design of the system and spacecraft-level laser,the description of the emitting-system and receiving system,and the testing of the laser altimeter.The CE-1 laser altimeter is the first Chinese deep-space probe using a laser.It has one beam and operates at 1 Hz,with a nominal accuracy of 5 m.The laser altimeter has operated successfully in lunar orbit since November 28,2007.It has obtained 9120 thousand data values about the lunar altitude.