CN108983257A - 一种具有实时波前补偿功能的激光三维成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有实时波前补偿功能的激光三维成像系统，设计了一种具有渐变厚度的平面变形镜，工作于大口径高分辨率激光三维接收望远镜成像系统中；变形镜采用单点驱动方式，通过中心固定和边缘加力，镜面面形发生均匀曲率变化和正交方向不同变化，从而实现对波前球差和像散等多项像差的补偿；望远镜波像差校正采用闭环控制，波前信息用哈特曼传感器进行采集，进而实现实时补偿。本发明解决了大口径望远镜采用传统焦前平面镜调焦方式仅能补偿重力或温度变形引起离焦和较小范围像差变化的问题。采用本发明的渐变厚度平面变形镜，通过主动改正镜面面形，可以补偿多类低高阶像差，放宽了结构设计和热控要求，降低了大口径望远镜成像系统的研制难度。
Description
技术领域
本发明涉及星载激光三维成像接收光学系统的像差主动补偿技术，具体是指一种利用渐变厚度平面变形镜补偿大口径望远镜由于重力或热变形引起多项像差的方案形式。
背景技术
激光三维成像雷达是一种用于精确、快速获取地面及地面目标三维空间信息的主动式雷达探测技术系统，为全天时传感器，具有受地面背景、天空背景干扰小，并具有高定位精度和高灵敏度、激光脉冲不易受阴影和太阳角度影响等优点，从而大大提高了数据采集的质量。这些特点使它能满足高精度高频度快速环境侦察、军事目标监测尤其是隐蔽目标探测的应用要求。
从国内外空间相机的发展趋势看，欧美等国发射的激光测高雷达MOLA、GLAS等在大口径和高分辨率方面做技术准备。为了实现地面成像分辨率优于4m、测高精度优于0.5m星载三维激光成像雷达的研制，成像仪器对热控技术包括工作温度范围以及关键镜面温度梯度等指标的要求已经非常严格，对现有的热控技术而言挑战非常大。同时对于微小型卫星而言，体积、重量和功耗都有严格的限制，分配给热控系统的允许重量十分有限，这个要求极大地增加了热控设计的难度。同样，大口径三维雷达在发射后轨道运行期间，由于地面与太空的环境不同，镜面必须承受在轨微重力环境引起的重力释放变形，这种变形只能在地面施加应力来模拟微重力环境，但是模拟条件与真实情况存在差异，导致在轨运行仪器成像特点与地面试验情况不一致。
目前的激光雷达探测系统为了解决这些问题，是采用被动的抑制误差源的方法来实现高质量的成像。一般在雷达光路中插入平面转折镜进行调焦的方法来减小镜面温度变形对光学系统像质的影响。这种方法只能解决离焦问题，对镜面温度变形引起的球差、慧差、像散等高阶像差则显得无能为力。控制不同误差源产生的误差需要采用不同的技术和方法，并且和光学设计、结构设计进行交互和折中将误差维持在一定的水平。雷达在轨运行时，除了调焦机构能够补偿一定的离焦和球差以外，这些被动的技术和方法对可能出现的其他像差补偿效果不明显。从光学系统成像的角度来看，力、热环境因素引起的误差最后都表现为光学系统的波前像差，会产生高级球差、彗差和像散等。因此，主动变形镜技术从控制误差来源出发，针对成像波前像差可以直接进行抑制和补偿。在激光三维成像雷达中采用主动变形镜技术为增强空间相机对力、热环境的适应性，简化相机结构，减小相机功耗提供了新的方法，也为更大口径、更长焦距的空间相机提供了技术途径。
发明内容
综上所述，如何将主动变形镜技术与大口径望远镜相结合来解决空间环境适应性的问题，为研究激光三维成像雷达提供一种新的技术手段。为此，本发明的目的是提供一种基于渐变厚度的平面变形镜技术。
本发明为具有实时波前补偿功能的激光三维成像系统，包括望远镜成像系统1、分束镜2、哈特曼传感器3、平面变形镜4和成像CCD相机5。
来自地物的400-800nm波长成像光束和1064nm波长检测光束分别经过望远镜成像系统1汇聚到分束镜2，1064nm波长检测光束经分束镜2透射后到哈特曼传感器3上，哈特曼传感器3分析并获取检测光束中的望远镜成像系统1波前畸变信息，将波前变形结果反馈给平面变形镜4的控制系统，由控制系统驱动平面变形镜4的压电PZT传感器使平面变形镜4产生镜面变形来实时改正望远镜成像系统1的波前畸变；同时400-800nm波长的地物成像光束由分束镜2反射至平面变形镜4，其成像畸变波前经平面变形镜4补偿后成像到成像CCD相机5上。
所述的望远镜成像系统1为一个卡塞格林望远镜，由同轴两反非球面组成，面形均为二次曲面。
所述的分束镜2为一个石英材料滤光片，将系统波前采集波长1064nm和成像波长400-900nm两者进行分离。
所述的平面变形镜4为一个平面铝反射镜，位于望远镜系统焦面前50到100mm处，镜面口径100mm，具有渐变厚度t变化随半口径x关系如下：T＝8.09514+0.24526x-0.04266x2+0.00174x3-2.90602E-5x4+1.73128E-7x5。平面变形镜4采用压电PZT传感器驱动产生镜面变形，平面变形镜中心区域有固定凸耳，镜面边缘圆周平面为传感器加力区域，压电PZT传感器产生位移继而对镜面边缘造成变形。根据哈特曼传感器3测量的波前变化，对波前进行数据处理，得到球差、彗差和像散数据；根据此数据，控制平面变形镜4面形反向产生像差，从而实现对望远镜成像系统球差、彗差和像散波前畸变的补偿。
根据本发明工作于大口径高分辨率激光三维成像雷达光路中的平面变形镜，将传统调焦镜改进成主动变形镜，明显地提高了系统补偿像差的能力。本发明系统的优点如下：
1.应用在大口径高分辨率激光三维成像雷达中，接收望远镜主镜面口径大于500mm、成像瞬时视场优于5μrad。
2.主动变形镜的厚度随口径变化为渐变形式，这种形式使得镜面弹性变形后面形产生高阶残差小，当平面镜口径为100mm时残差仅为10E-6mm，克服了等厚镜面产生高阶像差影响光学系统成像质量的问题。
3.主动变形镜采用单点驱动方案能够产生需要的曲率变化或像散，驱动方案简单易行。
4.主动变形镜可以补偿低阶或高阶的球差或像散变化，适用于空间环境重力变形和温度变形的校正。
附图说明
图1是平面变形镜在激光三维成像雷达望远镜中的光路图；其中：1-望远镜成像系统、2-分束镜、3-哈特曼传感器、4-平面变形镜，5-成像CCD相机。
图2是渐变厚度平面变形镜结构示意图。
图3是平面变形镜渐变厚度曲线。
图4是主动变形镜加力后产生曲率半径变化面形图。
图5是主动变形镜加力后产生像散面形图。
具体实施方式
具有实时波前补偿功能的激光三维成像系统及补偿方法的主要技术特性如下：
1.望远镜成像系统：主镜口径500mm，成像空间分辨率5μrad。
2.平面变形镜：口径100mm，具有渐变厚度曲线，可补偿系统的球差、彗差和像散，残余像差小于10E-6mm。平面厚度t变化随半口径x关系为T＝8.09514+0.24526x-0.04266x2+0.00174x3-2.90602E-5x4+1.73128E-7x5。
3.平面变形镜驱动装置：采用中心固定边缘加力方式，当驱动力矩为200N时，产生球差，镜面变形量为1.15mm；当垂直镜面两个方向分别加力105N和5N时，产生像散，像散变形量为0.55mm。
4.系统采用闭环测量和控制方式，先由哈特曼传感器测量出望远镜成像系统的波前变化，再驱动平面变形镜产生相反的像差，从而实现像差补偿。
5.哈特曼传感器单元含有信息采集和数据处理模块，先进行波前信息采集后，再由处理模块得到波前的像差结果，为像差校正提供依据。
Claims (3)
1.一种具有实时波前补偿功能的激光三维成像系统，包括望远镜成像系统(1)、分束镜(2)、哈特曼传感器(3)、平面变形镜(4)和成像CCD相机(5)，其特征在于：
来自地物的400-800nm波长成像光束和1064nm波长检测光束分别经过望远镜成像系统(1)汇聚到分束镜(2)，1064nm波长检测光束经分束镜(2)透射后到哈特曼传感器(3)上，哈特曼传感器(3)分析并获取检测光束中的望远镜成像系统(1)波前畸变信息，将波前变形结果反馈给平面变形镜(4)的控制系统，由控制系统驱动平面变形镜(4)的压电PZT传感器使平面变形镜(4)产生镜面变形来实时改正望远镜成像系统(1)的波前畸变；同时400-800nm波长的地物成像光束由分束镜(2)反射至平面变形镜(4)，其成像畸变波前经平面变形镜(4)补偿后成像到成像CCD相机(5)上。
2.根据权利要求1所述的具有实时波前补偿功能的激光三维成像系统，其特征在于：所述的望远镜成像系统(1)为卡塞格林望远镜。
3.根据权利要求1所述的具有实时波前补偿功能的激光三维成像系统，其特征在于：所述的平面变形镜(4)为一个平面铝反射镜，具有渐变厚度，渐变厚度t变化随口径位置变化；平面变形镜(4)采用压电PZT传感器驱动产生镜面变形，平面变形镜中心区域有固定凸耳，镜面边缘圆周平面为传感器加力区域，压电PZT传感器产生位移继而对镜面边缘造成变形。
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