一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器的制作方法

本发明涉及光辐射测量、卫星遥感器定标和测绘卫星地面精度检校技术领域，尤其涉及一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器。

背景技术

高分辨率对地观测系统重点专项是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》部署的重大科技专项之一，围绕建立我国战略性空间基础设施的目的，统筹建设由天基、临近空间、航空、地面和应用五大系统组成的新一代对地观测系统，以满足国家经济建设、社会发展和国家安全的需求。

将星载激光测高技术应用于高分辨率光学立体测绘卫星，辅助航天摄影测量以提高卫星定位精度特别是高程方向的精度已成为一种重要的技术手段。国内学者对星载激光测高数据辅助卫星摄影测量进行了分析与仿真实验验证，利用icesat/glas数据与资源三号影像联合平差，可将资源三号影像无控定位精度从5m左右提高到2m。

由星载激光测高原理可知，激光测高仪在轨获取数据的同时，利用星上搭载的gps、星敏感器、陀螺仪等载荷同步获取一定频率的轨道、姿态等几何参数，是一个涉及测时、测姿以及测轨等载荷协同工作的复杂过程，这种多载荷集成的特点使得影响激光测高几何精度的误差来源更多样、特性更复杂。因此，明确误差来源并建立相应的误差探测与补偿机制是确保星载激光测高精度的前提。

相对于激光测高仪技术的快速发展，我国激光测高仪发射后定标技术研究滞后，开展定标系统设备研制和方法研究已经成为我国激光测高仪定标急需解决的问题。针对星载激光测高仪的定标需求和高程精度检验需求，通过激光脉冲探测器，捕获激光足印光斑，结合星载激光测高的严密几何定位模型，实现激光指向角误差和测距误差的在轨标定，对促进我国星载激光测高技术的发展和大比例尺测绘卫星的发展和工程实践，具有非常大的科学意义和应用价值。

技术实现要素：

本发明目的就是为了弥补已有技术的，提供一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器。探测器的发明是基于待机工作模式、激光脉冲触发采集与计时工作模式、无线发射模式三种工作模式，实现激光脉冲能量采集、激光脉冲触发计时、野外可靠性工作等功能；基于该探测器的应用，可以为激光测高仪地面精度检校提供提供准确的观测数据。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：包括有探测器保护外壳，探测器保护外壳的上表面设置有杂散光抑制滤光片、上电开关、复位开关、射频天线、授时模块，探测器保护外壳内部设置有自主供电单元、激光响应指示灯、激光能量采集电路、探测器控制电路、射频通信模块，探测器保护外壳底部固定在安装底座上；所述复位开关、激光响应指示灯连接到激光能量采集电路上，授时模块、射频通信模块、自主供电单元电连接到探测器控制电路上，上电开关与自主供电单元电连接，激光能量采集电路与探测器控制电路双向连接，射频通信模块与射频天线通信连接；所述探测器控制电路可控制激光脉冲探测器工作于三种不同工作模式：待机工作模式、激光脉冲触发采集与计时工作模式、信息无线发送模式。

所述的一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：所述探测器保护外壳的上表面贴有探测器保护与指示膜。

所述的一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：所述上电开关与复位开关分别以螺纹孔方式固定到探测器保护外壳上表面，上电开关与复位开关的上表面均不高于探测器保护外壳上表面。

所述的一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：所述杂散光抑制滤光片放置到探测器保护外壳上表面的凹形孔内，并采用螺纹圈和弹垫固定；所述杂散光抑制滤光片放置到探测器保护外壳上表面的中心位置，与激光能量采集电路的探测器中心位置保持一致。

所述的一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：所述射频天线以通孔方式固定在探测器保护外壳上表面，内部采用螺帽固定，并保证射频天线的外壳不与探测器保护外壳金属接触。

所述的一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：所述授时模块以尼龙螺丝固定到探测器保护外壳的上表面，同时授时模块中自带的陶瓷天线水平朝上。

所述的一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：所述激光响应指示灯固定到激光能量采集电路上，个数不少于八个，所述探测器保护外壳、探测器保护与指示膜上开设有与激光响应指示灯个数相同的通孔，激光响应指示灯的顶端穿出所述通孔。

所述的一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：所述探测器保护外壳内壁上开螺纹孔，螺纹孔上增加铜柱，所述激光能量采集电路、探测器控制电路依次固定到铜柱上。

所述的一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：所述探测器保护外壳的下表面采用磁铁的方式固定到安装底座上，安装底座为锥形设计。

所述的一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：所述激光能量采集电路和探测器控制电路采用对接接插件的方式将信号输入与输出连接到一起；自主供电单元的引线连接到探测器控制电路的电源接插件上，并且受上电开关的控制；射频通信模块采用电焊接方式固定到探测器控制电路上，射频通信模块的天线引脚电连接到探测器保护外壳上的射频天线上；授时模块的五路电源与信号引线连接到探测器控制电路的对应接口上；复位开关连接到激光能量采集电路上；激光响应指示灯焊接到激光能量采集电路上，并可实现指示灯从探测器保护外壳上表面伸出。

所述的一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：激光脉冲探测器在通过上电开关上电后，经过探测器控制电路完成授时、射频通信模块、激光响应指示灯的初始化，在激光脉冲达到后，激光响应指示灯会根据能量大小给出相应的显示，并将到达时间与能量信息以无线射频方式发射出去，通过复位按键可完成初始化，等待下次的触发。

所述的一种激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器，其特征在于：激光脉冲探测器可工作于三种不同的工作模式：一是待机工作模式，此模式下探测器实现存储数据读取和计时触发等待，二是激光脉冲触发采集与计时工作模式，此模式下获得激光脉冲的能量采集结果和触发计时的结果，三是无线发射模式，此模式下实现探测器能量和时间数据以射频方式发送到接收端。

本发明的激光脉冲探测器用于激光测高仪的地面定位精度在轨检校的方法如下：

激光测高仪在轨定标与精度检验是负责对激光测高仪的指向角和测距误差进行定标，为激光数据处理及特征参数提取提供精确的校正参数；同时对激光测高仪指向角稳定性以及高程精度进行检验，验证在轨定标综合效能。主要功能包括：

（1）根据卫星轨道预报制定试验方案，组织实施外场试验，包括设备布设和试验数据采集等；

（2）对采集和观测数据进行处理和分析，获取测距误差、指向角误差的校正参数；

（3）对采集和观测数据进行处理，评价指向角稳定和高程精度；

（4）对试验方案、试验场采集数据、试验场观测数据、定标成果进行存储和管理。

在地面场范围按一定规则布设激光足印探测器阵列，用于捕获激光足印的能量信号/几何信息/达到时间信息。当探测器阵列响应到激光足印的辐射能量时，利用探测器内部的光电转化模块，获取被触发的探测器的电压值。

由被触发的探测器的电压值及探测器已知位置，计算得到激光足印质心的坐标，作为激光足印中心地面坐标真实值。最后，利用激光测高严密几何定位模型的逆向矩阵求解出测距误差和指向角误差。

本发明的有益效果在于：

本发明以实现激光测高仪地面定位精度在轨检校的数据获取，在光辐射测量、卫星遥感器定标和测绘卫星检校技术领域具有重要的应用前景。

附图说明

图1为激光脉冲探测器示意图。

图2为激光脉冲探测器整体工作流程图。

具体实施方式

可实现激光测高仪地面定位精度在轨检校的激光脉冲探测器如图1所示，包括探测器保护与指示膜1、杂散光抑制滤光片2、上电开关3、射频天线4、探测器保护外壳5、复位开关6、自主供电单元7、授时模块8、激光响应指示灯9、激光能量采集电路10、探测器控制电路11、射频通信模块12、安装底座13。

激光能量采集电路10和探测器控制电路11采用对接接插件的方式将信号输入与输出连接到一起；自主供电单元7的引线连接到探测器控制电路11的电源接插件上，并且受上电开关3的控制；射频通信模块12采用电焊接方式固定到探测器控制电路11上，射频通信模块12的天线引脚电连接到探测器保护外壳5上的射频天线4上；授时模块8的五路电源与信号引线连接到探测器控制电路11的对应接口上；复位开关6连接到激光能量采集电路10上；激光响应指示灯9焊接到激光能量采集电路11上，并可实现激光响应指示灯从探测器保护外壳5上表面伸出。

激光脉冲探测器在通过上电开关3上电后，经过探测器控制电路11完成授时、射频通信模块12、激光响应指示灯9的初始化，在激光脉冲达到后，激光响应指示灯9会根据能量大小给出相应的显示，并将到达时间与能量信息以无线射频方式发射出去，通过复位按键可完成初始化，等待下次的触发。

实际应用是首先将杂散光抑制滤光片2、上电开关3、射频天线4、复位开关6固定到探测器保护外壳5的上表面上，然后将探测器保护与指示膜1贴在上表面。自主供电单元7、授时模块8、激光响应指示灯9、激光能量采集电路10、探测器控制电路11、射频通信模块12按照探测器组装要求安装到一起，从探测器保护外壳5的底部固定到内部，最终整个探测器放置到安装底座13上部，完成整体组装。

当激光脉冲到来后，激光响应指示灯9会显示触发状态与触发能量范围，授时模块8获得激光到来的时间，最终数据经过激光能量采集电路10、探测器控制电路11处理后，利用射频通信模块12发射到接收端。

探测器的工作流程如图2所示。（1）探测器经过自动供电单元7和上电开关3对探测器主控电路11和激光能量采集电路10供电；（2）探测器主控电路11对射频通信模块12和北斗授时模块8进行初始化，并获得北斗授时模块8的时间信息；（3）当激光脉冲照射到激光能量采集电路10上，探测器的采集信息发送到探测器主控电路11上，并通过激光响应指示灯9显示获得能量大小；（4）探测器主控电路11根据激光能量采集电路10发送的能量进行计算，并得到激光的达到时间；（5）采集到的能量和时间信息通过射频通信模块12和射频天线4发送到接收端。

激光脉冲探测器可以实现~nj/cm²能量密度、ns级脉宽的激光脉冲的能量采集，整个电路包括光电探测电路、电荷灵敏前放电路、峰值保持电路、信号数字化采集电路。激光测高仪的激光脉冲照射到探测器上，经过光电探测电路将激光脉冲转换为电荷量，然后通过电荷灵敏前放电路进行积分得到电压信号，通过峰值采样保持电路保持峰值，在信号峰值时进行信号数字化获取激光能量。

激光脉冲探测器采用绝对授时模块和相对计时模块实现~100ns量级高精度触发计时功能，其中绝对授时模块绝对精度为20ns、1s刷新一次，相对计时模块采用25m时钟进行数据刷新，数据刷新精度为40ns。激光脉冲探测器触发后停止计时模块功能，将绝对授时模块和相对计时模块的时间进行累加，得到优于100ns精度的探测器模块对激光脉冲的计时响应。

激光脉冲探测器的射频无线测控功能是激光脉冲探测器触发后，无线模块将触发探测器的能量采集密度、脉冲捕捉时间、探测器模块经纬度信息以射频发射方式传递到接收端，获取捕捉的能量信息和捕捉时间。射频无线测控功能通信距离可达到500m，探测器模块发送的时间间隔为45ms，可以满足端对端探测器的发送不相互干扰。

杂散光抑制功能是针对探测器工作在晴朗无云、太阳直射的环境条件，探测器的高灵敏度易受太阳光直射及阴影晃动影响，引起的激光采集能量的错误，为避免足印探测器对能量采集的差距进行杂散光抑制技术设计。在光学设计中根据激光足印的能量等级分布和太阳光的光通量值，合理选择滤光片带宽，将有效信号光通过、杂散光进行消除可以达到杂散光抑制的要求。

激光脉冲探测器模块可工作于开机待机工作模式、激光脉冲触发采集与计时工作模式、信息无线发送模式三种不同工作模式，具体是，探测器上电后自主工作于待机工作模式，可进行数据读取和激光触发；激光照射后，探测器工作于触发采集和计时工作模式，实现激光能量的采集和触发时间的获取，并将数据存储；存储后，探测器工作于信息无线发射模式，将获取的能量信息和时间信息以射频方式传输，完成整个过程。