CN106405573A - 一种基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像系统 - Google Patents

一种基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像系统。其特征在于：四路激光经目标表面散射后，分别经由四个偏轴视场进入一个新颖的共轴三反无焦望远镜接收系统，经过视场折转镜反射后，采用分色片进行波段分离，激光接收通道既可以实现对激光回波的信号采集，面阵成像通道又可以实现对激光足印二维空间目标的拍照，从而实现多波束激光三维成像。本发明解决了现有激光主动探测技术中多束激光反射回路共用一个接收望远镜的难题，采用本发明所述的大视场共轴三反无焦望远镜，利用偏轴视场结合激光接收通道和面阵成像通道，布局上可对至少四束激光波束回波进行测量。

Description

一种基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像系统
技术领域
本发明涉及星载激光三维成像领域中的接收光学系统，具体是指一种用于接收四路激光回波和对地高分辨率成像的共轴三反式无焦望远镜形式。
背景技术
激光三维成像技术是一种新兴的主动光学成像技术，它是指利用发射激光信号的目标回波二维分布信息和目标距离信息合成目标图像的一种成像方法。由于三维图像较二维图像包含更丰富的目标信息，有利于借助目标图像识别目标特征，甚至可发现并识别经过伪装或隐藏于树林中的目标，因而，在地形测绘、城市建设、工程施工、环境监测等军事、民用领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。其中星载三维成像技术采用卫星平台，运行轨道高、观测视野广，可以触及世界的每一个角落，为境外地区三维控制点和数字地面模型的获取提供了新的途径，无论对于国防或是科学研究都具有十分重大的意义。
星载激光雷达实验始于20世纪90年代初。30年来，世界主要空间大国竞先开展星载激光雷达的研究，主要应用于全球测绘、地球科学、大气探测、月球、火星和小行星探测、在轨服务、空间站等。其中，美国的星载激光雷达技术、应用、规模处于绝对领先位置。美国公开报道的典型激光雷达系统有MOLA、MLA、LOLA、GLAS、ATLAS、LIST等。其中比较典型的有美国ICESat卫星上的激光测高仪GLAS、美国的月球轨道高度计LOLA、预计2015年发射的先进地形激光测高系统ATLAS、预计2025年发射的全球地形测量系统LIST等。其中典型的光学结构例如GLAS的卡塞格林两反接收望远镜，或者LOLA的透射式接收光路结构。
由美国对地观测激光雷达系统发展规划来看，其发展趋势由单波束逐渐过渡到多波束探测，后续发展瞄准密集光束推扫探测，从而提高信息获取效率。多波束星载三维探测为接收望远镜的光学设计带来了极大的难度，主要体现在：
1反射式接收望远镜对全波段没有色差，但是两反系统视场较小，难以形成两个波束或以上的视场分割的探测通道。若采用分色片对相同波长激光通道进行分光，会大大消弱各通道的光学探测效率。
2由于大尺寸透镜材料难以获取，透射式接收望远镜较难被使用在星载探测领域中。
3若采用独立式接收望远镜系统，即一个发射激光对应一个接收系统，多波束接收光学必然对应较多的望远镜，对受到重量和体积限制的星载探测器，这都是极大的压力。
4高分辨率对地观测成像和高精度距离成像难以兼得。仪器对激光足印完成距离测量的同时，还需对激光足印附近地物完成拍照，两者对应中心视场需相同。若完成四个激光通道的探测，通道数达到8路，望远镜选型和光学布局难度极大。
而将共轴三反非球面无焦望远镜形式应用在四波束激光三维成像系统，解决了多通道同时完成激光测距和拍照功能光学结构的选型问题，多通道共用一个接收望远镜，布局更加紧凑。结合推扫成像模式，实现了激光密集采样，提高了探测效率。
发明内容
综上所述，如何将激光多波束探测与新型光学系统形式相结合来为研究激光三维成像雷达提供一种新的技术手段，乃是本发明所要解决的技术问题，为此，本发明的目的是提供一种大视场全反射式紧凑型共轴三反非球面无焦望远镜光学系统。
本发明的技术构思是根据推扫式激光三维成像雷达的原理进行设计，将共轴三反非球面无焦系统作为望远镜形式，采用偏轴视场，对不同激光回波波束分别利用激光接收通道会聚进行距离信息采集、利用面阵成像通道进行地物图像采集，再经过数据处理和三维图像反演等过程得到目标的三维图像信息。即本发明的技术解决方案如下：
根据本发明的四波束共轴三反无焦望远镜激光三维成像光学系统，包括一个大视场共轴三反非球面系统，该望远镜含有三个二次曲面非球面反射镜，前光路部分为共轴三反非球面无焦望远镜，由望远镜主镜、次镜和三镜组成。后光路部分分为四个相同模块，各自包括一个视场折转镜、一个分色片、一个激光接收通道和一个面阵成像通道，激光接收通道由两个透镜组成，面阵成像通道是离轴三反TMA形式，由两个二次离轴非球面和一个球面反射镜组成。坐标Z轴为光轴方向，X轴为系统子午方向，Y轴为系统弧矢方向。
特点是：
a.望远镜为无焦形式，不同无限远地物成像经过望远镜后光线为平行光，有利于后光学进行分光，以及各个通道独立布局。
b.望远镜对应四个波束通道采用偏轴视场设计方案，进行四个波束通道分离。
c.与共轴三反非球面无焦望远镜依次成光路联接的有4个视场折转镜、4个分色片、4个激光接收通道、4个面阵成像通道。光学系统分为前光路和后光路部分，前光路为一个共轴三反非球面无焦望远镜，由主镜、次镜和三镜组成；后光路部分分为四个接收成像模块，各自包括一个视场折转镜、一个分色片、一个激光接收通道和一个面阵成像通道。
d.前光路共轴三反非球面无焦望远镜主镜为系统入瞳，次镜在主镜左方，三镜位于主镜右方，视场折转镜、分色片、激光接收通道和APD光电探测器位于主镜和三镜之间，面阵成像通道位于三镜右方，面阵CCD相机位于主镜和三镜之间。
e.四束激光束分别与激光三维成像光学系统光轴在X方向呈+1°、-1°角度关系，在Y方向呈+1°、-1°角度关系。每个接收成像模块对应一个方向的激光接收光束，并对其脚印视场内成像；Y方向+1°视场成像在后光路模块B位置、Y方向-1°视场成像在后光路模块A位置、X方向+1°视场成像在后光路模块D位置、X方向-1°视场成像在后光路模块C位置。
f.以Y方向-1°偏轴视场为例，其它三个成像视场路径与此相同。与接收望远镜光轴呈-1°角度的激光光束发射，其光束经过地面反射回波后，通过前光路的共轴三反非球面无焦望远镜，然后经视场折转镜发射，由分色片进行激光1064nm波段和激光足印景物400-900nm分离，分色片透射1064nm波段激光回波信息后，由激光接收通道将能量聚集到APD光电探测器上，数据处理计算出光脉冲飞行时间，从而得到距离值，实现地物目标高程特征信息的反演。激光足印附近的400-900nm波段范围内二维地面景物，同样通过共轴三反非球面无焦望远镜，经过视场折转镜反射后，分色片反射400-900nm波段，再由面阵成像通道，将二维地物成像在面阵CCD相机上，实现激光足印附近二维空间地物目标的拍照采集。
所述的一个共轴三反非球面无焦望远镜为全反射式同轴非球面系统，主镜、次镜和三镜为二次标准曲面。所述的四个视场折转镜为石英平面反射镜。所述的四个分色片为石英滤光片，对400-900nm波段光束反射，对1064nm激光光束透射。所述的四个激光接收通道由透射式或折反射式系统及APD光电探测器组成。所述的面阵成像通道，由全反射式离轴三反TMA系统或者透射式或折反系统及面阵CCD相机组成。
本发明由于把共焦三反非球面无焦望远镜与多波束激光三维成像雷达相结合，将两反式卡塞格林系统改进成三反式无焦形式，使之成像视场更大，明显地提升了多波束探测的功能，本发明系统的优点如下：
1可对至少4个激光波束进行可见光成像和激光回波测量，实现了激光密集采样，提高了信息获取效率。
2望远镜设计为大视场无焦模式，有利于后光路分光与单独设计，提高了激光回波的接收效率，实现了多波束共用一个接收望远镜，大大节省了仪器的体积和重量。
3采用分色片对激光波段和可见波段进行分光，实现了距离测量和二维空间拍照的共视场性。
4激光接收通道光学设计仅采用两片式透镜形式，结构简单，光学效率高，便于加工和装调。
5面阵成像通道采用大视场设计方案，成像质量高，光学畸变最大视场仅为8微米，空间分辨率高达5μrad，有利于测绘领域中的图像耦合。其中采用离轴三反TMA系统，全反系统不受色差的影响，次镜设计为球面镜，解决了凸非球面难以加工检验的难题；采用全球面透射式系统，容易加工，结构简单。
6系统全采用通用二次非球面面形，技术成熟，计算容差灵敏度适合现有技术手段的实施。
7光学系统形式应用广泛，能应用于全球测绘、地球科学、大气探测、月球、火星和小行星探测、在轨服务、空间站等各种激光三维成像领域。
附图说明
图1为四波束激光三维成像光学系统YZ面投影结构图；
图2为四波束激光三维成像光学系统XZ面投影结构图；
图中：(1)一个共轴三反非球面无焦望远镜、(2)四个视场折转镜、(3)四个分色片、(4)四个激光接收通道、(5)四个面阵成像通道、(6)APD光电探测器、(7)四个面阵CCD相机。
具体实施方式
我们设计了一种基于共轴三反无焦望远镜的激光四波束三维成像光学系统，像质接近衍射极限，系统主要技术指标如下：
1可对至少4个激光波束进行可见光成像和激光回波测量；
2主镜口径500mm；
3谱段范围：400-900nm(可见光成像)和1064nm(激光成像)；
4空间分辨率：优于5μrad，与探测距离、望远镜系统焦距和CCD相机像元尺寸有关，当望远镜焦距为3.6m、像元尺寸为18微米、探测距离为700km时，则空间分辨率可达3.5m；
5光学系统F数为3.5；
6二维地物成像视场达到0.5°×0.5°、绝对畸变最大视场为8微米、光学设计在截止频率处平均MTF为0.7。
光学系统具体设计参数如表1所示：
表1光学系统具体设计参数

Claims (6)

1.一种基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像系统，包括一个共轴三反非球面无焦望远镜(1)，与该望远镜依次成光路联接的有4个视场折转镜(2)、4个分色片(3)、4个激光接收通道(4)、4个面阵成像通道(5)；光学系统分为前光路和后光路部分，前光路为一个共轴三反非球面无焦望远镜(1)，由主镜、次镜和三镜组成；后光路部分分为四个接收成像模块，各自包括一个视场折转镜、一个分色片、一个激光接收通道和一个面阵成像通道；其特征在于：
前光路共轴三反非球面无焦望远镜(1)的主镜为四波束激光三维成像光学系统入瞳，次镜在主镜左方，三镜位于主镜右方，视场折转镜、分色片、激光接收通道和(6)APD光电探测器位于主镜和三镜之间，面阵成像通道位于三镜右方，面阵CCD相机(7)位于主镜和三镜之间；
四束激光束分别与激光三维成像光学系统光轴在X方向呈+1°、-1°角度关系，在Y方向呈+1°、-1°角度关系；每个接收成像模块对应一个方向的激光接收光束，并对其激光足印视场内成像；Y方向+1°视场成像在后光路模块B位置、Y方向-1°视场成像在后光路模块A位置、X方向+1°视场成像在后光路模块D位置、X方向-1°视场成像在后光路模块C位置；
Y方向-1°激光束的激光三维成像过程为：激光器发射的与接收望远镜光轴呈-1°角度的激光光束经过地面反射回波后，通过前光路的共轴三反非球面无焦望远镜(1)，然后经视场折转镜发射，由分色片进行激光1064nm波段和激光足印景物400-900nm分离，分色片透射1064nm波段激光回波信息后，由激光接收通道将能量聚集到APD光电探测器上，数据处理计算出光脉冲飞行时间，从而得到距离值，实现地物目标高程特征信息的反演；激光足印附近的400-900nm波段范围内二维地面景物，同样通过共轴三反非球面无焦望远镜(1)，经过视场折转镜反射后，分色片反射400-900nm波段，再由面阵成像通道，将二维地物成像在面阵CCD探测器上，实现激光足印附近二维空间地物目标的拍照采集；其余三个视场激光三维成像过程与此相同。
2.根据权利要求1所述的基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像系统，其特征在于：所述的一个共轴三反非球面无焦望远镜(1)为全反射式同轴非球面系统，主镜、次镜和三镜为二次标准曲面。
3.根据权利要求1所述的基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像系统，其特征在于：所述的4个视场折转镜(2)为石英平面反射镜。
4.根据权利要求1所述的基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像系统，其特征在于：所述的4个分色片(3)为石英滤光片，对400-900nm波段光束反射，对1064nm激光光束透射。
5.根据权利要求1所述的基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像系统，其特征在于：所述的4个激光接收通道(4)由透射式或折反射式系统及APD光电探测器(6)组成。
6.根据权利要求1所述的基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像系统，其特征在于：所述的面阵成像通道(5)由全反射式离轴三反TMA系统、透射式或折反系统及面阵CCD探测器组成。
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