CN104749774A - 一种离轴三反推帚式激光三维成像发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离轴三反推帚式激光三维成像发射系统，根据发射光纤芯径、单元发散角和激光发射的总视场设计离轴三反扩束望远镜，实现多元激光的并行扩束发射。该激光发射光学系统由发射光纤阵列、平面折转镜以及离轴三反望远镜组成，平面折转镜的作用是减小系统光路的总长度。本发明的特点在于使用一个离轴三反系统实现多元激光的并行扩束发射，各元激光以大小相等的发散角发射，并且能实现很小的发散角，在地面上形成大小相等、间隔均匀的足印光斑。本发明可用于航空航天的多波束推帚式激光三维成像领域。

Description

一种离轴三反推帚式激光三维成像发射系统

技术领域

本发明属于扫帚式激光三维成像领域，具体涉及一种新型的离轴三反推帚式激光三维成像发射系统，本发明的实施例在51元光纤阵列时能实现单元激光20urad的较小发散角并行发射，在地面上形成大小相等、间隔均匀的足印光斑分布，它也适用于其它波束、更小发散角的系统需要。

背景技术

自问世以来，激光三维成像一般都采用平面摆镜或者圆锥扫描镜的扫描方式，随着激光探测技术尤其是阵列探测技术的发展，人们开始关注非扫描的机载激光成像工作模式，采用具有较高激光功率、脉冲重复频率不太高的激光器，通过激光束分束、扩束发射和阵列探测的方式，实现一行多点的瞬时信息获取，达到推帚式激光三维成像的目的。

推帚型激光三维成像技术是一种概念较新的机载遥感技术，它借鉴推帚式光谱成像技术的特点，结合激光直接测距并获取灰度信息的优势，以高度紧凑的结构和主动遥感进行信息获取的方式，获得地物目标的三维灰度像。此外，推帚式成像技术只由飞机飞行带动激光束发射装置进行一维扫描，相对扫描成像而言减去了扫描工作方式时的机械磨损、震动，提高了定位准确度，同时还减轻了成像系统重量、体积、能耗，这给机载、星载测高技术带来了福音。这种技术将是下一代激光三维成像技术的发展方向。当前已有的推帚式激光三维成像系统有中国的863推帚式系统，美国的MAPLA系统，美国的SOE系统等。其特性如表1所示。

表1、MAPLA和SOE系统特征

目前,激光推帚式三维成像技术还处于起步阶段，激光并行发射和激光并行接收是推帚式激光雷达的关键技术，并行发射要求每一元激光以相同的发散角出射，在地面形成大小相等的光斑，并光斑与光斑之间的间距是相等的。现有的推帚式激光三维成像雷达系统的发射系统主要是采用衍射光栅分光，微透镜阵列准直的方式。双曲面-平面透镜的准直透镜能对激光光束达到很好的准直效果，能将发散角压缩至0.1mrad左右，但是再小的发散角将面临挑战，并且非球面的加工制作困难，做成微透镜阵列精度上更难以保证，尤其是在系统波束较多的时候，非球面微透镜阵列的制作难度将成倍的增加。本文提出了一种全新的离轴三反推帚式激光三维成像发射系统，理论上可以将激光的发散角压缩至衍射极限并且离轴三反光学系统的加工、装调技术已经比较成熟。

发明内容

基于上述现有的推帚式激光三维成像发射系统的不足和存在的技术难点，本文提出了一种离轴三反推帚式激光三维成像发射系统。发射光纤阵列置于三反望远镜的焦面上，光纤阵列发出的激光依次经过平面折转镜、三镜、次镜和主镜的反射后以设定的发散角出射，并且所有元具有相同的出射发散角，在地面形成大小相等、间距均匀的足印光斑分布。设计上，离轴三反光学系统采取正向设计、反向使用的思路。根据发射光纤的芯径d和单元发散角为α，计算出离轴三反系统的焦距f，如公式(1)所示。

f＝d/α          (1)

若光纤的数值孔径为NA，为了提高系统能量的利用率，对无穷远成像设计的离轴三反系统的像方数值孔径要大于光纤数值孔径，即需要使系统的F数满足进而确定离轴三反的光学口径需要满足公式(2)所示。

$D>2*\mathrm{NA}*f=2*\mathrm{NA}*\frac{d}{a}---\left(2\right)$

系统的总视场确定了光纤阵列的总长度，若系统的总视场为θ，那么光纤阵列的宽度为公式(3)所示。

$L=2f*\tan (\mathrm{\θ}/2)=2\frac{d}{\mathrm{\α}}*\tan (\mathrm{\θ}/2)---\left(3\right)$

根据以上所述的系统参数，可以设计出对无穷远成像的三反望远镜系统。为了激光能量的高效率利用，离轴三反望远镜设计时严格地实现像方远心(远心度小于0.1°)，并且为了使出射的光斑足印在地面上实现均匀等间距的分布，离轴三反光学系统需严格控制畸变。尽可能地提高系统的成像质量，光学系统的波前误差达到衍射极限对于单元发散角控制在设计指标理论值是非常有意义的。此外，为了装调的方便，三个反射镜之间无相对倾斜，只存在偏心。

将设计完成的离轴三反光学系统进行反向的光线追迹，光纤阵列置于三反的焦面位置，计算不同视场位置每一元光纤发出的激光在主镜出射后的发散角，以及在地面足印光斑的分布，可得到激光发射系统的设计性能。

本发明的有益效果是：使用加工、装调工艺较为成熟的离轴三反系统实现扫帚式激光三维的发射光学系统，理论上可以实现任意多元的激光的微小角度发射。离轴三反在发散角较小时的长焦情况下能够有比较紧凑的结构，并且具有很好的畸变校正能力，系统远心的设计使光纤出射的激光能量得到高效率的出射。

附图说明

图1是实施例发射离轴三反结构示意图。

图2是实施例离轴三反成像点列图。

图3是实施例离轴三反在1064nm波段的传递函数。

图4是实施例离轴三反在1064nm波段的波像差。

图5是实施例离轴三反的畸变分布。

图6是实施例离轴三反光纤阵列的各元激光出射的发散角分布。

图7是实施例离轴三反位于500km轨道高度，在地面上各元激光对应的足印光斑大小分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示，本发明一种基于光线阵列的离轴三反扫帚式激光三维成像发射系统，置于离轴三反焦面位置的光纤阵列发出的激光，经平面折转镜反射、离轴三反望远镜扩束后在离轴三反的主镜上以要求的发散角均匀地出射。实施例发射系统的参数如表2所示。

表2、实施例设计指标

项目	大小
		光纤芯径	20um
光纤数值孔径	0.08
		单元发散角	20urad
总视场	20mrad
		光纤元数	51元

实施例离轴三反发射系统参数计算过程为：发射光纤阵列的芯径为20um，单元发散角为20urad，那么根据公式(1)可以计算出离轴三反系统的焦距为f＝1000mm。光纤的数值孔径为NA＝0.08，为了提高系统能量的利用率，离轴三反系统的像方数值孔径要大于0.08，即需要F＜6.25，即需要光学系统的口径D>160mm。若系统的总视场为20mrad，那么根据公式(3)可以计算光纤阵列的宽度为20mm。

根据以上的系统参数，最终设计的离轴三反发射系统如图1所示，其在1064nm波段对无穷远成像的点列图、传递函数、波像差以及畸变分别如图2、3、4、5所示，每个视场的像方远心度均达到0.1°以内。对系统进行反向的光线追迹，每个视场位置的单元光纤在主镜上出射的发散角曲线如图6所示，在500km轨道高度，每一元激光在地面上对应的足印光斑大小曲线如图7所示，位于不同视场位置的激光单元在地面上足印中心的理论位置和实际计算位置(距中心单元足印中心的距离)如表3所示，其偏差均在本实施例的指标要求范围内。表3、不同视场处的足印间距

Claims (2)

1.一种离轴三反推帚式激光三维成像发射系统，它包括发射光纤阵列(1)、平面折转镜(2)和离轴三反望远镜(3)，其特征在于：

光纤阵列(1)置于离轴三反望远镜(3)的焦面上，其出射的多元激光，经过平面折转镜(2)反射、以及离轴三反望远镜(3)扩束后并行出射。

2.根据权利要求1所述的一种离轴三反推帚式激光三维成像发射系统，其特征在于：所述的离轴三反望远镜(3)为像方远心望远镜系统，系统参数确定方法如下：

焦距f

f＝d/α   (1)式中：d为发射光纤的芯径，α为发射光纤单元的发散角；

相对孔径F

$F<\frac{1}{2*\mathrm{NA}}---\left(2\right)$ 式中：NA为光纤的数值孔径；

系统视场角θ：

$L=2f*\tan (\mathrm{\&theta;}/2)=2\frac{d}{\mathrm{\&alpha;}}*\tan (\mathrm{\&theta;}/2)---\left(3\right)$

式中：L为发射光纤阵列(1)的总长度。