CN108845329A - 一种环形视场的一体化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明环形视场的一体化系统，采用共用主光学系统，以及各自独立的后续元件及接受器件，构成三个个独立的模块：包括高分辨率成像模块、多波束激光回波探测模块和大气回波探测模块；高分辨率成像模块实现可见光多光谱高分辨率成像功能；多波束激光回波探测模块实现五波束激光回波接收功能，大气回波探测模块实现大气回波接受功能。三个通道通过合理布设，形成环形视场。本发明光学系统具有光机结构集成度高、高分辨率、体积小、重量轻等优点，实现对大范围地物的高分辨率、高精度测距、云气溶胶检测和立体测绘功能。

Description

一种环形视场的一体化系统
技术领域
本发明属于空间光学遥感器技术领域，涉及一种环形视场的多功能一体化系统。
背景技术
自20世纪90年代以来，国际已发射的激光测距仪近20台套，从公开报道的资料看，美国发射成功的月球观测Clementine系统中的激光测距Lidar、火星观测激光测距系统MOLA-2、地球科学观测激光测距系统GLAS、月球侦察轨道器卫星配备的月球轨道器激光高度表LOLA和由俄罗斯发射的kocmoc-1246测绘卫星配备的激光测距仪具有代表性。其中MOLA-2、LOLA和kocmoc-1246的激光波长均为单波长1064nm接收口径分别为500mm、140mm和250mm，而Clementine和GLAS则采用了双波长1064nm和532nm，接收口径分别为131mm和1000mm；其光学系统均采用轴上视场点，实现单波束探测；光学系统结构形式两反加矫正镜组压缩平行光路，经过窄带滤光片后通过汇聚镜组汇聚于APD上。计划中下一代星载激光测距系统则以美国第二代地球科学观测激光测距系统ATLAS和对地观测激光三维成像雷达系统LIST为典型代表，接收口径达到500～1000mm以上，其中ATLAS为6波束单波长(532nm)探测，LIST为1000波束单波长(1030nm)探测。
国内方面，2003年由508所研发的XX-4测量卫星激光测距仪收发成功，其后分别于2004年、2005年发射两颗卫星。“嫦娥一号”是中国第一颗绕月探测卫星激光高度计，于2007年发射升空。我国自主研发的SZ-8运输飞船交会对接激光雷达，于2011年首次发射升空。ZY-3星激光测距仪是我国首台自主研发的对地测距激光载荷，2016年发射升空。目前国内研制的激光测距系统，全部为单波长1064nm探测，口径多为米级以下。
表1国外星载激光测距典型系统的主要技术指标
Clementine kocmoc-1246 MOLA-2 GLAS LOLA
国家 美国 俄罗斯 美国 美国 美国
发射时间 1994 1981 1996 2003 2008
观测对象 月球 地球 火星 地球 月球
激光器 DPL 氙灯泵浦 DPL DPL DPL
探测体制 脉冲直探 脉冲直探 脉冲直探 脉冲直探 脉冲直探
轨道高度 500～640km 250km 600km 600km -
测量频率 1Hz/8Hz 1Hz 10Hz 40Hz 10/50Hz
激光波长 1064&532nm 1064nm 1064nm 1064&532nm 1064nm
脉冲能量 171mJ/9mJ 150mJ 48mJ 74mJ/36mJ 3mJ
接收口径 131mm 250mm 500mm 1000mm 140mm
表2国外下一代星载激光测距系统代表的主要技术指标
ATLAS LIST
国家 美国 美国
计划发射时间 2015年 2020年-2025年
观测对象 地球 地球
探测体制 光子计数 光子计数
轨道高度 600km 400km
测量频率 10kHz 10KHz
激光波长 532nm 1030nm
波束数 6 1000
接收口径 500mm～1000mm 2000mm
表3国内星载激光测距仪典型系统的主要技术指标
CE-1 XX-4 ZY-3
首发时间 2007年 2003年 2016年
观测对象 月球 地球 地球
激光器 DPL DPL DPL
轨道高度 200±25km 200±25km 450～650km
探测体制 直探+阈值 直探+阈值 直探+全波形
测量精度 5m 5m 0.3m
测量频率 1Hz 1Hz 2Hz
波束数量 1 1 3
工作波长 1064nm 1064nm 1064nm
单脉冲能量 150±10mJ 150±10mJ 170±10mJ
脉宽 5～7ns 5～7ns 6～8ns
接收口径 128mm 220mm 512mm
通过以上资料可以看出，目前国内外的激光测距光学系统，多为单一功能、单波长且波束数量少，目前已成功在轨应用的系统接收口径较小。而随着使用需求的不断提高，同时为了降低体积重量和成本，需要实现大口径高分辨率成像、多波束激光测距及大气探测的一体化设计，采用常规的光学系统无法解决这一问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种环形视场的一体化系统，解决了其紧凑型一体化探测的难题。
本发明的技术方案如下：环形视场的一体化系统，包括高分辨率成像模块、多波束激光回波探测模块和大气回波探测模块；高分辨率成像模块实现可见光多光谱高分辨率成像功能；多波束激光回波探测模块实现五波束激光回波接收功能，大气回波探测模块实现大气回波接受功能。
所述多光谱成像模块与激光回波探测模块、大气回波探测模块所采用的视场不同；高分辨率成像模块对轴外视场景物成像，多波束激光回波探测模块采用与高分辨率成像模块对称的光轴另一侧视场；大气回波探测模块位于高分辨率成像和多波束激光回波探测视场的外侧。
高分辨率成像模块、多波束激光回波探测模块焦距、大气回波探测模块焦距均为9m、全视场为1.9°，沿飞行方向视场为0.3°～0.4°。
多波束激光回波探测模块5个视场点分别为(-0.9°,-0.6°)、(-0.45°,-0.6°)、(0°,-0.6°)、(0.45°,-0.6°)和(0.9°,-0.6°)；大气回波探测模块视场点为(0.7°，0.2°)，从而形成环形视场设置。
所述高分辨率成像模块、多波束激光回波探测模块和大气回波探测模块均包括共用光学系统、环形反射镜、共用三镜，所述多波束激光回波探测模块和大气回波探测模块均包括第二平面反射镜；所述共用光学系统为同轴两反或同轴三反或离轴结构形式。
高分辨率成像模块还包括多光谱成像模块焦面器件；高分辨率成像通道的视场内发出的光经过共用光学系统形成汇聚点，经环形反射镜和共用三镜后，在多光谱成像模块焦面器件处汇聚成像。
多波束激光回波探测模块还包括二次像面组件、单透镜连接定位耦合光纤和激光回波探测中继透镜组及其焦面组件；多波束激光回波探测模块的5个视场点发出的光线入射共用光学系统形成汇聚点，再经过环形反射镜和共用三镜后，经过第二平面反射镜后，汇聚于二次像面组件处，通过二次像面组件的光束与5个单透镜连接定位耦合光纤连接，经单透镜连接定位耦合光纤导出后的5束光分别通过5个完全相同的激光回波探测中继透镜组及其焦面组件，在各自焦面器件处汇聚。
大气回波探测模块还包括大气回波探测中继透镜组、分色片、激光探测装置和法珀标准具；大气回波探测模块的2个视场内发出的光束，经过光学系统形成汇聚点，再经过环形反射镜、共用三镜和第二平面反射镜后，汇聚于二次像面组件，并与其视场光阑匹配，经过视场光阑后的光，通过大气回波探测中继透镜组，形成平行光束，再经过分色片组件，反射后的光束到达激光探测装置，透过分色片组件的平行光入射至法珀标准具。
单透镜连接定位耦合光纤数值孔径为0.37，激光回波探测中继透镜组数值孔径为0.35；大气回波探测中继透镜组数值孔径较前方汇聚光路数值孔径大，约为0.02。
高分辨率成像模块、多波束激光回波探测模块和大气回波探测模块的光束光斑在环形反射镜上所用的位置不同。
所述共用三镜为调焦反射镜，通过调整三镜位置，使各通道各视场二次像均恢复至最佳焦面位置。
所述环形反射镜和第二平面反射镜面形为平面；环形反射镜和第二平面反射镜的法线位于光学系统子午面内，与主光轴夹角分别为沿光轴方向顺时针转45°和沿光轴方向逆时针转45°。
所述环形反射镜和第二平面反射镜采用的材料为金属铍，或微晶，或碳化硅，或融石英。
本发明与现有技术相比的优点在于：
a.通过多个通道视场对称设置、环形折转反射镜方式，实现光路折叠，降低系统偏场要求，实现大口径下多功能多通道一体化设计。主光学为全反射式光学系统，光机结构紧凑、组成简单、成像质量良好、易于实现，为机载/星载高分辨率可见光/多光谱成像系统/激光雷达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。
通过光学和结构设计可以同时用于高分辨率光谱成像、对地局域成像，使相机能够直接确定可见光成像点与激光成像点的对应位置关系，便于利用可见光影像和激光测距数据进行联合对地目标定位，实现高精度激光地面测量点的水平定位，还可以用于多角度多光谱相机光学和几何参数的综合校正与其互相校验。
b.通过中继透镜组整体偏置方式实现高倍压缩光路，大幅降低透镜组口径和体积，同时实现双波长大气探测，利于实现测距延时实时修正，测距信号波形修正。设计方法可应用于所有的偏视场光学系统输出平行光光路中。
c.通过前光学系统整体共用，使多个通道共光学最佳焦面，可通过同一调焦元件实现不同通道中间像面位置的最佳化，从而实现不同通道视场光阑定量化调整；通过灵活调整单通道后续元件，满足不同通道不同应用需求。
d.通过预置数值孔径，降低中继镜组装配精度要求、提高中继镜组与主光学系统的相对不稳定性适应性和激光发射光轴调整偏差适应性。
e.五波束激光最终经过与耦合光线定位连接的相同参数的单透镜，与5个耦合光纤对接，各波束能量与耦合光纤孔径匹配，有效提高接收效率和工程性。
f.系统集成度高，多通道视场及指标参数可灵活调整，还可根据具体需求拓展光学通道，通过调整前端全反射式系统结构参数，可实现多光谱模块及植被探测回波接收模块的大幅宽，采用高重复频率、全波形采样可实现宽覆盖、高探测率、高作业效率、高水平分辨率、高采样精度、高精度目标高程和垂直结构测量。
附图说明
图1.1为一体化系统实现方法示意图。
图1.2为一体化系统实现方法示意图。
图2为单透镜连接定位耦合光纤。
图3为激光回波探测中继透镜组及其焦面组件示意图。
图4为大气回波探测中继透镜组示意图。
图5为一体化系统各功能模块视场分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的结构组成和工作原理。
如图1.1和1.2所示，本发明系统由共用光学系统、环形反射镜1、共用三镜2、多光谱成像模块焦面器件3、第二平面折转镜4、二次像面组件5、大气回波探测中继透镜组6(如图4所示)、分色片7、激光探测装置8、法珀标准具9、单透镜连接定位耦合光纤10(如图2所示)、激光回波探测中继透镜组及其焦面组件11(如图3所示)。
一体化系统各功能模块视场分布如图5所示，多光谱成像模块与激光回波探测模块、大气回波探测模块视场不同。高分辨率成像模块对轴外视场景物成像，多波束激光回波探测模块采用与高分辨率成像模块对称的光轴另一侧视场；大气回波探测模块位于高分辨率成像和多波束激光回波探测视场的外侧，从而形成环形视场设置。
高分辨率成像通道的视场内发出的光经过共用光学系统(含反射镜1、反射镜2)、环形反射镜1和共用三镜2后，在高分辨率成像通道焦面器件3处汇聚成像。
多波束激光回波探测模块的5个视场点发出的光线入射共用光学系统(含反射镜1、反射镜2)、环形反射镜1、共用三镜2后，经过第二平面反射镜4、二次像面组件5，通过开孔后的光束与5个单透镜连接定位耦合光纤10连接，经耦合光纤导出后的5束光分别通过5个完全相同的中继透镜组11，在各自焦面器件处汇聚，五波束焦面器件完全相同。
大气回波探测模块的2个视场内发出的光束，经过光学系统(含反射镜1、反射镜2)、环形反射镜1、共用三镜2和第二平面反射镜4后，在二次像面处汇聚，与二次像面组件5及其视场光阑匹配。经过视场光阑后的光，通过大气回波探测中继透镜组6，形成平行光束，再经过分色片组件7，反射后的光束到达激光探测装置8，透过分色片组件7的平行光入射至法珀标准具9。
三镜为调焦反射镜，通过调整三镜位置，使各通道各视场均恢复至光学最佳焦面位置，从而在大气回波探测模块的视场光阑位置已定的前提下，视场光阑始终与光学最佳像面位置重合。
具本发明的一个实施方案为：高分辨率成像模块工作谱段为0.45μm-0.9μm，多波束激光回波探测模块谱段1.064μm，大气回波探测模块谱段为1.064μm和0.532μm；高分辨率成像模块焦距为9m、全视场为1.9°，沿飞行方向视场为0.3°～0.4°，探测器为像元尺寸28μm的多光谱TDICCD焦面器件；多波束激光回波探测模块焦距为9m，5个视场点分别为(-0.9°,-0.6°)、(-0.45°,-0.6°)、(0°,-0.6°)、(0.45°,-0.6°)和(0.9°,-0.6°)，每个视场点处探测范围为200urad；大气回波探测模块焦距为9m，一个视场点为(0.7°，0.2°)，单点探测范围为200urad。
多波束激光回波探测模块的5个视场点发出的光线形成5个弥散斑，中间像面组件5上有5个开孔，间距为70mm；多模光纤芯径0.8mm、数值孔径0.37；通过开孔后的光束与5个耦合光纤10对接，经耦合光纤导出后的5束光分别通过5个中继透镜组，在5个焦面器件处汇聚，其焦面器件均为均为尺寸为0.8mm的APD单元探测器。
大气回波探测模块的光束在二次像面处汇聚，与其视场光阑匹配。经过视场光阑后的光，通过大气回波探测中继透镜组6，形成平行光束，经后续分色片后，分别与双波长(1064nm、532nm)后续光学元件匹配。
三镜为调焦反射镜，通过调整三镜位置，使各通道各视场均恢复至最佳焦面位置，从而在大气回波探测模块的视场光阑位置已定的前提下，视场光阑始终与最佳像面位置重合。
共用光学系统包含共用主镜和共用次镜，两反射镜物理同轴，并且其光轴作为光学系统的主光轴，通光口径均为圆形，共用主镜上设置一个通光孔，入射光线从左侧沿主光轴入射至共用主镜上，经过共用主镜及共用次镜反射之后到达各通道后续光学元件及镜组。
环形反射镜1和第二平面反射镜4面形为平面。环形反射镜1和第二平面反射镜4的法线位于光学系统子午面内，与主光轴夹角分别为沿光轴方向顺时针转45°和沿光轴方向逆时针转45°，采用的材料为金属铍，或微晶，或碳化硅，或融石英。环形反射镜1为环形，即外形为矩形，中心开矩形孔。

Claims (13)

1.环形视场的一体化系统，其特征在于：包括高分辨率成像模块、多波束激光回波探测模块和大气回波探测模块；高分辨率成像模块实现可见光多光谱高分辨率成像功能；多波束激光回波探测模块实现五波束激光回波接收功能，大气回波探测模块实现大气回波接受功能。
2.根据权利要求1所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：所述多光谱成像模块与激光回波探测模块、大气回波探测模块所采用的视场不同；高分辨率成像模块对轴外视场景物成像，多波束激光回波探测模块采用与高分辨率成像模块对称的光轴另一侧视场；大气回波探测模块位于高分辨率成像和多波束激光回波探测视场的外侧。
3.根据权利要求1所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：高分辨率成像模块、多波束激光回波探测模块焦距、大气回波探测模块焦距均为9m、全视场为1.9°，沿飞行方向视场为0.3°～0.4°。
4.根据权利要求3所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：多波束激光回波探测模块5个视场点分别为(-0.9°,-0.6°)、(-0.45°,-0.6°)、(0°,-0.6°)、(0.45°,-0.6°)和(0.9°,-0.6°)；大气回波探测模块视场点为(0.7°，0.2°)，从而形成环形视场设置。
5.根据权利要求1-4任意所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：所述高分辨率成像模块、多波束激光回波探测模块和大气回波探测模块均包括共用光学系统、环形反射镜(1)、共用三镜(2)，所述多波束激光回波探测模块和大气回波探测模块均包括第二平面反射镜(4)；所述共用光学系统为同轴两反或同轴三反或离轴结构形式。
6.根据权利要求5任意所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：高分辨率成像模块还包括多光谱成像模块焦面器件(3)；高分辨率成像通道的视场内发出的光经过共用光学系统形成汇聚点，经环形反射镜(1)和共用三镜(2)后，在多光谱成像模块焦面器件(3)处汇聚成像。
7.根据权利要求5任意所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：多波束激光回波探测模块还包括二次像面组件(5)、单透镜连接定位耦合光纤(10)和激光回波探测中继透镜组及其焦面组件(11)；多波束激光回波探测模块的5个视场点发出的光线入射共用光学系统形成汇聚点，再经过环形反射镜(1)和共用三镜(2)后，经过第二平面反射镜(4)后，汇聚于二次像面组件(5)处，通过二次像面组件(5)的光束与5个单透镜连接定位耦合光纤(10)连接，经单透镜连接定位耦合光纤(10)导出后的5束光分别通过5个完全相同的激光回波探测中继透镜组及其焦面组件(11)，在各自焦面器件处汇聚。
8.根据权利要求5任意所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：大气回波探测模块还包括大气回波探测中继透镜组(6)、分色片(7)、激光探测装置(8)和法珀标准具(9)；大气回波探测模块的2个视场内发出的光束，经过光学系统形成汇聚点，再经过环形反射镜(1)、共用三镜(2)和第二平面反射镜(4)后，汇聚于二次像面组件(5)，并与其视场光阑匹配，经过视场光阑后的光，通过大气回波探测中继透镜组(6)，形成平行光束，再经过分色片组件(7)，反射后的光束到达激光探测装置(8)，透过分色片组件(7)的平行光入射至法珀标准具(9)。
9.根据权利要求5所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：高分辨率成像模块、多波束激光回波探测模块和大气回波探测模块的光束光斑在环形反射镜(1)上所用的位置不同。
10.根据权利要求5所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：所述共用三镜(2)为调焦反射镜，通过调整三镜位置，使各通道各视场二次像均恢复至最佳焦面位置。
11.根据权利要求5所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：所述环形反射镜(1)和第二平面反射镜(4)面形为平面；环形反射镜(1)和第二平面反射镜(4)的法线位于光学系统子午面内，与主光轴夹角分别为沿光轴方向顺时针转45°和沿光轴方向逆时针转45°。
12.根据权利要求5所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：单透镜连接定位耦合光纤(10)数值孔径为0.37，激光回波探测中继透镜组及其焦面组件(11)数值孔径为0.35；大气回波探测中继透镜组(6)数值孔径较前方汇聚光路数值孔径大，约为0.02。
13.根据权利要求5所述的环形视场的一体化系统，其特征在于：所述环形反射镜(1)和第二平面反射镜(4)采用的材料为金属铍，或微晶，或碳化硅，或融石英。
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