“資源三號(hào)”02星載激光高度計(jì)收發(fā)匹配設(shè)計(jì)

王春輝 蒙裴貝 李旭 安寧 吳俊 孫建

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“資源三號(hào)”02星載激光高度計(jì)收發(fā)匹配設(shè)計(jì)

王春輝 蒙裴貝 李旭 安寧 吳俊 孫建

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

隨著星載激光高度計(jì)激光發(fā)散角和接收視場(chǎng)越來(lái)越小，對(duì)收發(fā)匹配的要求也越來(lái)越高，必須開(kāi)展星載激光高度計(jì)收發(fā)匹配的仿真設(shè)計(jì)。文章對(duì)星載激光高度計(jì)光機(jī)系統(tǒng)的主要組成進(jìn)行了介紹，分析了影響收發(fā)匹配的因素。針對(duì)激光器仿真技術(shù)不完善的問(wèn)題，提出了基于激光器環(huán)境試驗(yàn)的星載激光高度計(jì)收發(fā)匹配仿真設(shè)計(jì)方法。該方法成功應(yīng)用于“資源三號(hào)”02星激光高度計(jì)的設(shè)計(jì)中，衛(wèi)星飛行所帶來(lái)的收發(fā)不匹配約為47μrad，激光的指向變化和抖動(dòng)小于40μrad，力學(xué)環(huán)境引起的失調(diào)小于35μrad，熱環(huán)境引起的失調(diào)小于45μrad，光學(xué)裝調(diào)精度優(yōu)于20μrad，最終確定接收視場(chǎng)為500μrad?！百Y源三號(hào)”02星激光高度計(jì)目前已經(jīng)在軌工作超過(guò)2年，有效驗(yàn)證了激光高度計(jì)收發(fā)匹配設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)后續(xù)星載激光高度計(jì)收發(fā)匹配設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

星載激光高度計(jì) 收發(fā)匹配 光機(jī)熱集成分析 澤尼克多項(xiàng)式 資源三號(hào)

0 引言

星載激光高度計(jì)利用衛(wèi)星裝載的激光器向地球表面發(fā)射激光，并接收經(jīng)地面反射后的激光回波信號(hào)，根據(jù)激光飛行時(shí)間計(jì)算衛(wèi)星到地面點(diǎn)的距離，再根據(jù)衛(wèi)星位置和飛行姿態(tài)計(jì)算出地面點(diǎn)的坐標(biāo)及高程[1-3]。星載激光高度計(jì)在軌獲取高精度的地面高程信息，可以彌補(bǔ)星載光學(xué)遙感影像三維信息獲取能力的不足，提高其立體測(cè)繪能力[4-6]。星載激光高度計(jì)對(duì)植被空間結(jié)構(gòu)和地形的探測(cè)能力很強(qiáng)，尤其是在林木高度測(cè)量與林木垂直結(jié)構(gòu)信息獲取方面，具有其他遙感技術(shù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[7-8]。星載激光高度計(jì)在三維成像、高精度對(duì)地觀測(cè)和深空探測(cè)等空間領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，NASA已經(jīng)成功發(fā)射了多個(gè)激光高度計(jì)，如火星軌道激光高度計(jì)（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）、近地小行星激光高度計(jì)（Near Earth Asteroid Rendezvous Laser Rangefinder，NLR）、地球科學(xué)激光高度計(jì)（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS）、水星激光高度計(jì)（Mercury Laser Altimeter，MLA）和月球軌道激光高度計(jì)（Lunar Orbiting Laser Altimeter，LOLA）等[9-10]；正在研制的包括作為GLAS后續(xù)任務(wù)的先進(jìn)地形激光高度計(jì)（Advanced Topographic Laser Altimeter System，ATLAS）和地形測(cè)繪激光雷達(dá)（Lidar Surface Topography，LIST）等[11]。歐空局正在研制其首個(gè)行星探測(cè)激光高度計(jì)（BepiColombo Laser Altimeter，BELA），用于水星的地形測(cè)量[12]。中國(guó)于2007年發(fā)射了“嫦娥一號(hào)”激光高度計(jì)，用于月球表面的地形測(cè)量[13]，并于2016年發(fā)射了首臺(tái)用于對(duì)地測(cè)繪的“資源三號(hào)”02星激光高度計(jì)。

為了能正常測(cè)距，必須保證激光接收視場(chǎng)覆蓋激光發(fā)射視場(chǎng)，裝調(diào)時(shí)一般將激光發(fā)射光軸和接收視軸調(diào)成平行[14-16]。星載激光高度計(jì)光機(jī)結(jié)構(gòu)在發(fā)射力學(xué)環(huán)境、入軌后的失重和在軌的熱交變影響下，將影響發(fā)射光軸和接收視軸的平行性，需要增大接收視場(chǎng)以保證對(duì)地表激光足印的覆蓋。但是，為了減小背景光對(duì)高度計(jì)信噪比的影響，接收視場(chǎng)設(shè)計(jì)要盡量小。為了解決光機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與背景光抑制之間的矛盾，需要合理確定接收視場(chǎng)。星載激光高度計(jì)的激光發(fā)射角通常很小，一般為幾十或幾百微弧度，如圖1所示。隨著激光高度計(jì)空間分辨率和測(cè)高精度要求的提高，激光發(fā)散角越來(lái)越小，相應(yīng)的接收視場(chǎng)也越來(lái)越小，兩者間的余量越來(lái)越小，收發(fā)匹配設(shè)計(jì)已經(jīng)成為星載激光高度計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

本文以“資源三號(hào)”02星激光高度計(jì)為例，對(duì)影響星載激光高度計(jì)收發(fā)匹配的因素進(jìn)行了分析。針對(duì)激光器仿真技術(shù)不完善的問(wèn)題，提出了基于激光器熱真空試驗(yàn)的星載激光高度計(jì)收發(fā)匹配仿真設(shè)計(jì)方法并應(yīng)用于“資源三號(hào)”02星激光高度計(jì)的設(shè)計(jì)。

1 激光高度計(jì)收發(fā)匹配光機(jī)熱集成設(shè)計(jì)

1.1 激光高度計(jì)收發(fā)匹配影響因素分析

星載激光高度計(jì)主要包括激光器、擴(kuò)束鏡頭、接收鏡頭、探測(cè)器和用于系統(tǒng)集成的主體結(jié)構(gòu)，“資源三號(hào)”02星激光高度計(jì)如圖2所示。激光器發(fā)出的光經(jīng)擴(kuò)束鏡頭壓縮發(fā)散角后照射地表，決定了激光的發(fā)射光軸和地面足印尺寸。從被測(cè)目標(biāo)反射回來(lái)的激光經(jīng)接收鏡頭匯聚在探測(cè)器上，決定了激光高度計(jì)的接收視軸。激光器、擴(kuò)束鏡頭、接收鏡頭和接收探測(cè)器通過(guò)主體結(jié)構(gòu)集成。

影響收發(fā)匹配的主要因素有：激光高度計(jì)在軌飛行，激光發(fā)射和接收時(shí)刻不同，由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起地表激光足印與接收視場(chǎng)中心偏離；星載激光高度計(jì)在地面光學(xué)裝調(diào)時(shí)，無(wú)法做到激光發(fā)射光軸和接收視軸的絕對(duì)平行，必然存在一定的裝調(diào)誤差；激光高度計(jì)會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)酷的發(fā)射力學(xué)環(huán)境，入軌后的重力釋放狀態(tài)與地面的裝調(diào)狀態(tài)也存在差異，會(huì)造成收發(fā)平行性偏離裝調(diào)狀態(tài)；入軌后的熱環(huán)境與地面測(cè)試狀態(tài)也不同，并且具有周期性的熱交變，光機(jī)結(jié)構(gòu)在熱交變影響下會(huì)引起收發(fā)的不匹配。激光器在各種力熱因素的影響，其出射方向相對(duì)主體結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化[17-19]。GLAS高度計(jì)為了防止收發(fā)失調(diào)，設(shè)計(jì)了一套在軌收發(fā)匹配調(diào)整機(jī)構(gòu)[20]。LOLA高度計(jì)在軌受溫度交變的影響，在低溫段時(shí)，收發(fā)失調(diào)造成探測(cè)概率明顯下降[12]。隨著收發(fā)視場(chǎng)越來(lái)越小，收發(fā)匹配設(shè)計(jì)顯得越發(fā)重要。

1.2 空間光機(jī)結(jié)構(gòu)光機(jī)熱集成仿真分析

基于CAE軟件的光機(jī)熱集成仿真分析方法在空間光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，是目前國(guó)際上解決此類問(wèn)題最廣泛、最有效的手段，其典型流程如圖3所示[21-23]。激光高度計(jì)光機(jī)熱集成仿真分析工作主要包括結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、熱分析、熱力耦合分析、光學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)力學(xué)分析主要進(jìn)行靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析，靜力學(xué)分析主要模擬發(fā)射過(guò)載條件下的應(yīng)力應(yīng)變分析和失重對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響分析；動(dòng)力學(xué)分析主要包括模態(tài)分析、頻率響應(yīng)分析和隨機(jī)響應(yīng)分析，確定系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。熱分析首先根據(jù)軌道參數(shù)進(jìn)行空間外熱流計(jì)算，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)模型及其熱設(shè)計(jì)，模擬入軌后的熱邊界條件開(kāi)展熱仿真，確定入軌后的溫度水平及溫度變化。熱力耦合指因?yàn)闇囟人阶兓皽囟忍荻纫鸬慕Y(jié)構(gòu)應(yīng)力及應(yīng)變，將熱分析的溫度場(chǎng)映射到結(jié)構(gòu)模型中分析光機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變和位移場(chǎng)。Zernike多項(xiàng)式是理想的結(jié)構(gòu)分析與光學(xué)分析程序之間的接口工具，仿真分析得到的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和位移場(chǎng)，可以通過(guò)Zernike多項(xiàng)式擬合的方法將鏡片位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光學(xué)系統(tǒng)仿真所需的鏡片剛體位移和鏡面面形參數(shù)[24-25]。將鏡片的剛體位移和鏡面變形等光學(xué)參數(shù)帶入光學(xué)軟件開(kāi)展光學(xué)分析，確定光學(xué)系統(tǒng)的性能變化。對(duì)于激光高度計(jì)的擴(kuò)束鏡頭和接收鏡頭，可以采用該光機(jī)熱集成仿真分析流程。

1.3 星載激光器指向測(cè)量

激光器為出射光源，影響其指向的因素較為復(fù)雜，包括激光晶體和泵浦源性能的不均勻性、晶體熱透鏡效應(yīng)、振動(dòng)引起的光機(jī)零件的應(yīng)變及位移，以及激光器自身溫度及環(huán)境溫度所引起的零部件熱變形和位移[26-28]。激光器本身瞬時(shí)發(fā)熱量很大，屬于時(shí)變邊界條件的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題[29]。因此，通過(guò)仿真分析方法確定激光出射方向及其變化非常困難。通過(guò)熱真空環(huán)境模擬試驗(yàn)，可以對(duì)其出射方向及抖動(dòng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量[12,17-19,30]。如圖4所示，將激光器安裝在真空罐內(nèi)，模擬其在軌溫度環(huán)境。引入?yún)⒖技す?，照射激光器上的基?zhǔn)鏡，反射光通過(guò)離軸拋物鏡匯聚到焦面上。激光器發(fā)射的光同樣經(jīng)離軸拋物鏡匯聚到焦面上。在焦面上用CCD器件對(duì)基準(zhǔn)鏡反射的參考光和激光器發(fā)出的光同時(shí)成像，根據(jù)像點(diǎn)的相對(duì)位置及變化即可確定激光器相對(duì)結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)的指向及指向變化。

1.4 星載激光高度計(jì)收發(fā)匹配設(shè)計(jì)

將光機(jī)熱集成分析方法和激光指向測(cè)量相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)激光高度計(jì)的收發(fā)匹配設(shè)計(jì)，如圖5所示。通過(guò)力學(xué)和熱耦合仿真分析，確定擴(kuò)束鏡頭和接收鏡頭的應(yīng)變及位移，以及主體結(jié)構(gòu)變形。根據(jù)擴(kuò)束鏡頭和接收鏡頭的應(yīng)變場(chǎng)及位移場(chǎng)，通過(guò)Zernike多項(xiàng)式擬合的方法，建立力學(xué)環(huán)境和熱環(huán)境影響下的新光學(xué)模型。將激光器出射方向矢量和指向抖動(dòng)的實(shí)測(cè)值按最大包絡(luò)的方式確定最惡劣的指向變化，并帶入新的擴(kuò)束鏡頭光學(xué)模型，確定新的激光出射方向矢量。根據(jù)新的接收鏡頭光學(xué)模型確定接收視軸方向矢量。激光出射方向矢量和接收視軸方向矢量的夾角即為視軸的失調(diào)量，從而可以確定星載激光高度計(jì)在力學(xué)環(huán)境和熱環(huán)境影響下的收發(fā)失調(diào)量。

2 收發(fā)匹配設(shè)計(jì)在“資源三號(hào)”02星激光測(cè)距儀上的應(yīng)用

“資源三號(hào)”02星激光高度計(jì)激光器采用高峰值功率半導(dǎo)體激光二極管（Laser Diode，LD）陣列側(cè)面泵浦棒狀激光晶體，電光主動(dòng)調(diào)Q工作體制，通過(guò)半導(dǎo)體制冷器對(duì)LD陣列進(jìn)行雙向溫控，如圖6所示。

擴(kuò)束鏡頭對(duì)激光器出射激光的發(fā)散角進(jìn)行壓縮，采用伽利略型望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，如圖7（a）所示，系統(tǒng)放大倍率為18倍，系統(tǒng)波相差優(yōu)于0.04。接收光學(xué)鏡頭匯聚地表反射的激光，采用RC系統(tǒng)作為主光學(xué)系統(tǒng)，采用透鏡形成平行光路用于放置窄帶濾光片，如圖7（b），焦距600mm。

按照1.4中所述的仿真分析流程，建立了激光高度計(jì)的有限元模型，如8（a）所示，并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)環(huán)境分析，向1n重力下的位移場(chǎng)如圖8（b）所示，極端熱工況的結(jié)構(gòu)變形如圖9所示。然后將光學(xué)元件的位移場(chǎng)通過(guò)Zernike多項(xiàng)式擬合的方式導(dǎo)入光學(xué)分析軟件中計(jì)算重力釋放和溫度引起的收發(fā)失調(diào)量。激光高度計(jì)由于重力釋放引起的收發(fā)失調(diào)小于35μrad，極端熱環(huán)境引起的收發(fā)失調(diào)小于45μrad。對(duì)光學(xué)裝調(diào)方案開(kāi)展了精度分析，裝調(diào)精度優(yōu)于20μrad。按照?qǐng)D4中所示的方法，實(shí)測(cè)激光器在熱試驗(yàn)中和力學(xué)試驗(yàn)前后總的指向變化和抖動(dòng)約為40μrad。

“資源三號(hào)”02星激光高度計(jì)工作在500km的軌道，激光發(fā)散角為0.1mrad，對(duì)應(yīng)地面足印約為50m。由于衛(wèi)星飛行所帶來(lái)的收發(fā)不匹配約為47μrad。按最大包絡(luò)考慮，總的失調(diào)量為上述各分量的和，即187μrad?？紤]一定的設(shè)計(jì)余量，確定接收視場(chǎng)半角為250μrad，全視場(chǎng)設(shè)計(jì)為500μrad，如圖10所示。在后續(xù)的產(chǎn)品研制過(guò)程中，對(duì)“資源三號(hào)”02星激光高度計(jì)在各種環(huán)境試驗(yàn)前后的收發(fā)匹配情況進(jìn)行了測(cè)試，收發(fā)匹配滿足設(shè)計(jì)要求?！百Y源三號(hào)”02星激光高度計(jì)于2016年5月發(fā)射，入軌后工作正常，在軌時(shí)間超過(guò)2年，驗(yàn)證了該方法的有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)影響星載激光高度計(jì)收發(fā)匹配的因素進(jìn)行了分析，結(jié)合激光器熱真空條件下的指向測(cè)量，將傳統(tǒng)的空間光機(jī)結(jié)構(gòu)光機(jī)熱集成仿真分析方法應(yīng)用于星載激光高度計(jì)收發(fā)匹配設(shè)計(jì)中，并在“資源三號(hào)”02星激光高度計(jì)收發(fā)匹配設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，產(chǎn)品入軌后穩(wěn)定運(yùn)行，證明了該方法的有效性。

本文的設(shè)計(jì)方法以及“資源三號(hào)”02星激光高度計(jì)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后續(xù)的星載激光高度計(jì)收發(fā)匹配設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)和參考意義。當(dāng)光機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性無(wú)法滿足收發(fā)匹配設(shè)計(jì)要求時(shí)，必須在軌進(jìn)行收發(fā)匹配調(diào)整。

[1] 姬劍鋒, 焦文海, 胡國(guó)軍. 衛(wèi)星激光測(cè)高原理及其測(cè)距精度估算[J]. 測(cè)繪技術(shù)裝備, 2005, 7(2): 46-49. JI Jianfeng, JIAO Wenhai, HU Guojun. Principle and Ranging Accuracy Evaluation of Spaceborne Laser Altimeter[J]. Geomatics Technology and Equipment, 2005, 7(2): 46-49. (in Chinese)

[2] 趙少卿, 張雛. 激光大氣傳輸特性仿真及對(duì)激光測(cè)距的影響[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2013, 50(11): 110101. ZHAO Shaoqing, ZHANG Chu. Simulation on Atmospheric Transmission Characteristic of Laser and Its Impact on Laser Ranging[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2013, 50(11): 110101. (in Chinese)

[3] 王建宇, 洪光烈. 激光主動(dòng)遙感技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 激光與紅外, 2006, 36(z1): 742-748. WANG Jianyu, HONG Guanglie. Technologies and Applications of Laser Active Remote Sensing[J]. Laser & Infrared, 2006, 36(z1): 742-748. (in Chinese)

[4] 岳春宇, 何紅艷, 鮑云飛, 等. 星載激光高度計(jì)幾何定位誤差傳播分析[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(2): 81-86. YUE Chunyu, HE Hongyan, BAO Yunfei, et al. Study on Error Propagation of Space-borne Laser Altimeter Geometric Positioning[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(2): 81-86. (in Chinese)

[5] 岳春宇, 鄭永超, 陶宇亮. 星載激光測(cè)高儀輔助衛(wèi)星攝影測(cè)量淺析[J]. 航天返回與遙感, 2013, 34(4): 71-76. YUE Chunyu, ZHENG Yongchao, TAO Yuliang. Study on Space-borne Laser Altimeter Supported Satellite Photogrammetry[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2013, 34(4): 71-76. (in Chinese)

[6] 鄧永濤, 李旭, 顏凡江. 一種星載激光測(cè)距儀姿態(tài)的確定方法及誤差分析[J]. 航天返回與遙感, 2015, 36(3): 86-91. DENG Yongtao, LI Xu, YAN Fanjiang. Attitude Determination Method and Error Analysis of Space-borne Laser Range Finder[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2015, 36(3): 86-91. (in Chinese)

[7] 龐勇, 李增元, 陳爾學(xué), 等. 激光雷達(dá)技術(shù)及其在林業(yè)上的應(yīng)用[J]. 林業(yè)科學(xué), 2005, 41(3): 129-136. PANG Yong, LI Zengyuan, CHEN Erxue, et al. Lidar Remote Sensing Technology and Its Application in Forestry[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(3): 129-136. (in Chinese)

[8] 吳南, 孫世君, 李旭. 星載激光測(cè)距儀全波形測(cè)距技術(shù)[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(3): 68-75. WU Nan, SUN Shijun, LI Xu. Space-borne Laser Full-wave form Ranging Technology[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(3): 68-75. (in Chinese)

[9] 李松. 星載激光測(cè)高儀發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J]. 光學(xué)與光電技術(shù), 2004, 2(6): 4-6. LI Song. Recent Progress of Spaceborne Laser Altimeter System[J]. Optics and Optoelectronic Technology, 2004, 2(6): 4-6. (in Chinese)

[10] 王春輝, 李旭, 彭歡. 星載全波形激光測(cè)高儀仿真分析技術(shù)研究[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2015, 52(10): 270-276. WANG Chunhui, LI Xu, PENG Huan. Research on Simulation and Analysis of Spaceborne Full Waveform Laser Altimeter[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2015, 52(10): 270-276. (in Chinese)

[11] YU A W, KRAINAK M A, SUN X, et al. Spaceborne Laser Instruments for High-resolution Mapping[C]//Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2010.

[12] GOUMAN J, BECK T, AFFOLTER M, et al. Measurement and Stability of the Pointing of the BepiColombo Laser Altimeter under Thermal Load[J]. Acta Astronautica, 2014, 105(1): 171-180.

[13] WANG J, SHU R, CHEN W, et al. Laser Altimeter of CE-1 Payloads System[J]. Physics, Mechanics & Astronomy, 2010, 53(10): 1914-1920.

[14] 陳育偉, 何志平, 胡以華, 等. 主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助光校方法研究[J]. 激光與紅外, 2006, 36(1): 54-57. CHEN Yuwei, HE Zhiping, HU Yihua, et al. The Study of the Technology of Computer Aided Calibration on Active Optical System[J]. Laser & Infrared, 2006, 36(1): 54-57. (in Chinese)

[15] 狄慧鴿, 王建宇, 舒嶸. 激光雷達(dá)雙軸配準(zhǔn)度的測(cè)試[J]. 紅外與激光工程, 2009, 38(1): 131-134. DI Huige, WANG Jianyu, SHU Rong. Measurement of Lidar′s Co-boresight Alignment Margin[J]. Infrared and Laser Engineering, 2009, 38(1): 131-134. (in Chinese)

[16] 徐代升, 黃庚華, 舒嶸, 等. 星載激光高度計(jì)綜合性能分析[J]. 紅外, 2005(1): 1-8. XU Daisheng, HUANG Genghua, SHU Rong, et al. Performance of Spaceborne Laser Altimeter[J]. Infrared, 2005(1): 1-8. (in Chinese)

[17] 顏凡江, 鄭永超, 陶宇亮. 星載激光測(cè)距系統(tǒng)中激光器技術(shù)分析及發(fā)展展望[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(4): 70-77 YAN Fanjiang, ZHENG Yongchao, TAO Yuliang. Analysis and Prospects of Laser Technology of Space-borne Range Measurement System[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2012, 33(4): 70-77. (in Chinese)

[18] LUKEMIRE A, MELAK A, YU A W, et al. The Geoscience Laser Altimeter System Laser Transmitter[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2007, 13(3): 511-536.

[19] YU A W, SHAW G B, STEPHEN M, et al. Design Considerations of the LOLA Laser Transmitter[C]// Lasers and Applications in Science and Engineering. International Society for Optics and Photonics, 2007.

[20] HAKUN C, BUDINOFF J, BROWN G, et al. A Boresight Adjustment Mechanism for Use in Laser Altimeters[C]// Proceedings of the 37th Aerospace Mechanisms Symposium.Galveston, TX, United States, 2004.

[21] 趙振明, 于波, 蘇云, 等. 基于真空試驗(yàn)的熱光學(xué)集成分析方法[J]. 航天返回與遙感, 2013, 34(1): 60-66. ZHAO Zhenming, YU Bo, SU Yun, et al. Thermal Optical Analysis Method Based on Vacuum Test[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2013, 34(1): 60-66. (in Chinese)

[22] 趙振明, 于波, 蘇云. 基于熱平衡試驗(yàn)的某空間相機(jī)熱光學(xué)集成分析[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(4): 51-58. ZHAO Zhenming, YU Bo, SU Yun. Thermal Optical Analysis on Space Camera Based upon Thermal Balance Test[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(4): 51-58. (in Chinese)

[23] 劉巨, 薛軍, 任建岳. 空間相機(jī)光機(jī)熱集成設(shè)計(jì)分析及關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2009, 30(2): 422-427 LIU Ju, XUE Jun, REN Jianyue. Review of Research on Integration Design of Structural, Thermal and Optical Analysis with Key Technique of Space Camera[J]. Journal of Astronautics, 2009, 30(2): 422-427. (in Chinese)

[24] 趙源, 張殿富, 王洪偉. 某空間望遠(yuǎn)鏡光機(jī)熱集成分析[J]. 激光與紅外, 2012, 42(4): 404-407. ZHAO Yuan, ZHANG Dianfu, WANG Hongwei. Integrated Thermal-structural-optical Analysis of a Space Telescope[J]. Laser & Infrared, 2012, 42(4): 404-407. (in Chinese)

[25] 單寶忠, 王淑巖, 牛憨笨, 等. Zernike多項(xiàng)式擬合方法及應(yīng)用[J]. 光學(xué)精密工程, 2002, 10(3): 318-323. SHAN Baozhong, WANG Shuyan, NIU Hanben, et al. Zernike Polynomial Fitting Method and its Application[J]. Optics and Precision Engineering, 2002, 10(3): 318-323. (in Chinese)

[26] 周小紅, 任曉明, 李柱, 等. 激光器光學(xué)系統(tǒng)光機(jī)熱集成分析方法[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2013, 25(11): 2851-2855. ZHOU Xiaohong, REN Xiaoming, LI Zhu, et al. Thermal-structural-optical Integrated Analysis Method of Laser Optical System[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2013, 25(11): 2851-2855. (in Chinese)

[27] 王歆天. 燈泵浦激光器指向性的研究[D]. 長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué), 2011. WANG Xintian. Research on Directive Property of Lamp-pumped Laser[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2011. (in Chinese)

[28] 李兵斌, 宋小鹿, 王石語(yǔ), 等. DPL輸出激光指向性研究[J]. 紅外與激光工程, 2006, 35(5): 593-596. LI Bingbin, SONG Xiaolu, WANG Shiyu, et al. Directive Property of the Laser Beam in DPL[J]. Infrared and Laser Engineering, 2006, 35(5): 593-596. (in Chinese)

[29] 王石語(yǔ), 過(guò)振, 傅君眉, 等. 激光二極管抽運(yùn)固體激光場(chǎng)分布的熱不穩(wěn)定性研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2003, 52(2): 355-361. WANG Shiyu, GUO Zhen, FU Junmei, et al. Effect of the Pump Light on the Beam Quality of the Diode Pumped Laser[J]. Acta Physica Sinica, 2003, 52(2): 355-361. (in Chinese)

[30] YU A W, SHAW G B, LIIVA P. Thermal Vacuum Testing of the Lunar Orbiter Laser Altimeter Engineering Model Laser[J]. Proc SPIE, 2007, 6451: 49.

Design of Boresight Alignment for Spaceborne Laser Altimeter of theZY-3(02) Satellite

WANG Chunhui MENG Peibei LI Xu AN Ning WU Jun SUN Jian

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

With the rapid decrease of the laser transmitter divergence and the receiver field of view, the requirements in boresight alignment of spaceborne laser altimeter are becoming extremely rigorous, thus requiring the integrated simulation in design necessarily. At first, the subassemblies in the optomechanical system of spaceborne laser altimeter are introduced, and the factors having influence on boresight alignment are analyzed. The thermal-structural-optical integrated analysis method and procedure for boresight alignment are proposed in order to improve the present simulation methods in altimeter. The proposed method has been applied in the design of ZY-3(02) satellite laser altimeter, and some important parameters are as followed: the error in boresight alignment from the satellite movement is about 47μrad; the boresight stability and pointing jitter is less 40μrad; the angular shifts caused by mechanical and thermal environment are about 35μrad and 45μrad separately; the alignment deviation error is about 20μrad, and the receiver field of view is about 500μrad. ZY3-02 satellite has operated on orbit for more than one year, which shows the validity of the design in boresight alignment and can be a reference for the subsequent missions.

spaceborne laseraltimeter; boresight alignment; thermal-structural-optical integrated analysis; Zernike polynomial; ZY-3 Satellite

TP73

A

1009-8518(2018)05-0081-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.05.011

王春輝，男，1983年生，2010年獲西安交通大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)樾禽d激光探測(cè)有效載荷技術(shù)。E-mail：xjtuchwang@foxmail.com。

2018-01-22

（編輯：龐冰）