1 武汉大学电子信息学院, 湖北 武汉 430072
2 中国资源卫星应用中心, 北京 100094
作为我国自主研制的首颗1∶10000比例尺立体卫星,高分七号(GF-7)卫星搭载的全波形激光测高仪和双线阵光学相机为全球范围内数字高程模型的建立提供了新的途径。为确定激光脚点在双线阵立体影像中的位置,进而实现两者的复合测绘功能,监视激光指向的足印相机和双线阵相机一般需要在白天同时工作,以确定激光光斑在双线阵相机图像坐标系下的位置。采用同步曝光模式时,足印相机中的光斑图像往往与地物和云层重叠,在强背景噪声条件下由足印相机图像提取的光斑中心精度较差,甚至无法提取光斑中心。基于多轨足印相机图像的分析,激光器在连续工作时,光斑中心随其工作时间的增加在X方向正向偏移并呈现一定的线性,其线性变化规律受激光器出光能量波动的影响;而在Y方向上则基本稳定,可以采用分段线性拟合、数据插值的方式来获取强背景噪声条件下光斑中心的位置,从而提升激光数据的利用效率。激光指向的变化规律也为后续激光载荷系统误差标定与计算提供了依据和参考,也为后续激光测高仪数据的分析和处理提供了新的思路。
遥感 高分七号卫星 激光测高仪 激光指向 足印相机 强背景噪声 光斑中心 光学学报
2021, 41(23): 2328003
南京航空航天大学理学院, 江苏 南京 211106
为了实现激光束对充电目标的高精度瞄准,基于双目成像的几何光学原理,提出了一种由两个相机组成的双目瞄准系统,通过分析相机、激光发射端口、充电目标的相对位置关系,优化双目相机与激光发射端口的位置,得到实现高精度瞄准的技术方案,从理论和实验上实现了横向、纵向较大范围内的高精度瞄准。理论计算和实验测量结果表明,该系统在选用焦距为20 mm的相机镜头时,对距离激光发射端口为3 m处、面积为4 m×4 m的平面上各点的瞄准误差不超过1.6 mm;使用焦距为50 mm的镜头时,该系统对纵向区域上距离激光发射端口10 m内的目标的瞄准误差不超过2 mm。因此该系统瞄准精度高,且装置简单,操作方便,是一种可用于激光充电技术的高效便捷瞄准方法。
机器视觉 激光充电 双目视觉 激光瞄准 激光与光电子学进展
2021, 58(14): 1415006
1 中国科学院上海天文台，上海 200030
2 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，江苏 南京 210008
1 064 nm波长大气透过率高、天空背景辐射小，采用该波长激光开展卫星测距，有助于提升测距系统的探测能力，已成为国际测距技术的重要发展趋势之一。采用2.2 nm窄带滤光片，计算并测试了白天情况下1 064 nm波长测距系统的噪声，验证了该滤光片在白天对背景噪声的抑制效果。基于圆心光路调节方法，夜间借助红外相机实现了1 064 nm波长激光发射光路与机械轴的重合度调节，保证了全天区优于5″的激光指向精度，解决了白天观测条件下1 064 nm波长激光精确指向问题。采用重复频率为1 kHz、功率为5 W的1 064 nm激光器，建立了1 064 nm波长白天卫星激光测距试验系统，最远获得了地球同步轨道卫星的有效回波数据，实现了1 064 nm波长白天激光测距。试验研究将为我国1 064 nm在远距离卫星激光测距、空间碎片漫反射激光测距方面的应用与发展奠定了技术基础。
卫星激光测距 1 064 nm 白天 同步轨道卫星 激光指向 satellite laser ranging 1 064 nm daytime geosynchronous orbit satellite laser pointing 红外与激光工程
2020, 49(10): 20200021
Author Affiliations
Abstract
1 Institute for Advanced Study, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
2 Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education and Guangdong Province, College of Optoelectronic Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
In laser-pointing-related applications, when only the centroid of a laser spot is considered, then the position and angular errors of the laser beam are often coupled together. In this study, the decoupling of the position and angular errors is achieved from one single spot image by utilizing a neural network technique. In particular, the successful application of the neural network technique relies on novel experimental procedures, including using an appropriate small-focal-length lens and tilting the detector, to physically enlarge the contrast of different spots. This technique, with the corresponding new system design, may prove to be instructive in the future design of laser-pointing-related systems.
artificial neural networks laser pointing pointing errors High Power Laser Science and Engineering
2020, 8(3): 03000e28
为了获取高精度的月面高程,需要对激光器的指向误差进行准确估计。月球轨道激光高度计(LOLA)在轨工作期间,由于月球昼夜温度相差较大,夜晚的激光指向相对白天存在很大偏移。首先建立光斑偏离接收视场中心时探测器接收能量的理论模型,并基于该模型分析光斑偏移量与相对接收能量的理论关系,进而提出一种基于光斑能量的激光指向误差的估算方法。随后,使用测绘轨道期间(12个月)LOLA经过Aestuum地区产生的能量数据,并将能量数据与估算方法相结合,估算出LOLA在月球夜晚时的激光指向误差在沿轨方向为140.62 μrad,在垂轨方向为-413.17 μrad,该结果与LOLA地球扫描实验和利用轨道交叉点处高程数据推导的结果基本一致。
遥感 月球轨道激光高度计 在轨标定 激光指向误差 能量数据
1 国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心, 北京 100048
2 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 江苏 南京 210023
3 武汉大学 电子信息学院, 湖北 武汉 430079
高精度在轨几何定标是星载激光测高仪有效应用的基础, 在参考国外 冰、云和陆地高程卫星(Ice, cloud and land Elevation Satellite, ICESat)卫星搭载的地球科学激光测高系统(Geo-science Laser Altimeter System, GLAS)几何定标的基础上, 提出了一种基于地面红外探测器的星载激光测高仪几何定标方法。采用资源三号02星上搭载的国内首台试验性对地观测激光测高仪的真实数据开展了实验验证。实验结果表明: 地面红外探测器能有效捕捉到激光测高仪对地发射的激光信号, 几何定标方法能有效消除指向角的系统误差项, 标定后平面绝对精度可提高到15.0 m左右, 而华北某地高精度地形数据验证表明其绝对高程精度可提高到1.09 m, 少量点高程误差小于0.5 m。虽然精度水平离国外GLAS还有一定差距, 但相关结论能为后续国产激光测高卫星的优化设计、数据处理与应用提供参考。
几何定标 红外探测器 星载激光测高仪 激光指向 geometric calibration infrared detector satellite laser altimeter laser pointing 红外与激光工程
2017, 46(11): 1117004
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
为提高地面激光瞄准系统对运动目标的瞄准精度, 研究了目标的运动特性, 并对不同提前量算法的计算精度进行分析。从航天器和天体的运动规律出发, 建立一种基于双行根数(TLE)星历表的地平坐标系下的航天器轨道动力学模型, 研究了航天器在地平坐标系下斜距、角度、角速度、角加速度的变化规律; 根据理论轨道数据, 分析了激光瞄准系统的一、二阶瞄准提前量的变化规律; 针对实际非时间连续系统, 分别用后向差分法和中心差分法对提前量进行误差分析。研究结果表明, 目标的角速度、角加速度及急动度等高阶项均对瞄准提前量有直接影响, 中心差分提前量算法更具优势。
测量 激光瞄准 瞄准提前量误差 中心差分法 航天器
1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院光束控制重点实验室, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 徐州空军学院, 江苏 徐州 221000
瞄准偏差和光束抖动，会导致光束到达靶面能量的损失，是光束瞄准系统中两个最主要的误差。分析了以高斯光束和高斯抖动为基础的光束在照明目标时产生的光回波信号的特性；在此基础上，搭建了实验室平台，实现了基于二维爬山法的光束闭环瞄准，讨论了光束抖动对光束瞄准实时性的影响，分析了不同抖动强度下光束瞄准的精度。实验结果表明：爬山算法无需已知目标和光束分布的任何信息，即可实现光束回波闭环瞄准，且性能优良；但随着光束抖动的增加，其瞄准所需回波信号样本增大，瞄准精度降低。
大气光学 光束瞄准系统 爬山法 回波信号 瞄准偏差 光束抖动 光学学报
2012, 32(12): 1201003
1 中国科学院光电技术研究所， 四川 成都 610209
2 中国科学院光束控制重点实验室， 四川 成都 610209
3 中国科学院研究生院， 北京 100049
瞄准偏差和光束抖动是光束瞄准系统中的两个最重要的误差。对以高斯光束和高斯抖动为基础的光束瞄准目标时产生的光回波信号进行数学建模；结合极大似然估计算法理论，建立并完善了基于回波信号的光束瞄准误差估计模型；并编写程序实现了Monte Carlo模型仿真，搭建了实验室平台。仿真和实验结果表明，极大似然估计算法表现出了优良的性能，能够同时准确地估计出瞄准偏差和光束抖动，信号样本越大其估计精度越高，且实验结果和仿真结果吻合得很好。在此基础上，根据实时偏差估计实现了实验室光束闭环瞄准实验。
大气光学 光束瞄准系统 瞄准偏差 光束抖动 极大似然估计 回波信号
1 中国科学院光电技术研究所自适应光学研究室, 四川 成都 610209
2 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
3 中国科学院研究生院, 北京 100049
激光发射系统通常受到瞄准误差的影响，使得发射光束的中心偏离靶目标，造成能量传输损失和系统性能下降。激光对目标照明后的散射回光信号可以反映瞄准误差的信息，通过对散射回光信号的测量可以对瞄准误差进行修正来提高激光发射系统的瞄准性能。研究了一种基于目标照明回光的瞄准误差修正方法。利用目标回光信息与瞄准误差的关系，通过随机并行梯度下降（SPGD）算法对瞄准误差进行校正，分析了影响瞄准误差校正精度的因素。实验数据验证了理论分析结果。
激光瞄准系统 照明回光 瞄准误差 随机并行梯度下降算法
