CN105954734A - 大口径激光雷达光轴监测装置 - Google Patents

Abstract

一种大口径激光雷达的高灵敏度高精度的光轴监测装置。该装置于大口径激光雷达的接收后光学系统中设定一个主动参考光轴，主动参考光轴以天基参考系统为基础，指向与几颗恒星的星场保持相对固定。通过合束系统同步建立雷达发射光轴、雷达接收光轴，通过面阵成像相机收集各光轴偏移量的动态数据，实时进行光轴比对，计算得到雷达收发光轴的偏移量。该偏移量可通过雷达内主动反馈装置进行动态补偿，最终达到收发光轴同轴匹配，保证激光雷达的抗干扰性能、探测精度和探测效率。本发明结构简洁高效，伴随着大口径激光雷达的推广应用，在国防、测绘以及航天等领域可以得到广泛应用。

Description

大口径激光雷达光轴监测装置

技术领域

本发明主要领域为精密光学设计，涉及光学分析以及机械设计等学科，可应用在激光雷达或者高精光机的设计组成。

背景技术

大口径激光雷达，由于复杂的光机结构，容易受到温度、力学振动等等影响。尤其是星载激光雷达，运行时承受外界环境的复杂变化，在发射时会受到较大的力学冲击，入轨后产生重力释放，太阳的照射方向不断改变导致的温度交变等等。对于接收视场角仅为数百微弧度的激光雷达而言，数十微弧度的光轴偏转带来的影响都非常严重，因此光轴监测装置对于大口径激光雷达而言是必须重视的。目前国内在此领域的研究还处在初步发展阶段，国际上目前主要是针对星载激光雷达进行了相应的光轴监测研究，已有几种成熟方案在地球科学激光测高仪、正交偏振云—气溶胶激光雷达等星载激光雷达上成功运行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，针对国内现有技术的不足，提出一种大口径激光雷达的光轴监测装置，能够同时监测大口径激光雷达收发光轴，与以恒星为基准的主动参考光轴比对，通过面阵相机成像得出偏转情况，监测精度高，并且装置结构精简，具有可行性。

本发明的技术方案如下：

一种大口径激光雷达的光轴监测装置，包括接收望远镜主镜和固定在望远镜次镜支架上的接收望远镜次级镜组，还包括面阵相机、聚焦透镜组、第一光楔、偏振合束器、第二光楔、主动参考光源、角锥棱镜、第三光楔、小孔反射镜、雷达激光发射器、反射镜、第一五角棱镜、第二五角棱镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和雷达接收光轴参考反射镜，该雷达接收光轴参考反射镜固定在望远镜次镜支架上；

由主动参考光源发射的激光，依次经第一聚焦透镜和第二光楔到达偏振合束器，经偏振合束器透射的P偏振分量和经偏振合束器反射的S偏振分量；所述的P偏振分量进入角锥棱镜并回射再次进入偏振合束器，并经该偏振合束器反射后，依次通过第一光楔和聚焦透镜组到达面阵相机；所述的S偏振分量射入第一五角棱镜后转向90°，经过第三光楔到达小孔反射镜，其中一部分光经小孔反射镜反射后入射到反射镜，该反射镜的反射光入射到雷达接收光轴参考反射镜后经该雷达接收光轴参考反射镜反射，再次经所述的反射镜、小孔反射镜、第三光楔、第一五角棱镜、偏振合束器、第一光楔、聚焦透镜组到达面阵相机；

由雷达激光发射器发射的激光，经第二聚焦透镜入射到第二五角棱镜后转向90°，射向小孔反射镜，其中一部分光经小孔反射镜的小孔透射后经第三光楔，到达第一五角棱镜，再次转向90°，经偏振合束器、第一光楔和聚焦透镜组到达面阵相机。

所述主动参考光源发射激光通过第一聚焦透镜、第二光楔、偏振合束器、光楔、聚焦透镜组之后会聚在面阵相机的光敏面，即为主动参考光轴。

所述雷达激光发射器发射激光通过聚焦透镜、第二五角棱镜、小孔反射镜、第三光楔、第一五角棱镜、偏振合束器、第一光楔、聚焦透镜组之后会聚在面阵相机的光敏面，即为雷达发射光轴。

所述主动参考光源发射激光通过第一聚焦透镜、第二光楔、偏振合束器、第一五角棱镜、第三光楔、小孔反射镜、反射镜、雷达接收光轴参考反射镜，反射后再次经过小孔反射镜、雷达接收光轴参考反射镜、反射镜、小孔反射镜、第三光楔、第一五角棱镜、偏振合束器、第一光楔和聚焦透镜组之后会聚在面阵相机的光敏面，即为雷达接收光轴。

本发明设立一个作为标准的主动参考光轴，并通过一系列光学系统实现主动参考光轴、雷达发射光轴和雷达接收光轴在同一个面阵相机光敏面上成像，通过获取相机图像来监测光轴偏转情况，以及后续的数字图像处理与运算来获得偏差量。

本发明的原理：

通过对面阵相机接收的图像数据进行图像处理解算，实时计算代表主动参考光轴、雷达接收光轴、雷达发射光轴光斑之间的的相对关系，通过坐标变换，得出雷达收发光轴之间的偏差。

将主动参考光源与雷达中星敏感器结构固联，建立以恒星观测为基准的主动参考光轴：主动参考光源发射的激光通过偏振合束器时，利用偏振合束器对激光不同偏振态分量的分光能力，将分光获得的两种偏振光，分别用来构建主动参考光轴和雷达接收光轴。

由于雷达接收到的后向散射信号低于面阵相机的感光灵敏度，因此利用主动参考光源，将部分光入射到该平面镜上，此时经过一系列光学系统最终同样会聚到面阵相机的光敏面上。在雷达系统中引入雷达接收光轴的参考反射镜，将一小口径平面反射镜安放在靠近雷达接收望远镜的次镜的支架结构上。该反射镜的偏转方向代表了接收望远镜的次镜变动，从而表征了雷达接收光轴的变化，故以此建立雷达接收光轴。

最后，建立雷达的发射光轴：将雷达激光器发射激光的一部分通过光学系统射向小孔反射镜，部分光束透射过小孔，经过光学系统在相机光敏面留下相应的光斑，建立发射光轴。最终代表雷达发射轴、接收轴以及主动参考光轴的三束光合束。面阵相机可以采集到以上光束的光斑图像，采集到的图像经数据处理系统进行图像处理、运算得到收发光轴坐标与主动参考标准坐标所构成的偏转向量，转换为光轴的偏转角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：通过合束的策略同步建立雷达发射光轴、雷达接收光轴与主动参考光轴比对的系统。通过面阵成像相机收集各光轴偏移量的动态数据，实时进行光轴比对，监测效率高、精度高、监测结果可进行合理的数字化。通过本发明的监测，雷达可以进行后续的反馈补偿处理，从而达到收发光轴同轴匹配，保证激光雷达的抗干扰性能、探测精度和探测效率。本发明结构简洁高效，伴随着大口径激光雷达的推广应用，在国防、测绘以及航天等领域可以得到广泛应用。

附图说明

图1为本发明大口径激光雷达的光轴监测装置的光路示意图。

图中：面阵相机1、聚焦透镜组2、第一光楔3、偏振合束器4、第二光楔5、主动参考光源6、角锥棱镜7、第三光楔8、小孔反射镜9、雷达激光发射器10、反射镜11、接收望远镜次级镜组12、接收望远镜主镜13、雷达接收光轴参考反射镜14、第一五角棱镜15、第二五角棱镜16、第一聚焦透镜17、第二聚焦透镜18。

图2为一般情况下光斑示意图。

图3为坐标系示意图。

具体实施方式

下面阐述一个星载激光雷达的主动光轴监测装置的具体实施方式。

在图1的垂直方向上，第二光楔5、偏振合束器4、角锥棱镜7同轴，第一五角棱镜15、第三光楔8、第二五角棱镜16同轴，以上二轴平行。水平方向上，第一五角棱镜15、偏振合束器4、第一光楔3、聚焦透镜组2同轴；反射镜11的法线与图示垂直方向偏转45°的方向存在一个极微小的夹角α；雷达接收光轴参考反射镜14通过刚性结构固联在接收望远镜次级镜组12的支架上；反射镜11要求安装在可以接收到雷达接收光轴参考反射镜14反射的后向散射信号的位置。

装置进行工作时，首先是利用主动参考光源6发射的激光建立主动参考光轴，主动参考光源6发射的激光经过第一聚焦透镜17与第二光楔5后，进入偏振合束器4。根据偏振合束器的功能，主动参考光源6发射的激光的P分量可以直接透射进入角锥棱镜7，并且回射以反方向再次进入偏振合束器4，这时这一部分光将90°反射通过第一光楔3与聚焦透镜组2，最终在面阵相机1光敏面留下光斑，该光斑代表主动参考光轴。

同时进入偏振合束器4的S偏振分量90°反射向第一五角棱镜15，转向90°后通过第三光楔8，经小孔反射镜9的反射光射向反射镜11，经反射镜11反射到达雷达接收光轴参考反射镜14。由于雷达接收光轴参考反射镜14代表了雷达接收望远镜次镜的转向，因此这一部分激光即带有雷达接收光轴信息。同时因为反射镜11与垂直反射位置有个极微小的夹角α，雷达接收光轴参考反射镜14的反射光路径将不会完全重合入射的路径，但是会再次经过同样的光学系统，到达面阵相机1光敏面并成像，代表激光雷达的接收光轴。雷达激光发射器10在工作时，将发射激光的射向小孔反射镜9，一部分激光通过透射孔经所设计的光学系统到达面阵相机1的光敏面并成像。由于代表三个光轴的三束激光都通过聚焦透镜组2、第一光楔3、偏振合束器4构成的光路而合束，在相机光敏面留下分别带有各自光轴信息的光斑，可以通过后续的数字图像处理提取光斑信息，进而数据处理分析，得到收发光学系统光斑与主动参考光光斑位置的偏差，从而达到监测目的。

光学设计的考虑：面阵相机1的选择，考虑激光雷达发射激光的波长、雷达的光轴监测精度要求等参数，选取感光波段涵盖激光雷达发射激光波长、分辨率高以及单像素尺寸远小于误差要求范围的相机。对应相机的敏感波段，主动参考光源6选取合适波长的LD。为提高光斑的定位精度，需要主动参考光轴、雷达接收光轴、雷达发射光轴光斑的光斑尺寸、强度相当，这通过调节光学元件的分光比等加以控制。方便在数字图像处理时提取原始信号特征量，降低图像处理阶段的算法误差。

如图2是一般情况下获得的光斑图像。

建立一个坐标系，以主动参考光轴的光斑中心位置作为坐标系原点(0，0，0)，依次经过聚焦透镜组2、第一光楔3、偏振合束器4的轴线方向为z轴正方向，建立坐标系示意图如图3。

设经过数字图像处理与运算后得到的发射光轴光斑中心位置(x_e,y_e)；接收光轴光斑中心位置：(x_r，y_r)。根据完成的光学设计及雷达的结构设计建立光轴的变换矩阵。聚焦透镜组2的焦距为已知参量f，假设雷达发射光轴的方向为(θx\θy)，变换矩阵为Me；雷达发射光轴的方向为(Φx\Φy)，变换矩阵为Mr；主动参考光轴的方向为(Ψx\Ψy)，即z轴方向为-(Ψx\Ψy)。获得发射光轴、接收光轴与参考光轴之间的偏转Δθ与ΔΦ分别表示为公式(1)与公式(2)：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=\arctan \frac{\sqrt{{x_e}^2+{y_e}^2}}{f}{\[Me\]}^{-1}---\left(1\right)$

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\Φ}=\arctan \frac{\sqrt{{x_r}^2+{y_r}^2}}{f}{\[Mr\]}^{-1}---\left(2\right)$

由于利用了高分辨率的相机进行光斑监测，能够获得高精度的光轴监测。通过图像处理质心法，可以获得0.1～0.2像元的定位精度，假定相机像元尺寸a，相机的焦距为F，则光轴的定位精度可以达到0.2a/F。在此若设计值为a＝5um，f＝200mm，则光轴监测精度可以达到5urad。还可以通过光学变换的方法增加角放大率，从而获得更好地光轴监测精度。

Claims (5)

1.一种大口径激光雷达的光轴监测装置，包括接收望远镜主镜(13)和固定在望远镜次镜支架上的接收望远镜次级镜组(12)，其特征在于，还包括面阵相机(1)、聚焦透镜组(2)、第一光楔(3)、偏振合束器(4)、第二光楔(5)、主动参考光源(6)、角锥棱镜(7)、第三光楔(8)、小孔反射镜(9)、雷达激光发射器(10)、反射镜(11)、第一五角棱镜(15)、第二五角棱镜(16)、第一聚焦透镜(17)、第二聚焦透镜(18)和雷达接收光轴参考反射镜(14)，该雷达接收光轴参考反射镜(14)固定在望远镜次镜支架上；

由主动参考光源(6)发射的激光，依次经第一聚焦透镜(17)和第二光楔(5)到达偏振合束器(4)，经偏振合束器(4)透射的P偏振分量和经偏振合束器4反射的S偏振分量；所述的P偏振分量进入角锥棱镜(7)并回射再次进入偏振合束器(4)，并经该偏振合束器(4)反射后，依次通过第一光楔(3)和聚焦透镜组(2)到达面阵相机(1)；所述的S偏振分量射入第一五角棱镜(15)后转向90°，经过第三光楔(8)到达小孔反射镜(9)，其中一部分光经小孔反射镜(9)反射后入射到反射镜(11)，该反射镜(11)的反射光入射到雷达接收光轴参考反射镜(14)后经该雷达接收光轴参考反射镜(14)反射，再次经所述的反射镜(11)、小孔反射镜(9)、第三光楔(8)、第一五角棱镜(15)、偏振合束器(4)、第一光楔(3)、聚焦透镜组(2)到达面阵相机(1)；

由雷达激光发射器(10)发射的激光，经第二聚焦透镜(18)入射到第二五角棱镜(16)后转向90°，射向小孔反射镜(9)，其中一部分光经小孔反射镜(9)的小孔透射后经第三光楔(8)，到达第一五角棱镜(15)，再次转向90°，经偏振合束器(4)、第一光楔(3)和聚焦透镜组(2)到达面阵相机(1)。

2.根据权利要求1所述的大口径激光雷达的光轴监测装置，其特征在于：所述主动参考光源(6)发射激光通过第一聚焦透镜(17)、第二光楔(5)、偏振合束器(4)、第一光楔(3)、聚焦透镜组(2)之后会聚在面阵相机(1)的光敏面，即为主动参考光轴。

3.根据权利要求1所述的大口径激光雷达的光轴监测装置，其特征在于：所述雷达激光发射器(10)发射激光通过第二聚焦透镜(18)、第二五角棱镜(16)、小孔反射镜(9)、第三光楔(8)、第一五角棱镜(15)、偏振合束器(4)、光楔(3)、聚焦透镜组(2)之后会聚在面阵相机(1)的光敏面，即为雷达发射光轴。

4.根据权利要求1所述的大口径激光雷达的光轴监测装置，其特征在于：所述主动参考光源(6)发射激光通过第一聚焦透镜(17)、第二光楔(5)、偏振合束器(4)、第一五角棱镜(15)、第三光楔(8)、小孔反射镜(9)、反射镜(11)、雷达接收光轴参考反射镜(14)，反射后再次经过小孔反射镜(9)、雷达接收光轴参考反射镜(14)、反射镜(11)、小孔反射镜(9)、第三光楔(8)、第一五角棱镜(15)、偏振合束器(4)、第一光楔(3)和聚焦透镜组(2)之后会聚在面阵相机(1)的光敏面，即为雷达接收光轴。

5.根据权利要求1或2所述的大口径激光雷达的光轴监测装置，其特征在于：所述主动参考激光光源(6)与雷达内的星敏传感器相固联，其发射光轴以恒星作为参考标准。