(高清版)GBT 41209-2021 月球与行星探测激光测距仪通 用规范

月球与行星探测激光测距仪通用规范2022-07-01实施前言 I 2规范性引用文件 3术语和定义 24技术要求 4.1功能 24.2性能 4.3环境适应性 5测试及试验方法 45.1功能测试 5.2性能测试 55.3环境适应性试验测试 8 6.1包装 6.3存储 6.4随行文件 参考文献 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国空间科学及其应用标准化技术委员会(SAC/TC312)归口。本文件起草单位：中国科学院上海技术物理研究所。1月球与行星探测激光测距仪通用规范本文件规定了应用于月球与行星探测任务的激光测距仪的技术要求、试验方法、包装、运输、存储和随行文件。本文件适用于月球与行星探测任务的激光测距仪的设计、生产与应用等。其他工作于大气层外环境的激光测距仪参照使用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T2423.1电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A:低温GB/T2423.5环境试验第2部分：试验方法试验Ea和导则：冲击GB/T2423.10环境试验第2部分：试验方法试验Fc:振动(正弦)GB/T2423.15电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Ga和导则：稳态加速度GB/T2423.22环境试验第2部分：试验方法试验N:温度变化GB/T2423.56环境试验第2部分：试验方法试验Fh:宽带随机振动和导则GB/T4937.18半导体器件机械和气候试验方法第18部分：电离辐照(总剂量)GB/T13739—2011激光光束宽度、发散角的测试方法以及横模的鉴别方法GB/T14267—2009光电测距仪GB/T17626.1电磁兼容试验和测量技术抗扰度试验总论GB/T17626.2电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验GB/T17626.3电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验GB/T17626.4电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度电磁兼容试验和测量技术供电系统及所连设备谐波、间谐波的测量和测量仪器导则电磁兼容试验和测量技术工频磁场抗扰度试验电磁兼容试验和测量技术脉冲磁场抗扰度试验GB/T17626.10电磁兼容试验和测量技术阻尼振荡磁场抗扰度试验GB/T17626.11电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验GB/T17626.12电磁兼容试验和测量技术振铃波抗扰度试验GB/T26829脉冲激光测距仪测距参数的室内测试方法GB/T29299半导体激光测距仪通用技术条件GB/T34515航天器热平衡试验方法2GB/T37757色谱质谱法航天器热真空试验方法设备可靠性可靠性评估方法电子电气产品用材料和零部件中挥发性有机物释放速率的测定释放测试舱-气相3术语和定义GB/T14267—2009、GB/T29299界定的以及下列术语和定义适用于本文件。测距精度rangingaccuracy仪器距离测量结果偏离应有值的程度。注：用测距标准差(standarddeviation)表示。[来源：GB/T14267—2009,3.11,有修改]仪器能够有效辨别的最小测距示值差。[来源：GB/T14267—2009,3.9,有修改]与仪器所测距离成比例的改正因子。最大测程maximumrange在规定目标表面反射率和激光传输环境下，达到规定的探测概率时所能探测到的最远距离。最小测程minimumrange在规定目标表面反射率和激光传输环境下，达到规定的探测概率时所能探测到的最短距离。4技术要求4.1.1背景光抑制及耐强光应具备背景光抑制及耐受太阳直射能力，噪声引起的错误数据率应小于1%,耐受太阳直射时间应不小于30s。应具备信号强度判断和自动增益控制能力，可适应信号强度变化。4.1.3在轨状态调整应具备通过指令注入进行在轨状态调整功能，包括激光发射能量调整、激光回波鉴别阈值调整、核心温度范围调整等。3应具备在轨自检功能，包括测距数据有效性、超量程判断、控制单元运行状态判断、温度范围判4.2性能4.2.1激光发散角激光发散角应不大于1mrad。4.2.2激光发射能量对月球探测激光发射能量应在10mJ～100mJ,对小行星探测激光发射能量应在0.1mJ～10mJ。4.2.3激光重复频率激光重复频率应在1Hz～10Hz。测距分辨率应不高于0.5m。对月球与行星探测轨道，高度为200km量级的，测距精度应不高于5m。对月球与行星(不含小行星)环绕轨道探测的最大测程应在100km～200km。对小行星探测的最大测程应在15km～50km。对月球与行星(不含小行星)环绕探测的最小测程应不低于1km。对小行星抵近探测、着陆探测的最小测程应不高于10m。应适应回波信号强度，动态范围不小于40dB。激光测距仪整机在轨工作寿命应不小于2个地球年，激光发射装置累计发射次数不小于1×10⁸次。应符合航天产品可靠性要求。4.3环境适应性4.3.1空间温度适应性应采取相应的温控措施，在空间温度范围内及真空环境下正常工作。44.3.2力学环境适应性应提出加速度、正弦振动、随机振动、冲击等力学环境试验的要求，并进行相关试验验证。4.3.3真空环境适应性为确保激光发散角适应真空环境要求，应优先选用无挥发性材料避免光学系统污染，内部激光器腔体应采用气密设计。4.3.4抗空间辐照性对无先验数据的材料和元器件应进行紫外辐照、电离总剂量辐照等试验验证。抗空间辐照试验应符合航天产品抗辐照设计要求。根据激光测距仪在卫星或探测器内位置确定电磁兼容性要求，符合GB/T17626.1～GB/T17626.12规定。5测试及试验方法5.1功能测试5.1.1检验项目及测试方法应通过功能测试验证产品功能要求的符合性。功能检验项目及测试方法按表1规定。表1功能测试序号试验项目名称鉴定检验交付检验试验方法1背景光抑制及耐强光功能●—按5.1.2b)和5.1.2c)规定2自动增益调整●●按5.1.2a)规定3在轨状态调整●●按5.1.3a)规定4在轨自检●●按5.1.3b)规定注：“●”表示必检项目，“—”表示可选项目。室外测距试验通过测量激光测距仪在目标信号变化下的测距能力，测试激光测距仪背景光抑制及耐强光、自动增益调整功能。室外测距试验测试框图见图1。澈光测距仪澈光测距仪接收望远镜脉冲激光器光学衰减片组面口标图1室外测距试验测试框图5测试方法如下。a)在激光发射光路上安装光学衰减片组，对面目标进行测距。调整光学衰减片组模拟信号变化动态范围，放大器增益可随衰减片组变化自动调整，认为自动增益调整有效。b)在较亮光照条件下对面目标进行测距，测试虚警率，当噪声引起的错误数据率小于1%时，认为背景光抑制功能有效。c)将激光测距仪对准太阳，持续时间不小于30s,测距仪不被损坏，太阳光移出视场后5s内测距仪能恢复正常工作，认为耐强光功能有效。5.1.3室内测距试验室内测距试验通过测量激光测距仪的指令响应、数据传输能力，测试在轨参数调整、在轨自检等功能。测试步骤如下：a)连接地检设备，通过指令注入进行在轨状态调整，包括激光发射能量调整、激光回波鉴别阈值调整、核心温度范围调整等，响应参数与调整参数一致认为在轨状态调整功能有效；b)通过地检设备接收激光测距仪自检数据包，包括测距数据有效性、超量程判断、控制单元运行状态判断、温度范围判断等，数据正确认为在轨自检功能有效。5.2性能测试5.2.1检验项目及测试方法应通过性能测试验证产品性能指标的符合性。在激光测距仪的鉴定检验阶段及交付检验阶段都需对性能指标进行测试。性能指标检验项目及试验方法按表2规定。其他标准中可直接采用的测试分析表2性能指标测试序号试验项目名称鉴定检验交付检验试验方法1激光发散角●●按5.2.2规定2激光发射能量●按5.2.3规定3激光重复频率●●按5.2.3规定4测距分辨率●●按5.2.4规定5测距精度●按5.2.5规定6最大测程●●按5.2.6规定7最小测程●按GB/T26829规定8动态范围●按5.2.7规定9寿命按5.2.8规定可靠性按GB/T37079规定注：“●”表示必检项目，“—”表示可选项目。5.2.2激光发散角测试可使用如下方法之一进行测试：a)按GB/T13739—2011中5.2.2及第6章的测试方法进行测量；6b)在GB/T13739—2011中5.1.2基础上，采用光束分析仪进行激光发散角测量。激光发散角测试框图见图2。会聚透镜会聚透镜光学症械片组一f(透镜焦距)一激光測距仪发射接收光束分析仪图2激光发散角测试框图测试步骤如下：a)搭建光学系统，将光束分析仪放置在会聚系统焦面处；b)在光束分析仪软件中输入会聚系统焦距、探测器像元尺寸等参数，并对光束分析仪进行背景噪声校正；c)开启激光，利用光学衰减片组添加或减少发射光路上衰减量，使得光束分析仪上的光斑强度刚好不饱和为止；d)激光稳定后，在光束分析仪软件中选择能量占比为1/e²的判断条件，以软件计算输出的发散角作为测试结果。5.2.3激光发射能量及重复频率测试采用激光能量计进行检测，探头有效孔径应大于激光出射光斑直径。激光能量测试系统框图见激光测距仪接收望远镜脉冲激光器激光能量计图3激光能量测试系统框图测试步骤如下：a)盖住激光测距仪接收天线，将能量探头安装在激光发射光路中心处，使得激光光斑全部落在探头探测面上；b)调整结束后开始测量激光能量，采用能量计自带的统计功能，测量次数不低于50次；c)到达测量次数后，能量计自动停止统计，读取其能量平均值作为激光器的发射能量，读取其频率值作为激光器的重复频率。5.2.4测距分辨率测试测试系统框图见图1。测试步骤如下：a)对选定位置进行距离测量，测量次数不低于50次，取测量平均值作为第一次测量点距离L。,7GB/T41209—2021单位为米(m);b)将激光测距仪沿发射光轴方向前移或后移一个分辨率距离LR,进行距离测量，测量次数不低于50次，取测量平均值作为移动后测量点距离L₁,单位为米(m);5.2.5测距精度测试5.2.5.1乘常数不显著产品测试方法对最大测程内乘常数不显著的产品，选择以下两种方法之一进行测试。a)按GB/T26829规定，在产品发射、接收光路中接入固定长度光纤进行测试。要求光纤往返等效光程与最大测程大致相当。b)按5.1.2在室外对已知距离面目标进行测试。按公式(1)计算得到测距精度： (1)d;——经仪器测得的距离与实际距离之间的常数差值修正后的第i次测量值，单位为米(m);d——标定距离，单位为米(m)。5.2.5.2乘常数显著产品测试方法对最大测程内乘常数显著的产品，按公式(2)和公式(3)计算。 (2)dr=d;+Rmx×f (3)d;r——第i次测量值中的最大测程，单位为米(m);f——激光测距仪乘常数；5.2.6最大测程测试采用消光比法进行最大测程测量。对一个已知距离、已知反射率的面目标按固定频率进行探测，在激光发射路径上放置光学衰减片组，不断增加衰减量，直至探测概率降低到95%或具体指标要求时，以此时激光发射路径上的光学衰减量作为消光比(ER)。测试系统框图见图1。测试步骤如下：a)选择能见度≥5km,无雨、无尘、无雾的天气进行对外面目标测试；b)采用辅助瞄准镜对准目标，激光发射光路与面目标基本垂直；c)调整激光发射光路上的光学衰减片组，直至探测概率降低至95%;d)记录此时的激光能量、光学衰减量，获得消光比系数ER;e)按公式(4)计算得到最大测程：…………8tal——行星探测环境单程透过率；t₂——测试时大气透过率；P₁——行星表面漫反射率；p₂——消光比测试靶板的漫反射率；R——测试靶板距离，单位为米(m)。动态范围测试过程如下：a)按5.2.6进行消光比测试，在达到最大消光比ER后，在当前位置进行距离测量，测量次数不低于50次，取测量平均值作为L。;b)降低消光比系数ER至要求的动态范围；c)继续在当前位置进行距离测量，测量次数不低于50次，得到测量平均值作为L₁;动态范围测试可与最大测程测试一起进行，当计算结果小于要求的测距精度时，判为有效；否则，判为无效。寿命试验仪器中所用材料、工艺与发射产品应保持一致。激光器寿命试验条件及方法如下：a)试验环境：常温常压；b)激光器头部温度范围：按中心工作温度点要求，并采取强制冷却等措施保持激光器头部温度稳c)采取等速或加速工作模式，使激光累积发射脉冲≥1×10⁸次，或以输入规范要求的脉冲数为准；d)试验中途若激光发射能量下降幅度超过10%,可在安全裕度范围内提高激光器驱动电流增加输出能量，直至达到累积脉冲次数。若仍达不到，该项试验终止。5.3环境适应性试验测试5.3.1检验项目及测试方法通过环境试验验证产品对环境适应性要求的符合性。在激光测距仪的鉴定检验阶段及交付检验阶段都应对环境试验项目进行相关试验。环境试验项目及试验方法按表3规定。其他标准中可直接采用的测试分析方法，均标注规定标准编号，不再详细阐述。表3环境试验项目及试验方法序号试验项目鉴定检验交付检验试验方法1空间温度适应性热循环●●按GB/T2423.22规定2低温存储●●按GB/T2423.1规定3热真空●●按GB/T34522规定4热平衡●●按GB/T34515规定9表3环境试验项目及试验方法(续)序号试验项目鉴定检验交付检验试验方法5力学环境适应性加速度●按GB/T2423.15规定6正弦振动●●按GB/T2423.10规定7随机振动●●按GB/T2423.56规定8冲击●—按GB/T2423.5规定9真空环境适应性真空激光性能测试●●按5.3.2规定材料挥发测试●按GB/T37757规定抗空间辐照设计电离总剂量辐照 一 按GB/T4937.18规定紫外辐照——按5.3.3规定电磁环境适应性电磁兼容性测试● 按GB/T17626.1~GB/T17626.12规定注1:“●”表示必检项目，“—”表示可选项目。注2:电离总剂量辐照、紫外辐照、真空材料挥发一般为原材料及组件试验。5.3.2真空激光性能测试真空激光性能测试是用来验证激光器在真空中正常工作及适应中心工作温度点漂移的能力。测试原理框图见图4。光束分析仪平行光管地检系统平行光管真空罐图4真空激光性能测试原理框图测试步骤如下。a)将被测激光测距仪安装在真空罐内的载物平台上，要求参与测试的平行光管也处于同一压力环境、同一安装平台上。如测试条件不允许，可将平行光管安装在真空罐外，通过透光窗口进行测试，并根据指标需求适当放宽要求。b)激光测距仪发射通道上安装光学衰减片组，将激光发射光束引入平行光管焦面上的光束分析仪上，模拟远距离上的激光光斑分布情况。c)按真空罐操作规程关闭真空罐，启动温度控制装置。d)将真空罐压力降低至不大于6.65×10-3Pa。e)按热平衡试验的试验规程进行温度控制。在激光器中心工作温度点进行±3℃温度拉偏，进行激光发散角、激光发射光轴测试。测试结束后，应判断真空下激光测距仪的激光发散角是否满足要求。5.3.3紫外辐照测试紫外辐照测试是为了检验直接暴露在空间中的有机材