分布式高精度激光在线测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种用于卫星SAR天线等大型机构形变测量 的分布式高精度激光在线测量装置。
【背景技术】
[0002] 卫星各种展开机构中，需要各种在线测量获得它的位置精度、振动特征。天线的型 面测量对成像分辨率、解算出的图像质量有着重大影响。
[0003] 星载SAR等大型天线机构，在轨运行过程中会受到空间各种载荷的作用，这些载荷 主要包括热载荷、引力梯度矩、大气阻力以及卫星运动干扰等，从而导致天线面板振动，降 低卫星的姿态稳定度和指向精度，并严重影响天线的性能，导致成像模糊、分辨率降低;更 为严重的是振动可能导致天线结构破坏。因此，对星载大型天线机构实施振动测量和控制 非常必要。
[0004] 当星载大型天线机构的阵面在外部干扰的作用产生变形时，阵面的辐射单元位置 也会发生相应的变化，误差将对系统电性能产生重要的影响，并将导致天线的方向图发生 畸变、主瓣增益下降、副瓣电平升高和波束指向不准确等。
[0005] 激光相位式测距技术已经较为成熟，部分商品化的手持式测距仪也采用了该探测 方式，但面对SAR天线这样的空间大型展开机构面型测量时，传统手持测距仪无论从测量精 度还是数据更新率等方面都无法满足需求，尤其是天线面型需要大量靶标检测，通过空间 点阵的位置进行反推，单点手持式测距仪更无法满足需求。成像相机虽然可以对天线目标 进行高清成像，但即使是双目视觉测距，其精度也无法满足需求。扫描成像激光雷达受限于 扫描时间、测距精度及测角精度的多重影响，尤其是在轨长时工作的可靠性问题，使其无法 满足类似任务需求。
[0006] 对于激光相位式测距方面，专利《一种激光相位测距装置》中，提出了一种用于距 离测量的激光测距系统，该装置直接将激光器发出的光经光纤传导进入集成电光调制器， 出射光仍经光纤传导到测距仪发射物镜焦点处，简化了光路结构。专利《激光测距系统》中， 较详细论述了激光测距系统的组成，包括了发射系统、接收系统、控制及测量系统等。专利 《全相位FFT频谱分析装置》中，指出了其具有良好的抑制频谱泄露的性能，而且由于其"相 位不变性"，不需要采取频谱校正措施即可精确提取信号的相位信息。但上述所有专利，均 无法解决大型天线机构形变测量所面临的问题。
[0007] 文章 《Distortion Measurement and Compensation in a Synthetic Aperture Radar Phased-Array Antenna合成孔径雷达相控阵天线中的失真度测量和补偿》指出，在 无线合成孔径卫星(WiSAR)中，采用了相位式阵列测距技术来监测天线变形及补偿，其载波 为3.74GHz的微波载波，其测量精度仅能达到1mm左右。文章《便携式激光测距仪相关研究》 和文章《基于FPGA和DDS技术的激光测距仪》都介绍了相位式激光测距仪的相关研制技术， 但正如前面论述，它们都无法解决本专利所提出的针对大型天线机构变形所需的测量和评 估工作，而这也正是本专利的创造性之处。
【发明内容】
[0008] 本发明解决的问题是卫星大型展开天线（如SAR)机构容易发生在轨变形，而变形 将影响天线阵面辐射单元的位相精度，从而导致天线的方向图和成像发生畸变，影响天线 成像精度。为此，本发明提供一种用于卫星SAR天线等大型机构形变测量的分布式高精度激 光在线测量装置，以有效提高天线的变形测量精度。
[0009] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种用于卫星天线等大型展开机构 形变测量的分布式高精度激光在线测量系统，其中包括：
[0010] 主/备发射激光源及调制驱动系统，所述调制驱动系统对所述主/备发射激光源输 出激光的光强采用正/余弦信号进行调制；
[0011 ]光学合束器，将所述主/备发射激光源的出射光合为一束光；
[0012] 光学环形器作为光学收发开关，对合束后的发射激光进行收发隔离；
[0013] 光学分束器，将发射激光分为多路发射光；
[0014] 光开关阵列，控制不同出射光路的激光发射；
[0015] 收发天线阵列，对每一路发射激光分别设有一个对应的收发天线；
[0016] 合作目标阵列，其与收发天线阵列按照预先设定的几何位置相应布置，所述合作 目标阵列是微小角锥反射器阵列，所述角锥反射器将照射进入的光线按平行光路方向反射 回原处；
[0017] 光电探测器，其将经由所述光学环形器传输给该光电探测器的反射回光转换为电 信号；
[0018] 信号处理与控制系统对电信号进行解算处理，获得目标阵列的精确距离信息。
[0019] 优选地，所述信号处理与控制系统包括：
[0020] DDS硬件模块，用于生成各种信号源，其中进一步包括：
[0021] 主信号发生模块，用于产生发射光强度调制信号；
[0022] 第一基准信号发生模块，用于产生发射调制信号的参考信号；
[0023] 第二基准信号发生模块，用于产生基准相位信号，以评估回波信号的相移；
[0024] 发射调制模块，其连接主信号发生模块，用于实现发射调制信号的预处理，以驱动 主/备发射激光源；
[0025] 信号接收预处理模块，用于对所述光电探测器接收的信号进行包含滤波、放大的 预处理并实现AGC自动增益；
[0026]混频模块，用于对信号接收预处理模块得到的信号和第一基准信号发生模块进行 模拟混频处理，实现回光信号的下变频；
[0027]第一 AD采样模块，用于对混频模块产生的低频信号进行采样处理，以实现模/数转 换；
[0028]第二AD采样模块，用于对第二基准信号发生模块进行采样，以实现模/数转换； [0029] FPGA硬件模块，用于信号处理并解算目标距离，进一步包括：
[0030]相关鉴相模块，用于实现第一 AD采样模块和第二AD采样模块的数字鉴相功能； [0031]距离解算模块，用于根据相位鉴相结果进行距离解算；
[0032]上位机通信模块，用来与上位机系统进行通信；
[0033]时序控制模块，用来对光开关阵列进行开关控制，以控制不同光路实现测量。
[0034]优选地，所述主/备发射激光源采用主/备份半导体激光器作为发射光源，并由50: 50的光学合束器合光。
[0035] 优选地，所述光开关阵列采用微机电系统光开关，控制信号上升沿时间小于 0.5ms，通道为1X32以上。
[0036] 优选地，所述收发天线阵列个数与合作目标阵列个数一致，且两者在机构展开后 直接一一对应，收发光学天线束散角大小能够覆盖结构变形造成的目标方位偏移，使合作 目标不会偏移出系统视场。
[0037] 优选地，所述调制驱动系统的调制频率为100MHz。
[0038]优选地，系统采用双波长双支撑结构交错照射目标阵列。
[0039]本发明提供一种用于卫星大型天线(如SAR)机构形变测量的分布式高精度激光在 线测量装置，采用主/备份激光器作为提升系统可靠性和工作寿命的发射光源;发射激光经 由光学合束器、光学环形器和光学分束器后被分为多路发射光束;发射光束进一步由光开 关阵列增加分束光路数，同时，光开关可以通过系统的控制对出光光路进行时序切换;每一 路出射激光对应一个光学收发天线，进而对应一个合作目标体;经合作目标返回的激光同 样由上述光路回到光学环形器，并进入光电探测器;通过光电探测器的光电转换后，由信号 处理系统进行回波相位解算，从而获得目标点阵的精确距离信息，经过算法处理后可评估 出天线面型的变形量。本发明提供了一种对卫星天线等大型展开机构进行在轨实时形变测 量的手段，通过对天线面型的测量，可提升大型天线的成像分辨率及解算出的图像质量。
[0040] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0041] 本发明有效解决了卫星大型展开天线（如SAR)等机构在轨变形实时测量的问题。 测量系统没有采用任何活动部件，可靠性高，且在关键件一激光器中采用了双冗余备份，具 备补偿长期工作的功率退化能力，适应于长寿命卫星的严格要求;系统采用双波长双支撑 结构交错照射布局，有效避免远场目标对的交错干扰问题；系统充分利用整星机构展开后 的结构建立粗尺距离，然后利用高频激光强度调制的细测尺确定精确距离，简化了系统设 计难