安装在航天器用于深空探测的曝光式激光三维成像雷达的制作方法

1.本发明涉及航天器空间光电测量与感知技术领域，尤其涉及一种安装在航天器用于深空探测的曝光式激光三维成像雷达。


背景技术：

2.随着激光三维成像技术的快速发展，激光三维成像在航天重大工程任务中的应用愈加普遍，激光三维成像技术在航天器空间交会对接、空间态势感知、碎片监测、空间在轨操控、地外天体着陆、深空探测等领域将发挥重要作用。
3.nasa研制的mems扫描式激光三维成像雷达采用了mems扫描镜，其体积重量很小，在扫描速度上具有较高的技术优势，由于mems扫描镜的镜面尺寸较小，接收光学系统孔径受限，其作用距离也受限，此外，镜面尺寸小导致激光出射光斑较小，使得激光发散角较大，图像分辨率精度受到限制，成像时间0.1秒，但作用距离仅40米(参考技术文件：barry l.stann,jeff f.dammann,mark del giorno，etal.integration and demonstration of mems-scanned ladar for robotic navigation[j].proc.of spie,2014,vol.9084,90840j和barry l.stann,john f.dammann,mark m.gizaa，et al.mems-scanned ladar for small unmanned air vehicles[j].proc.of spie,2018,vol.10636,106360e)。美国osiris-rex小天体探测任务的无扫描闪光式激光雷达(flash lidar)采用ingaas探测器，实现了毫秒级瞬时成像，但测距精度仅为15cm(3-sigma)量级、重量高达6.9kg(参考技术文件：beth a.sornsin,bradley w.short,tyler n.bourbeau，et al.global shutter solid state flash lidar for spacecraft navigation and docking applications[j].proc.of spie,2019,vol.11005,110050w.)。
[0004]
深空探测任务对航天器上配套产品的重量、功耗、体积等指标要求极高。基于采用航天器进行深空探测的需要，亟需一种成像作用距离大、成像精度高、成像时间短，满足深空探测轻小型化应用需求的曝光式激光三维成像雷达。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种安装在航天器用于深空探测的曝光式激光三维成像雷达，能够实现成像作用距离大、成像精度高、成像时间短，满足深空探测轻小型化应用需求。
[0006]
为了实现上述目的，本发明提供了一种安装在航天器用于深空探测的曝光式激光三维成像雷达，
[0007]
包括处理部和探头部；
[0008]
所述处理部包括电源板、处理板、fpga板、总线板和激光器，所述电源板、处理板、fpga板、总线板和激光器之间信号连接；
[0009]
所述探头部包括光束扩束器、准直隔离器、接收望远系统、盖革焦平面组件、读出电路以及驱动与温控电路，所述光束扩束器、准直隔离器、接收望远系统、盖革焦平面组件、读出电路以及驱动与温控电路安装于探头壳体上；
[0010]
其中，所述电源板提供一次电输入接口，一次电经过所述电源板转换后经所述总线板为所述处理板、fpga板和激光器提供所需的二次电源输入，经电缆为所述探头部提供所需的二次电源输入；
[0011]
所述fpga板控制所述探头部成像和激光器，所述激光器根据所述fpga板的指令发出激光脉冲，所述fpga板能够给所述驱动与温控电路下达曝光成像指令，所述驱动与温控电路接收曝光成像指令，并与所述驱动与温控电路完成信号同步；
[0012]
所述处理板用于接收所述探头部传递并经所述fpga板预处理后的三维数据、存储，并对获取的三维数据进行处理，获取被测目标的三维形貌，同时与外部通讯；
[0013]
所述准直隔离器通过光纤与所述激光器相连，所述激光器发出的激光脉冲经所述准直隔离器准直后到达所述光束扩束器，经所述光束扩束器扩束后到达被测目标，经所述被测目标反射后进入所述接收望远系统，所述盖革焦平面组件接收来自接收望远系统收集的光学能量；
[0014]
所述读出电路采用片上锁相环电路实现每个单元的计时操作，当探测信号产生时，所述读出电路的单元电路通过阈值检测，在每个距离开关结尾处，单元不能敏感雪崩信号来记录中止计数值，屏蔽距离门外无效的雪崩事件；
[0015]
所述驱动与温控电路用于驱动所述盖革焦平面组件，控制所述盖革焦平面组件的温度，所需的电源由所述电源板经电缆的二次电源提供。
[0016]
可选地，所述接收望远系统的视场与所述光束扩束器的视场相等。
[0017]
可选地，所述光束扩束器的扩束视场为20
°×
20
°
。
[0018]
优选地，所述接收望远系统的焦距为35.72mm，弥散斑不大于25μm，光学效率不低于85％，前端设置有窄带滤光片，中心波长与激光脉冲的波长一致。
[0019]
优选地，所述激光脉冲中心波长为1064
±
2nm，峰值功率不小于60kw，重复频率5khz～20khz之间可调，脉冲宽度为2ns。
[0020]
优选地，所述准直隔离器准直后的激光光斑直径为8mm，发散角为0.2mrad。
[0021]
优选地，盖革焦平面组件的像元大小为30μm，像元阵列不小于128*128，时间分辨率0.5ns，暗计数不大于20khz，距离门宽度50ns～2μs可调，像元间距100μm。
[0022]
可选地，所述处理板对获取的三维数据进行处理过程如下：
[0023]
a、直方图统计滤波
[0024]
假设曝光式激光三维成像雷达在静止状态或运动状态下对场景进行了连续n次测量，其中10≤n≤100，对于相面上的每一个像素，绘制其在连续n次测量中的斜距统计直方图，设置bin的宽度为1m，剔除大的离群点，保留个数最多的bin和它的两个邻域；
[0025]
b、多项式滤波
[0026]
对某像素直方图滤波后的斜距进行多项式滤波，具体方法为线性最小二乘拟合：
[0027][0028]
y＝xβ+ε (2)
[0029]
其中，yn表示经直方图滤波后某像素在第n帧图像中的测量斜距，xn表示测量时间，εn表示测量误差，则多项式系数的拟合方法为：
[0030][0031][0032]
计算拟合残差：
[0033]
fri＝y
i-f(xi)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0034]
去除小的离群点，直至rms收敛：
[0035]
abs(fr)》σ
fr
×
rms(fr) (6)
[0036]
c、rms滤波
[0037]
利用拟合残差的rms，去除一部分小的离群点：
[0038]
abs(y-mean(y))》rms(fr) (7)
[0039]
d、动态补偿
[0040]
假设曝光式激光三维成像雷达与被测目标之间保持相对静止，并设置先验相对位姿，连续获取100帧图像，并为每帧图像的各个像素添加均值μ＝0，方差σ2＝0.0001的高斯测量噪声，设置整图虚警率75％，用来模拟暗计数引起的测量噪声，暗记数噪声服从均匀分布，引入平台动态条件，进行动态补偿。
[0041]
可选地，所述总线板与所述电源板、处理板、fpga板和激光器之间通过线缆或者内接插件信号连接。
[0042]
优选地，所述驱动与温控电路能够将所述盖革焦平面组件的温度控制到-40℃，稳定度为0.1℃。
[0043]
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明的安装在航天器用于深空探测的曝光式激光三维成像雷达，通过准直隔离器发出脉冲激光到达被测目标表面，接收望远系统接收被测目标的回波信号后，将光信号引入盖革焦平面组件实现光电转化，由读出电路读出数据，经数据传输线缆实时传回到处理部进行数据处理，完成被测目标表面的三维形貌测绘，实现成像作用距离大、成像精度高、成像时间短，满足深空探测轻小型化应用需求。
附图说明
[0044]
本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。
[0045]
图1是本发明实施例中一种安装在航天器用于深空探测的曝光式激光三维成像雷达各部连接关系示意图；
[0046]
图2是本发明实施例中曝光式激光三维成像雷达的工作流程示意图；
[0047]
图3是本发明实施例中曝光式激光三维成像雷达中直方图统计滤波效果示意图；
[0048]
图4是本发明实施例中曝光式激光三维成像雷达中多项式滤波效果示意图；
[0049]
图5是本发明实施例中曝光式激光三维成像雷达中rms滤波效果示意图；
[0050]
图6是本发明实施例中对三维数据进行处理过程中假设静态获取深度示意图；
[0051]
图7是本发明实施例中对三维数据进行处理过程中获取的动态补偿后深度示意图。
[0052]
图中：
[0053]
100：处理部；
[0054]
101：电源板；
[0055]
1011：电源板电连接器；
[0056]
102：处理板；
[0057]
1021：通讯电连接器；
[0058]
1022：测试电连接器；
[0059]
103：fpga板；
[0060]
1031：数据传输电连接器；
[0061]
104：总线板；
[0062]
105：激光器；
[0063]
200：探头部；
[0064]
201：光束扩束器；
[0065]
202：准直隔离器；
[0066]
203：接收望远系统；
[0067]
204：盖革焦平面组件；
[0068]
205：读出电路；
[0069]
206：驱动与温控电路；
[0070]
300：供电线缆；
[0071]
400：信号同步线缆；
[0072]
500：数据传输线缆；
[0073]
600：光纤；
[0074]
700：被测目标。
具体实施方式
[0075]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0076]
fpga板(fpga:field-programmable gate array，现场可编程逻辑门阵列)。
[0077]
参见图1所示，本实施例提供的安装在航天器用于深空探测的曝光式激光三维成像雷达，包括处理部100和探头部200。其中处理部100包括电源板101、处理板102、fpga板103、总线板104和激光器105。所述电源板101、处理板102、fpga板103、总线板104和激光器105之间信号连接，具体地，可以是通过线缆连接，也可以是通过内接插件连接。优选地采用内接插件连接。
[0078]
探头部200包括光束扩束器201、准直隔离器202、接收望远系统203、盖革焦平面组件204、读出电路205和驱动与温控电路206，光束扩束器201、准直隔离器202、接收望远系统203、盖革焦平面组件204、读出电路205和驱动与温控电路206安装于探头壳体上。
[0079]
电源板101有电源板电连接器1011，实现一次电输入，并与探头部200之间有供电
线缆300，实现对探头部的二次供电。
[0080]
处理板102设有通讯电连接器1021，实现对外的rs422通讯；设有测试电连接器1022，用于整机底面测。
[0081]
fpga板103有数据传输电连接器1031，实现对外的数据传输。fpga板103与探头部200之间有信号同步线缆400，实现与探头部之间的信号同步；与探头部200之间有数据传输线缆500，实现与探头部之间的数据高速传输。
[0082]
总线板104与电源板101、处理板102、fpga板103和激光器105之间均有电信号传输连接关系，可以是线缆，也可以是内接插件，优选通过内接插件实现电信号传输连接。
[0083]
电源板101通过电源板电连接器1011输入一次电，并转化为不同的二次电源，供给总线板104，由总线板104将二次电源供给处理板102、fpga板103和激光器105，同时通过供电线缆300将二次电源供给探头部的驱动与温控电路206和读出电路205。
[0084]
fpga板103给激光器105下达激光脉冲指令，激光器105根据指令要求，发出激光脉冲，激光脉冲中心波长为1064
±
2nm，峰值功率不小于60kw，重复频率5khz～20khz之间可调，脉冲宽度为2ns。
[0085]
激光脉冲通过光纤600到达准直隔离器202，准直隔离器202准直后的激光光斑直径为8mm，发散角为0.2mrad。
[0086]
准直光斑到达光束扩束器201，扩束视场为20
°×
20
°
，与接收望远系统203的视场相等；经光束扩束器201扩束后到达被测目标700。
[0087]
接收望远系统203视场与光束扩束器201视场相等，为20
°
x20
°
。接收望远系统203焦距为35.72mm，弥散斑不大于25μm，光学效率不低于85％，前端设置有窄带滤光片，中心波长与激光脉冲波长一致。
[0088]
接收望远系统203收集经被测目标700反射后的回光信号，到达盖革焦平面组件104。盖革焦平面组件104像元大小为30μm，像元阵列不小于128*128，时间分辨率0.5ns，暗计数不大于20khz，距离门宽度50ns～2μs可调，像元间距100μm。
[0089]
fpga板103给驱动与温控电路206下达曝光成像指令，驱动与温控电路206接收曝光成像指令，并完成信号同步。
[0090]
驱动与温控电路206实现盖革焦平面组件104的驱动和温控，温控水平-40℃达到较佳的工作温度，稳定度为0.1℃，驱动与温控电路206所需的电源由电源板101经供电线缆300的二次电源提供。
[0091]
读出电路205采用片上锁相环电路实现每个单元的计时操作，当探测信号产生时，读出电路(roic)单元电路通过阈值检测，在每个距离开关结尾处，单元不能敏感雪崩信号来记录中止计数值，以实现屏蔽距离门外无效的雪崩事件，完成一次成像的信号采集。
[0092]
探头部200的驱动与温控电路206经数据传输线缆500与fpga板103之间实现数据的高速传输。
[0093]
fpga板103将数据预处理后，传输给处理板102。处理板102将时间数据处理为距离数据，获得被测目标700的三维形貌数据回传给fpga板103。
[0094]
fpga板103将被测目标700的三维形貌数据经数据传输电连接器1031，完成对外数据传输。
[0095]
本实施例中能够做到处理部重量不大于2.2kg，探头部重量不大于1.8kg，即曝光
式激光三维成像雷达的重量不大于4kg。
[0096]
如图2所示，本实施例中一种曝光式激光三维成像雷达的工作流程如下：
[0097]
(1)曝光式激光三维成像雷达一次电上电；
[0098]
(2)电源板转化二次电需求；
[0099]
(3)二次电源提供给各所需组件；
[0100]
(4)整机处于待机状态；
[0101]
(5)处理板接收通讯指令；
[0102]
(6)fpga板下达指令给激光器和探头；
[0103]
(7)激光器、驱动与温控电路接收指令；
[0104]
(8)激光器发出脉冲激光，盖革焦平面组件启动成像模式，二者完成信号同步；
[0105]
(9)读出电路读出数据；
[0106]
(10)被测目标数据从探头至处理线路完成高速传输；
[0107]
(11)fpga板接收、存贮数据，并进行预处理；
[0108]
(12)处理板完成三维数据处理；
[0109]
(13)获取高精度三维形貌。
[0110]
在一些优选实施方式中，曝光式激光三维成像雷达所述处理板对获取的三维数据进行处理过程中，采用四步法进行噪声滤除提高信噪比和运动精度补偿，具体如下：
[0111]
a、直方图统计滤波
[0112]
假设曝光式激光三维成像雷达在静止状态或运动状态下对场景进行了连续n次测量，10≤n≤100)。由于暗计数的影响，某像素上实际测量的斜距可能与真实斜距间存在较大偏差。对于相面上的每一个像素，绘制其在连续n次测量中的斜距统计直方图，设置bin的宽度为1m，剔除大的离群点，保留个数最多的bin和它的两个邻域，如图3所示。
[0113]
b、多项式滤波
[0114]
对某像素直方图滤波后的斜距进行多项式滤波，具体方法为线性最小二乘拟合：
[0115][0116]
y＝xβ+ε (2)
[0117]
其中，yn表示经直方图滤波后某像素在第n帧图像中的测量斜距，xn表示测量时间，εn表示测量误差。则多项式系数的拟合方法为：
[0118][0119][0120]
计算拟合残差：
[0121]
fri＝y
i-f(xi) (5)
[0122]
去除小的离群点，直至rms收敛：
[0123]
abs(fr)》σ
fr
×
rms(fr) (6)
[0124]
多项式滤波后示意如图4所示。
[0125]
c、rms(root mean square,均方根)滤波
[0126]
利用拟合残差的rms，去除一部分小的离群点：
[0127]
abs(y-mean(y))》rms(fr) (7)
[0128]
rms滤波效果如图5所示。
[0129]
d、动态补偿
[0130]
假设曝光式激光三维成像雷达与被测目标之间保持相对静止，并设置先验相对位姿，连续获取100帧图像，并为每帧图像的各个像素添加均值μ＝0，方差σ2＝0.0001的高斯测量噪声。设置整图虚警率75％，用来模拟暗计数引起的测量噪声，暗记数噪声服从均匀分布。静态算法获取的目标深度图示意如图6所示。
[0131]
引入平台动态条件，一般为六个自由度的速度和加速度，进行动态补偿，动态补偿后获取的目标深度图示意如图7所示。
[0132]
综上所述，本发明提供的安装在航天器用于深空探测的曝光式激光三维成像雷达，激光器通过准直隔离器发出脉冲激光到达被测目标表面，接收望远系统接收被测目标的回波信号后，将光信号引入盖革焦平面组件实现光电转化，由读出电路读出数据，经数据传输线缆实时传回到处理部进行数据处理，完成被测目标表面的三维形貌测绘，实现成像作用距离大、成像精度高、成像时间短，满足深空探测轻小型化应用需求。
[0133]
本发明提供的安装在航天器用于深空探测的曝光式激光三维成像雷达，通过对曝光式激光三维成像雷达各部的参数进行限定和组合，能够实现瞬时成像，获取被测目标的三维形貌，相比传统激光雷达，成像时间由100ms降低到20ms，极大降低图像获取时间，数据处理时间1.5s，动态性能好，可满足平台单轴角速度3.5
°
/s、水平速度
±
10m/s、垂向加速度
±
3/s2、水平加速度
±
0.3m/s2下对待测目标的三维形貌快速获取。采用时间分辨率0.5ns的盖革焦平面组件作为成像组件，作用距离由40米提高到1500米；同时，采用直方图统计滤波、多项式滤波和rms滤波算法提高数据信噪比，使用geiger动态补偿算法，测距精度提高到由15cm(3-sigma)提高到mm(3-sigma)级。
[0134]
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
[0135]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0136]
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种安装在航天器用于深空探测的曝光式激光三维成像雷达，其特征在于，包括处理部和探头部；所述处理部包括电源板、处理板、fpga板、总线板和激光器，所述电源板、处理板、fpga板、总线板和激光器之间信号连接；所述探头部包括光束扩束器、准直隔离器、接收望远系统、盖革焦平面组件、读出电路以及驱动与温控电路，所述光束扩束器、准直隔离器、接收望远系统、盖革焦平面组件、读出电路以及驱动与温控电路安装于探头壳体上；其中，所述电源板提供一次电输入接口，一次电经过所述电源板转换后经所述总线板为所述处理板、fpga板和激光器提供所需的二次电源输入，经电缆为所述探头部提供所需的二次电源输入；所述fpga板控制所述探头部成像和激光器，所述激光器根据所述fpga板的指令发出激光脉冲，所述fpga板能够给所述驱动与温控电路下达曝光成像指令，所述驱动与温控电路接收曝光成像指令，并与所述驱动与温控电路完成信号同步；所述处理板用于接收所述探头部传递并经所述fpga板预处理后的三维数据、存储，并对获取的三维数据进行处理，获取被测目标的三维形貌，同时与外部通讯；所述准直隔离器通过光纤与所述激光器相连，所述激光器发出的激光脉冲经所述准直隔离器准直后到达所述光束扩束器，经所述光束扩束器扩束后到达被测目标，经所述被测目标反射后进入所述接收望远系统，所述盖革焦平面组件接收来自接收望远系统收集的光学能量；所述读出电路采用片上锁相环电路实现每个单元的计时操作，当探测信号产生时，所述读出电路的单元电路通过阈值检测，在每个距离开关结尾处，单元不能敏感雪崩信号来记录中止计数值，屏蔽距离门外无效的雪崩事件；所述驱动与温控电路用于驱动所述盖革焦平面组件，控制所述盖革焦平面组件的温度，所需的电源由所述电源板经电缆的二次电源提供。2.根据权利要求1所述的曝光式激光三维成像雷达，其特征在于：所述接收望远系统的视场与所述光束扩束器的视场相等。3.根据权利要求1或2所述的曝光式激光三维成像雷达，其特征在于：所述光束扩束器的扩束视场为20
°×
20
°
。4.根据权利要求3所述的曝光式激光三维成像雷达，其特征在于：所述接收望远系统的焦距为35.72mm，弥散斑不大于25μm，光学效率不低于85％，前端设置有窄带滤光片，中心波长与激光脉冲的波长一致。5.根据权利要求4所述的曝光式激光三维成像雷达，其特征在于：所述激光脉冲中心波长为1064
±
2nm，峰值功率不小于60kw，重复频率5khz～20khz之间可调，脉冲宽度为2ns。6.根据权利要求5所述的曝光式激光三维成像雷达，其特征在于：所述准直隔离器准直后的激光光斑直径为8mm，发散角为0.2mrad。7.根据权利要求6所述的曝光式激光三维成像雷达，其特征在于：盖革焦平面组件的像元大小为30μm，像元阵列不小于128*128，时间分辨率0.5ns，暗计数不大于20khz，距离门宽度50ns～2μs可调，像元间距100μm。8.根据权利要求7所述的曝光式激光三维成像雷达，其特征在于：
所述处理板对获取的三维数据进行处理过程如下：a、直方图统计滤波假设曝光式激光三维成像雷达在静止状态或运动状态下对场景进行了连续n次测量，其中10≤n≤100)，对于相面上的每一个像素，绘制其在连续n次测量中的斜距统计直方图，设置bin的宽度为1m，剔除大的离群点，保留个数最多的bin和它的两个邻域；b、多项式滤波对某像素直方图滤波后的斜距进行多项式滤波，具体方法为线性最小二乘拟合：y＝xβ+ε (2)其中，y
n
表示经直方图滤波后某像素在第n帧图像中的测量斜距，x
n
表示测量时间，ε
n
表示测量误差，则多项式系数的拟合方法为：示测量误差，则多项式系数的拟合方法为：计算拟合残差：fr
i
＝y
i-f(x
i
)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)去除小的离群点，直至rms收敛：abs(fr)>σ
fr
×
rms(fr) (6)c、rms滤波利用拟合残差的rms，去除一部分小的离群点：abs(y-mean(y))>rms(fr) (7)d、动态补偿假设曝光式激光三维成像雷达与被测目标之间保持相对静止，并设置先验相对位姿，连续获取100帧图像，并为每帧图像的各个像素添加均值μ＝0，方差σ2＝0.0001的高斯测量噪声，设置整图虚警率75％，用来模拟暗计数引起的测量噪声，暗记数噪声服从均匀分布，引入平台动态条件，进行动态补偿。9.根据权利要求1所述的曝光式激光三维成像雷达，其特征在于：所述驱动与温控电路能够将所述盖革焦平面组件的温度控制到-40℃，稳定度为0.1℃。10.根据权利要求1所述的曝光式激光三维成像雷达，其特征在于：所述总线板与所述电源板、处理板、fpga板和激光器之间通过线缆或者内接插件信号连接。

技术总结
本发明涉及及航天器空间光电测量与感知技术领域，尤其涉及一种安装在航天器用于深空探测的曝光式激光三维成像雷达。该曝光式激光三维成像雷达的激光器通过准直隔离器发出脉冲激光到达被测目标表面，接收望远系统接收被测目标的回波信号后，将光信号引入盖革焦平面组件实现光电转化，由读出电路读出数据，经数据传输线缆实时传回到处理部进行数据处理，完成被测目标表面的三维形貌测绘，实现成像作用距离大、成像精度高、成像时间短，满足深空探测轻小型化应用需求。轻小型化应用需求。轻小型化应用需求。


技术研发人员：李林 王立 朱飞虎 邓楼楼 张运方 郭绍刚 田启航 郑璇 史广青 郑岩 尹路 张恒康
受保护的技术使用者：北京控制工程研究所
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/14