CN103345062A - 高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统 - Google Patents

Abstract

高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，包括高分辨率立体侦测之路和激光测距之路，采用共用的主镜、次镜，以及各自独立的后续光路及光学元件，构成两个独立的光学支路。两支路入射光线视场角不同，高分辨率立体侦测支路利用轴外视场，激光测距支路利用轴上视场，两之路视场内光线同时到达主镜和次镜，高分辨率立体侦测支路经过四片非球面反射镜后到达高分辨率立体侦测焦面成像；激光测距支路光束经主镜、次镜后通过滤光片和激光中继透镜组后在激光焦面汇聚。本发明光学系统具有高分辨率、零畸变、光机结构集成度高、体积小、重量轻等优点，实现对大范围地物的高分辨率、高精度侦察和立体测绘功能。

Description

高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统

技术领域

本发明属于空间光学遥感器技术领域，涉及一种适用于可见光近红外谱段高分辨率相机和激光测距的侦测一体化相机光学成像系统的实现方法。

背景技术

航天遥感侦察及测绘技术是航天对地观测成像技术中的一个重要组成部分，也是军事航天作战保障系统的一个重要组成部分，是非常重要的一类对地成像观测卫星，并逐渐从军事作战航天保障体系的重要组成部分发展成为现代战争作战能力的重要组成部分；同时，在民用测绘技术领域，也是一种现代化高效的测绘技术。

航天对地观测载荷主要包括：可见光CCD相机、红外相机、合成孔径雷达，部分卫星平台装备了激光、微波测高仪等。可见光CCD相机是目前世界各国进行对地观测的主要技术手段，主要用于解决目标二维信息的获取，其平面定位精度较高，为了获得观测目标的高程信息，一般采取同轨、异轨重叠成像技术，相应地要求相机平台具有灵活的机动控制能力；星载激光三维成像雷达是上世纪90年代发展起来的一种主动成像观测技术，具备全天时工作能力，被认为是生成被测表面数字高程模型的最佳手段。作为激光雷达的一种，激光测距仪的发射频率低，通常作为图像平差的辅助手段，但其结构简单，体积重量小，发射成本及技术成本低，因此被广泛采用。

美国是航天遥感强国，在空间探测领域占有主导地位，美国高分辨率可见光成像侦察相机主要有KH-11、KH-12、Geoeye-1和WorldView II，借助卫星平台的姿态敏捷机动能力，通过同轨立体成像方式进行地表三维测绘，其不足是一次轨道运行中只能对特定区域进行三维测绘，观测范围有限。激光三维成像雷达比较有代表性的是美国2003年发射的对地观测的激光雷达探测卫星ICESat，配备了地球科学激光测高系统，采用“单波束无扫描”工作方式，利用卫星位置及姿态调整来获得覆盖一定面积的高程数据，作业效率较低。美国在2008年发射的月球侦察轨道器（LRO）卫星配备月球轨道器激光高度表(LOLA)，首次采用多波束的激光探测+多元阵列接收方式，大大提高了作业效率，使得更新测量周期从原来的三年缩短到一年。

目前成功应用的长焦距高分辨率侦测卫星通常采用多线阵高分辨率可见光CCD相机的总体布局，极少数的卫星采用高分辨率可见光成像系统与激光测距系统相结合的型式，但都是采用相互独立的两个光学系统来实现的。高分辨率可见光CCD相机光学系统主要采用两种结构型式，即同轴反射式三镜消像散系统TMA和离轴TMA系统，在相同焦距、孔径和视场角条件下，同轴TMA具有体积小、重量轻的优点，但无法实现大视场角、畸变大；离轴TMA往往使反射镜加工难度极大，反射镜加工、检测和装调都不能采用传统的方法，其突出缺点是体积重量大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，特别适合高分辨率可见光CCD相机和激光测距的侦察测绘一体化遥感器的成像光学系统，实现了对大范围地物的高分辨率、高精度侦察和立体测绘功能。

本发明的技术方案是：高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，包括两个或三个相同的相机光学系统；所述的相机光学系统包括高分辨率立体侦测之路和激光测距之路；所述的高分辨率立体侦测之路包括主镜、次镜、平面反射镜、三镜、四镜、高分辨率立体侦测焦面器件；激光测距支路包括主镜、主镜、中继透镜组和激光测距支路焦面接收器件；其中主镜和次镜同轴，主镜和次镜的光轴作为相机光学系统的主光轴；高分辨率立体侦测之路和激光测距之路不共视场，且共用主镜、次镜；高分辨率立体侦测支路利用轴外光束，激光测距支路使用轴上光束；来自高分辨率立体侦测支路视场内的光线经过主镜、次镜反射之后，透过通光孔到达平面反射镜；平面反射镜法线位于相机光学系统子午面内，与主光轴夹角为沿顺时针45°；由平面反射镜反射的高分辨率立体侦测支路光束经三镜和四镜到达高分辨率立体侦测支路焦面器件处成像；来自激光测距支路视场内的光束经过主镜、次镜反射之后，透过激光测距支路中继透镜组，汇聚至激光测距支路接收器件处成像；激光测距支路中继透镜组的光轴与主光轴重合，三镜和四镜光轴在子午面内，与主光轴垂直。

所述的相机光学系统入瞳位于主镜上，主镜、次镜的面形均为非球面反射镜；三镜和四镜为非球面反射镜。

所述的主镜、次镜的通光口径为圆对称面或者非圆对称面；高分辨率立体侦测支路光束三镜和四镜通光口径为矩形。

所述的主镜、次镜、平面反射镜的材料为碳化硅，或微晶玻璃，或熔石英。

所述的激光测距支路中继透镜组包括一片双凸正透镜、一片弯月负透镜、一片弯月负透镜、一片平凸正透镜和一片滤光片；上述激光测距支路中继透镜组中的所有透镜与空气接触的表面镀增透膜；上述激光测距支路中继透镜组中的所有透镜材料为无色光学玻璃，面型为球面，滤光片表面为平面。

所述的主镜、次镜、平面反射镜、三镜和四镜的反射面镀有金属高反射率反射膜。

所述的高分辨率立体侦测支路焦面接收器件为线阵CCD或TDICCD探测器接收面。

所述的激光测距支路焦面接收器件为大像元尺寸的面阵CCD或TDICCD探测器接收面。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1）本发明由于采用了主镜、次镜，在同一个载荷上实现了高分辨率零畸变可见、近红外成像系统和激光测距系统同时工作；高分辨率立体侦测支路与激光测距支路的焦距可以相同，也可以不同，从而可以优化这两种不同工作模式之路的光学性能。

2）本发明高分辨率立体侦测支路采用同轴四反消除像散和畸变的新型结构型式，有效的减小了光学系统光学元件的数量和系统轴向尺寸，无色差，四镜放置在可见光通道出瞳附近，利用四镜的大非球面系数消光瞳像差，使光学系统实现高像质的同时消除畸变；这种同轴四反结构型式光学系统在长焦距、大口径、小视场、低畸变、小型轻质技术指标的可见光、多谱段成像探测应用中优势尤为明显。

3）本发明光学系统高分辨率立体侦测支路三镜和四镜、高分辨率立体侦测支路接收器件可固定于主镜基板的背部，从而充分利用了主镜基板背部的空间，有效的减小了光学系统的轴向尺寸；

4）本发明光学系统主镜的通光口径可以为圆对称面，或者根据载荷仓实际的尺寸情况设计为非圆对称面，保证可以尽可能的扩大光学系统的通光孔径。

5）本发明具有光机结构紧凑、组成简单、在宽谱段范围内无色差、成像质量良好、易于实现等优点，为机载、星载高分辨率可见光、多光谱成像系统提出了一个较好的技术实现途径，特别适用于持续、稳定地获取地表信息的高精度侦察－测绘一体化卫星光学系统。

附图说明

图1为本发明光学系统组成结构示意图；

图2激光三维探测支路中继透镜组结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明光学系统包括两个或三个相机光学系统；当为两个相机光学系统时，拍摄的内容为前视何正视；当为三个相机光学系统时，拍摄内容为前视、正视和后视；每个相机光学系统均采用共光路结构型式，相机光学系统型式一致。每组相机光学系统由主镜1、次镜2、平面反射镜3、三镜4、四镜5、高分辨率立体侦测支路焦面接收器件6、激光测距支路中继透镜组7和激光测距支路焦面器件8组成。

下面通过具体实施例进行进一步描述：

相机光学系统的高分辨率立体侦测支路工作谱段为0.45μm-0.9μm，激光测距支路工作谱段为1.064μm，两个支路共用主镜和次镜，其中高分辨率立体侦测支路与激光测距支路视场不同，高分辨率立体侦测支路对轴外视场景物成像，激光测距支路对轴上视场景物实现能量汇聚。高分辨率立体侦测支路焦距为5.5m、全视场为2.5°，探测器为像元尺寸7μm的线阵TDICCD；激光测距支路焦距为1.3m、全视场为0.5°、探测器为像元尺寸0.5mm的面阵CCD。高分辨率立体侦测之路和激光测距之路的光阑均放置在主镜上。

高分辨率立体侦测支路的光线入射至主镜1和主镜2，经折转反射镜3反射至三镜4和四镜5，实现高分辨率可见光、多光谱成像；其中高分辨率立体侦测支路焦面器件6为线阵CCD或五色TDICCD器件。利用四镜5的大非球面系数消光瞳像差，相机光学系统相对畸变小于0.00001％。

激光测距支路的光线入射至主镜1和主镜2后透过滤光片及校正镜组7，实现激光光束能量汇聚，激光测距支路焦面器件8为大像元尺寸的面阵CCD或TDICCD探测器接收面。

相机光学系统主镜1和次镜2同轴，并且其光轴作为相机光学系统的主光轴，通光口径均为圆形，主镜1上设置一个通光孔，入射光线从左侧沿主光轴入射至主镜1上，经过主镜1及次镜2反射之后到达各之路后续光学元件及中继透镜组。

主镜1为双曲面、次镜2为椭球面；三镜4和四镜5分别为双曲面和扁球面，相机光学系统的中心视场主光线与像面法线的夹角为零。主镜1、主镜2、三镜4和四镜5采用的材料为金属铍，或微晶，或碳化硅，或融石英。

主镜1、次镜2的通光口径为圆对称面；高分辨率立体侦测支路光束三镜4和四镜5通光口径为矩形。主镜中心开空为梯形空，在主镜面上投影为矩形，开空中心与光轴沿径向偏移量为80mm。

平面折转镜3表面面形为平面，其法线位于相机光学系统子午面内，与主光轴夹角为顺时针225°；采用微晶材料，或铝基碳化硅，主镜1、次镜2、平面反射镜3、三镜4和四镜5的反射面镀有金属高反射率反射膜。

由平面反射镜3反射的高分辨率立体侦测支路光线经过三镜4和四镜5反射到达高分辨率立体侦测支路接收像面6，将三镜4、四镜5和高分辨率立体侦测支路接收像面6固定在主镜1基板背部，三镜4和四镜5的光轴为高分辨率立体侦测支路光轴，其在子午面内，与主光轴垂直且相交。

激光测距支路中继透镜组7和激光测距支路接收像面8的光轴主光轴在同一条直线上。

激光测距支路中继透镜组7共包含五个光学元件，如图2所示，共由一片双凸正透镜、一片弯月负透镜、一片弯月负透镜、一片平凸正透镜和一片滤光片组成，透镜材料均为无色光学玻璃，透镜的面型均为球面；所有透镜与空气接触的表面镀增透膜。滤光片双面均为平面，在滤光片前表面上镀有窄带通滤光膜，边缘视场主光线入射角度2.5°。

高分辨率立体侦测支路接收像面6为象元尺寸7μm的线阵TDICCD探测器，激光三维探测支路接收像面8为象元尺寸0.5mm的面阵CCD探测器。光学系统外形尺寸为1400×700mm×850mm。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，其特征在于：包括两个或三个相同的相机光学系统；所述的相机光学系统包括高分辨率立体侦测之路和激光测距之路；所述的高分辨率立体侦测之路包括主镜（1）、次镜（2）、平面反射镜（3）、三镜（4）、四镜（5）、高分辨率立体侦测焦面器件（6）；激光测距支路包括主镜（1）、主镜（2）、中继透镜组（7）和激光测距支路焦面接收器件（8）；其中主镜（1）和次镜（2）同轴，主镜（1）和次镜（2）的光轴作为相机光学系统的主光轴；高分辨率立体侦测之路和激光测距之路不共视场，且共用主镜（1）、次镜（2）；高分辨率立体侦测支路利用轴外光束，激光测距支路使用轴上光束；来自高分辨率立体侦测支路视场内的光线经过主镜（1）、次镜（2）反射之后，透过通光孔到达平面反射镜（3）；平面反射镜（3）法线位于相机光学系统子午面内，与主光轴夹角为沿顺时针45°；由平面反射镜（3）反射的高分辨率立体侦测支路光束经三镜（4）和四镜（5）到达高分辨率立体侦测支路焦面器件（6）处成像；来自激光测距支路视场内的光束经过主镜（1）、次镜（2）反射之后，透过激光测距支路中继透镜组（7），汇聚至激光测距支路接收器件（8）处成像；激光测距支路中继透镜组（7）的光轴与主光轴重合，三镜（4）和四镜（5）光轴在子午面内，与主光轴垂直。

2.根据权利要求1所述的高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，其特征在于：所述的相机光学系统入瞳位于主镜（1）上，主镜（1）、次镜（2）的面形均为非球面反射镜；三镜（4）和四镜（5）为非球面反射镜。

3.根据权利要求1所述的高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，其特征在于：所述的主镜（1）、次镜（2）的通光口径为圆对称面或者非圆对称面；高分辨率立体侦测支路光束三镜（4）和四镜（5）通光口径为矩形。

4.根据权利要求1所述的高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，其特征在于：所述的主镜（1）、次镜（2）、平面反射镜（3）的材料为碳化硅，或微晶玻璃，或熔石英。

5.根据权利要求1所述的高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，其特征在于：所述的激光测距支路中继透镜组（7）包括一片双凸正透镜、一片弯月负透镜、一片弯月负透镜、一片平凸正透镜和一片滤光片；上述激光测距支路中继透镜组（7）中的所有透镜与空气接触的表面镀增透膜；上述激光测距支路中继透镜组（7）中的所有透镜材料为无色光学玻璃，面型为球面，滤光片表面为平面。

6.根据权利要求1所述的高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，其特征在于：所述的主镜（1）、次镜（2）、平面反射镜（3）、三镜（4）和四镜（5）的反射面镀有金属高反射率反射膜。

7.根据权利要求1所述的高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，其特征在于：所述的高分辨率立体侦测支路焦面接收器件（6）为线阵CCD或TDICCD探测器接收面。

8.根据权利要求1所述的高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，其特征在于：所述的激光测距支路焦面接收器件（8）为大像元尺寸的面阵CCD或TDICCD探测器接收面。

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