CN112526531A - 一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，主要包括双波段共孔径光窗、离轴两反望远系统、视场切换反射镜组、分光镜、红外光学系统、红外探测器、快速扫描反射镜、一级天线、激光偏振分光镜、激光辐射器、激光接收光学系统和激光接收探测器等组成。小视场状态下，离轴两反望远系统作为倍镜，放大后端红外光学系统焦距，并充当激光二级天线。通过视场切换反射镜组的切入隔绝离轴两反望远系统，使系统工作在大视场状态。激光发射和接收共用快速扫描反射镜，利用快速扫描反射镜法线方向的二维运动，实现激光光轴在红外视场范围内的快速扫描，完成多目标激光测距。
Description
技术领域
本发明属于光学设计领域，尤其涉及激光红外多光谱光电侦察系统，用于双视场红外成像和激光测距，能够实现红外大视场和小视场两种状态下相应视场范围内多目标激光测距功能。
背景技术
现代光电侦察系统通常包含红外热像仪、电视摄像机和激光测距机等，在军事打击、火力控制和侦察预警等领域具有广泛的应用。现有方案中红外热像仪视轴和激光测距机收发光轴经过严格校准，当红外热像仪视场中出现多个目标时，需通过伺服系统带动稳定平台逐一将红外热像仪视轴和待测目标对准，存在切换速度慢(稳定平台重)和目标易丢失(视场中心改变)等问题，因此提高光谱集成性和多目标跟踪测距能力具有重要的意义。
在光谱集成性方面，发表于期刊索引Proc.of SPIE Vol.6940 69400S-1题为Third Generation Infrared Optics的文章公开了一种电视和红外双光束集成的装置，共用前端离轴三反望远系统，通过视场切换反射镜隔离前端离轴三反望远系统实现大小视场切换。此装置前端离轴三反望远系统存在实像点，无法集成激光；且无光轴控制环节，无法采用快速扫描完成多目标测距。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，用于激光红外两个波段的集成和激光多目标测距，有大视场和小视场两种工作状态。
该具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统中，红外热像仪和激光测距机共用望远系统，通过视场切换反射镜组的切入切出实现双视场切换。后端双波段分光后在激光光路中放置快速扫描反射镜，快速扫描反射镜指向改变时，红外热像仪视轴不受影响，但激光光轴可随之快速调整。红外热像仪视场中出现多个目标时，图像处理系统解算出每个目标相对红外热像仪视轴空间角度，反馈给伺服系统控制快速扫描反射镜运动，从而调整激光光轴指向待测目标。快速扫描反射镜响应快，可实现红外热像仪视场中多个目标的周期轮巡测距，每个目标的测距频率均可达到5Hz以上。
基于上述原理，本发明的技术方案为：
所述一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，包括双波段(激光和红外双波段)共孔径光窗(1)、离轴两反望远系统(2)、视场切换反射镜组(3)、分光镜(4)、红外光学系统(5)、红外探测器(6)、快速扫描反射镜(7)、一级天线(8)、激光偏振分光镜(9)、激光接收光学系统(10)、激光接收探测器(11)、激光辐射器(12)；其中，所述视场切换反射镜组(3)为运动组件，小视场时切换反射镜组(3)切出主光路，接收的激光红外双波段光束通过所述双波段共孔径光窗(1)，再由所述离轴两反望远系统(2)压缩出射光束口径，经分光镜(4)分束进入红外光路和激光光路。红外光路由红外光学系统(5)和红外探测器(6)组成。分光后激光光束经快速扫描反射镜(7)反射，再通过一级天线(8)压缩光束口径，激光接收光学系统(10)将激光偏振分光镜(9)反射的S光会聚在激光接收探测器(11)；激光辐射器(12)发射P向偏振光透射通过激光偏振分光镜(9)，而后依次经过一级天线(8)、快速扫描反射镜(7)、分光镜(4)和离轴两反望远系统(2)出射；大视场时视场切换反射镜组(3)位于主光路，离轴两反望远系统被隔离出工作光路。
视场切换反射镜组(3)为运动组件，通过视场切换反射镜组(3)的切入切出实现红外大小视场和激光大小束散角的切换。大视场大束散角时视场切换反射镜组(3)位于主光路，作为放大倍率为1的望远系统；小视场时视场切换反射镜组(3)切出主光路，离轴两反望远系统(2)作为红外成像倍镜和激光二级天线。
快速扫描反射镜(7)镜面指向法线的二维运动，实现激光光轴在红外视场范围内的调节。激光光轴与快速扫描反射镜(7)法线方向角度线性相关，配合电控可实现红外大视场和小视场两种状态下相应视场范围内多目标激光测距。
激光接收发射共用组件含共孔径光窗(1)、离轴两反望远系统(2)、视场切换反射镜组(3)、分光镜(4)、快速扫描反射镜(7)、一级天线(8)、激光偏振分光镜(9)。激光偏振分光镜(9)为激光偏振分光系统，反射S光，透射P光。激光辐射器(12)发射P向偏振光经目标漫反射后成为自然偏振光，到达激光偏振分光镜(9)，反射的S光由激光接收光学系统(10)会聚在激光接收探测器(11)。
本发明所述波段分布如下：
激光：1.064μm或1.57μm；
红外：3μm-5μm或8μm-12μm。
离轴两反望远系统(2)包括主镜(201)和次镜(202)，其中主镜(201)为抛物面，次镜(202)为高次非球面，离轴方式为光阑离轴。无一次像点，便于集成激光发射光路。所有镜片基底材料均为微晶玻璃，结构材料为铟瓦合金，微晶玻璃和铟瓦合金热膨胀系数较小且匹配，保证系统有较宽的工作温度，可达-40度到+60度。
视场切换反射镜组(3)包括第一平面反射镜(301)和第二平面反射镜(302)，其中第一平面反射镜(301)和第二面反射镜(302)均为平面，基底材料使用熔融石英，结构材料为铝合金，视场切换反射镜组(3)是平面反射系统，折转光路，等价于放大倍率1的望远系统。
小视场时，快速扫描反射镜(7)法线方向的二维运动，可实现激光收发光轴在红外小视场内的调节。离轴两反望远系统(2)放大倍率取β，快速扫描反射镜(7)法线的运动角度δ和激光收发光轴变化的关系为
表示解算得到的目标测距所需的激光光轴与当前红外视场中心轴之间的夹角。实际工作过程中，根据目标位置和当前红外视场中心，解算得到
之后，再根据上述关系，计算得到快速扫描反射镜(7)法线的运动角度δ。
大视场时，快速扫描反射镜(7)法线方向的二维运动，可实现激光收发光轴在红外大视场内的调节。因视场切换反射镜组(3)切入隔离了离轴两反望远系统(2)，快速扫描反射镜(7)法线的运动角度δ和光轴变化的关系为
双波段共孔径光窗(1)透射红外和激光波段，透过率要求两波段均大于92％。
激光偏振分光镜(9)为激光偏振分光系统，反射S光，透射P光，要求S光反射率和P光透过率均大于95％。
有益效果
本发明公开的光学系统，主要包括双波段共孔径光窗、离轴两反望远系统、视场切换反射镜组、分光镜、红外光学系统、红外探测器、快速扫描反射镜、一级天线、激光偏振分光镜、激光辐射器、激光接收光学系统和激光接收探测器等组成。小视场状态下，离轴两反望远系统作为倍镜，放大后端红外光学系统焦距，并充当激光二级天线。通过视场切换反射镜组的切入隔绝离轴两反望远系统，使系统工作在大视场状态。激光发射和接收共用快速扫描反射镜，利用快速扫描反射镜法线方向的二维运动，实现激光光轴在红外视场范围内的快速扫描，完成多目标激光测距。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统小视场工作状态示意图。
图2是本发明一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统大视场工作状态示意图。
图3是激光光斑束散角与跟踪精度关系示意图。
图4是双视场红外成像系统光线追迹图。
图5是小束散角状态激光收发光轴扫描示意图。
图6是大束散角状态激光收发光轴扫描示意图。
图7是现有方案示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
光电侦察系统处于目标跟踪状态时，系统的跟踪精度应该满足使目标始终处于激光测距机发射出的激光束所形成的光斑覆盖范围内。如图3所示，A为光电侦察系统的位置；O为目标中心点；R为激光测距距离，d为目标尺寸；α为激光照射器的跟踪瞄准精度，θ为激光束散角。
光电侦察系统通常远距离使用小视场，近距离使用大视场，而跟踪瞄准精度α和目标尺寸不变，远距离时小束散角利于较高比例的激光能量，近距离大束散角满足跟踪瞄准精度下激光光斑始终覆盖目标。光电侦察系统激光束散角和红外视场同时切换可满足此使用需求。
现有利用离轴两反望远系统实现红外热像仪和激光测距机共轴的方案(参阅图7)，但无法实现激光光轴相对红外视轴的调节。本发明提出的具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，通过调整光学系统排布，从而在激光光路分光镜和后端激光收发系统之间增加快速扫描反射镜，实现激光光轴相对红外视轴的调节。
请同时参阅图1和图2。一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，包括双波段共孔径光窗(1)、离轴两反望远系统(2)、视场切换反射镜组(3)、分光镜(4)、红外光学系统(5)、红外探测器(6)、快速扫描反射镜(7)、一级天线(8)、激光偏振分光镜(9)、激光接收光学系统(10)、激光接收探测器(11)、激光辐射器(12)；其中，所述视场切换反射镜组(3)为运动组件，小视场时视场切换反射镜组(3)切出主光路，激光红外双波段光束通过所述双波段共孔径光窗(1)，再由所述离轴两反望远系统(2)压缩出射光束口径，经分光镜(4)分束为红外光路和激光光路。红外光路由红外光学系统(5)和红外探测器(6)组成。分光后激光光束经快速扫描反射镜(7)反射，再通过一级天线(8)压缩光束口径，激光接收光学系统(10)将激光偏振分光镜(9)分光镜反射的S光会聚在激光接收探测器(11)，激光辐射器(12)发射P向偏振光透射通过激光偏振分光镜(9)；大视场时视场切换反射镜组(3)位于主光路，离轴两反望远系统被隔离出工作光路。
请同时参阅图1和图2，激光接收发射共用组件含共孔径光窗(1)、离轴两反望远系统(2)、视场切换反射镜组(3)、分光镜(4)、快速扫描反射镜(7)、一级天线(8)、激光偏振分光镜(9)。激光偏振分光镜(9)为激光偏振分光系统，反射S光，透射P光。激光辐射器(12)发射P向偏振光经目标漫反射后成为自然偏振光，到达激光偏振分光镜(9)，反射的S光由激光接收光学系统(10)会聚在激光接收探测器(11)。
如图4所示，小视场红外光线追迹图见(a)图，大视场红外光线追迹图见(b)图，红外光学系统(5)为光瞳外置的二次成像定焦系统。大视场和小视场共用双波段共孔径光窗(1)、分光镜(4)、红外光学系统(5)和红外探测器(6)，小视场使用离轴两反望远系统(2)作为倍镜，大视场时使用视场切换反射镜组(3)折转光路。
表1红外光学系统数据表
离轴两反望远系统(2)包括主镜(201)和次镜(202)，其中主镜(201)为抛物面，次镜(202)为高次非球面，离轴方式为光阑离轴，数据见表2所示。无一次像点，便于集成激光发射光路。所有镜片基底材料均为微晶玻璃，结构材料为铟瓦合金，微晶玻璃和铟瓦合金热膨胀系数较小且匹配，保证系统有较宽的工作温度，可达-40度到+60度。
视场切换反射镜组(3)包括第一平面反射镜(301)和第二平面反射镜(302)，其中第一平面反射镜(301)和第二平面反射镜(302)均为平面，基底材料使用熔融石英，结构材料为铝合金，视场切换反射镜组(3)是平面反射系统，折转光路，等价于放大倍率1的望远系统。
如图5所示，小视场时，快速扫描反射镜(7)法线方向的二维运动，可实现激光收发光轴在红外小视场内的调节，扫描零位光路追迹见(b)图，扫描正极限位置光路追迹见(a)图，扫描负极限位置光路追迹见(c)图。离轴两反望远系统(2)放大倍率取β，快速扫描反射镜(7)法线的运动角度δ和激光收发光轴变化的关系为
因激光波长较红外短，且离轴两反望远系统(2)像差校正能力有限，设定激光通光口径在红外通光口径的1/3左右，从而能够在满足使用要求的前提下保证成像质量。
表2小视场激光光路数据表
如图6所示，大视场时，快速扫描反射镜(7)法线方向的二维运动，可实现激光收发光轴在红外大视场内的调节，扫描零位光路追迹见(b)图，扫描正极限位置光路追迹见(a)图，扫描负极限位置光路追迹见(c)图。因视场切换反射镜组(3)切入隔离了离轴两反望远系统(2)，快速扫描反射镜(7)法线的运动角度δ和光轴变化的关系为
表3大视场激光光路数据表
激光光轴与快速扫描反射镜(7)法线方向角度线性相关，配合电控可实现红外大视场和小视场两种状态下相应视场范围内多目标激光测距。
本发明所述波段分布如下：
激光：1.064μm或1.57μm；
红外：3μm-5μm或8μm-12μm。
双波段共孔径光窗(1)透射红外和激光三个波段，透过率要求两波段均大于92％。
激光偏振分光镜(9)为激光偏振分光系统，反射S光，透射P光，要求S光反射率和P光透过率均大于95％。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，其特征在于：包括双波段共孔径光窗(1)、离轴两反望远系统(2)、视场切换反射镜组(3)、分光镜(4)、红外光学系统(5)、红外探测器(6)、快速扫描反射镜(7)、一级天线(8)、激光偏振分光镜(9)、激光接收光学系统(10)、激光接收探测器(11)、激光辐射器(12)；
所述视场切换反射镜组(3)为运动组件；
小视场时切换反射镜组(3)切出主光路，激光红外双波段光束通过所述双波段共孔径光窗(1)，再由所述离轴两反望远系统(2)压缩出射光束口径，经分光镜(4)分束进入红外光路和激光光路；
红外光路由红外光学系统(5)和红外探测器(6)组成；
而分光后激光光束经快速扫描反射镜(7)反射，再通过一级天线(8)压缩光束口径，激光接收光学系统(10)将激光偏振分光镜(9)分光镜反射的S光会聚在激光接收探测器(11)；
而激光辐射器(12)发射P向偏振光透射通过激光偏振分光镜(9)；
大视场时视场切换反射镜组(3)位于主光路，离轴两反望远系统被隔离出工作光路。
2.根据权利要求1所述的一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，其特征在于：激光工作波段为1.064μm或1.57μm，红外工作波段为3μm-5μm或8μm-12μm。
3.根据权利要求1所述的一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，其特征在于：通过视场切换反射镜组(3)的切入切出光路实现红外大小视场和激光束散角的切换；大视场大束散角时视场切换反射镜组(3)切入光路，作为放大倍率为1的望远系统；小视场时视场切换反射镜组(3)切出光路，离轴两反望远系统(2)作为红外成像倍镜和激光二级天线。
4.根据权利要求1或3所述的一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，其特征在于：快速扫描反射镜(7)镜面指向法线的二维运动，实现激光光轴在红外视场范围内的调节。
5.根据权利要求4所述的一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，其特征在于：激光光轴与快速扫描反射镜(7)法线方向角度线性相关，配合电控实现红外大视场和小视场两种状态下相应视场范围内多目标激光测距。
6.根据权利要求3所述的一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，其特征在于：双波段共孔径光窗(1)同时透射激光、红外两个波段，且大小视场共用双波段共孔径光窗(1)。
7.根据权利要求1所述的一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，其特征在于：红外光学系统(5)为光瞳外置的二次成像系统。
8.根据权利要求1所述的一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，其特征在于：双波段共孔径光窗(1)、离轴两反望远系统(2)、视场切换反射镜组(3)、分光镜(4)、快速扫描反射镜(7)、一级天线(8)、激光偏振分光镜(9)组成激光接收发射共孔径的光学系统。
9.根据权利要求1或8所述的一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统，其特征在于：激光偏振分光镜(9)为激光偏振分光系统，反射S光，透射P光。
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