创新高端科学仪器研发　保障航空航天事业发展——高精度激光雷达扫描仪开发与应用

2017-09-20

在国家重大科学仪器设备开发专项的支持下，北京航天计量测试技术研究所缪寅宵研究员团队开展了高精度激光雷达扫描仪开发与应用（项目编号：2013YQ310633）研究，针对航天、航空、风电、高铁、船舶、文物保护等领域的需求，攻克了大范围窄线宽线性调频激光产生、脉冲／相位复合测距、线性调频激光测量信号高精度解调及线性连续调频激光器非线性实时校正等关键技术，并联合计量、航空、航天领域的多家应用合作单位进行应用开发，反馈应用信息，在此基础上进行工程化开发，旨在打造经久耐用的工程化产品，实现仪器产业化。通过建设一支国内高端精密仪器开发、应用和产业化创新人才队伍，团队提升了国内计量型高精度激光雷达扫描仪的自主创新能力和技术水平，所研发的高精度激光雷达扫描仪成功应用于新一代大型运载火箭首飞等国家重大型号任务，解决了发射平台箭体对称度测量等多项现场测量难题，对于打破国外的垄断地位，增强该领域我国仪器产业的核心竞争力具有重要意义。

一、研究内容

（一）仪器开发目标

该项目的开发目标是，通过深入研究大范围窄线宽线性调频激光产生、脉冲／相位复合测距、线性调频激光测量信号高精度解调、线性连续调频激光器非线性实时校正等关键技术，进一步提升技术成熟度，研制出皮实耐用的高精度激光雷达扫描仪，实现产品的工程化、产业化。项目研制仪器的主要技术指标：

I型（调频式）：

测距范围 （1～50）米，水平测角范围±180°，垂直测角范围±45°，三维坐标测量不确定度U=1×10^-5L，水平角和垂直角测量不确定度U=1″。测量速度：高精度测量模式20点/分，精确扫描模式120点/分，快速扫描模式1 200点/分。

II型（脉冲/相位式）：

测距范围（1～500）米，水平测角范围±180°，垂直测角范围±45°，三维坐标测量不确定度U=1mm，水平角和垂直角测量不确定度U=1″，最高测量速度达到50 000点/秒。

（二）应用开发目标

针对航天运载火箭、卫星天线、新材料、计量测试等领域高精度大尺寸现场测量需求，开展高精度激光雷达扫描仪的应用研究，扩展仪器功能，并开发能覆盖上述领域的专用附件和软件功能模块。通过应用单位对激光雷达扫描仪样机的使用，对仪器提出改进建议，以改善仪器功能、工程现场使用方便性和稳定性，研究最佳的应用方法、操作方法，设计开发电子手册，提升仪器的成熟度等级，拓宽仪器应用途径，更好地指导用户使用激光雷达扫描仪解决大尺寸几何参数测量问题。

（三）工程化目标

在原理样机研制阶段，关键部件采用模块化设计，便于后续工程化实现。根据ISO9001:2008质量管理体系，建立了完善的工艺文件和管理制度，形成完备的采购、加工、装配、调试、试验、测试等环节的过程检验制度。通过严格的质量控制，理顺整机制造、装配、检验等工艺流程，从提高生产效率、降低生产成本、简化工艺流程的角度出发对流程进行优化，形成成熟可靠的生产工艺流程，为后续产业化建设打好基础。该项目工程化总体目标是完成经久耐用的高精度激光雷达扫描仪工程化开发，建立完善的生产工艺流程，具备产品的批量生产能力。

（四）产业化目标

北京航天计量测试技术研究所与联合研究单位以技术和资金为纽带，采取技术转让、组建公司等多种方式实现利益共享。通过应用开发单位的应用示范作用，逐步推广仪器在航天、航空、船舶、风电、高铁、文物保护等领域的应用，扩大产业化生产规模。

二、创新成果

该项目在大范围窄线宽线性调频激光产生技术、脉冲／相位复合测距技术、线性调频激光测量信号高精度解调技术、线性连续调频激光器非线性实时校正技术等关键技术上取得了突破，提出了直接电调制半导体激光器驱动、基于多核交叉采样的高速欠采样数据解算、基于固定光纤延时的调频非线性误差补偿、基于泵浦激光器的线性调频功率补偿等技术创新点，完成了6个关键组部件的攻关，研制成功两款高精度激光雷达扫描仪，共获得国家发明专利“一种激光干涉测角光路”（专利号：ZL201320632751.6）、“一种产生激光线性调频信号的方法”（专利号：201410317540.2）等15项，获实用新型专利“光子晶体光纤的双通放大器”（专利号：201520628189.9）、“一种光纤泵浦耦合器”（专利号：201520628188.4）等13项，获软件著作权2项，发表论文12篇，各项成果、技术指标均优于项目任务书要求。2015年9月，项目研制仪器参加了第二届计量测试与航天发展论坛成果展览，产品以新颖的外观、友好的界面及稳定精确的测量数据赢得广泛关注，并与多家单位签订了定制合作意向书；2015年12月，在智能制造领域实现了首台仪器销售的突破，并在后续使用中得到了用户的高度认可。

三、成果应用

2016年，应新一代运载火箭型号办公室要求，项目团队参加新一代大型运载火箭首飞前现场测试任务，使用研制的高精度激光雷达扫描仪完成现场大尺寸几何参数测量任务。

在我国新一代运载火箭研制过程中，按照新“三垂”方案进行总装、测量和转运，其中“垂直测量”环节，使用高精度激光雷达扫描仪完成助推级与芯级对称度、支撑臂支点水平度及在发射坐标系中的精确定位等测量任务，为航天重大型号首飞成功在计量测试方面提供了 保障，得到型号两总的认可。

通过高密度点云扫描测量，并进行数据拟合得到的垂直总装后火箭外形结构轮廓。

专家简介

缪寅宵，北京航天计量测试技术研究所副所长，研究员，国家运载火箭产业计量测试中心副主任，国家能源计量中心（航天）主任，中国计量测试学会计量仪器专业委员会副主任委员，北京宇航学会计量与测试技术专业委员会副主任委员。

在几何量、光学精密测量技术研究、航天型号产品科研管理方面经验丰富，参加了国防科技工业“十五”至“十三五”计量测试技术发展规划的编制，担任国防科技工业计量规划几何量专业组组长，获部级科技进步二等奖1项、三等奖2项；参与编写《定向原理与方位角的传递》等专著2部。现兼任中国航天科技集团公司科技委计量测试技术专业组副组长，中国运载火箭技术研究院科技委计量测试技术专业组委员，2016年主持实施国家重点研发计划“国家质量基础的共性技术研究与应用”重点专项项目“精密制造中的补偿和测量关键技术研究”。

项目承担单位简介

北京航天计量测试技术研究所成立于1964年，是国防科技工业长、热、力一级计量站，电工、无线电、时间频率二级计量站。获得的认证和认可包括CNAS、CMA、DILAC、军用实验室认可、武器承担单位资质认证、国家一级保密单位资质认证、GB/T19001质量体系认证等12项。长期承担长征系列运载火箭、神舟飞船等型号的计量保障、精密测试、专用设备研发等工作。先后获得部级以上科技成果奖131项，其中国家科技进步奖14项。主办核心期刊《宇航计测技术》。设有“计量测试技术与仪器”专业硕士学位授予点，培养出了大量计量专家，在计量测试领域为航天重大型号工程的研制做出了突出贡献。