CN114966727A - 光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，包括激光测距单元；光电系统主设备，设置于所述激光测距单元的一侧；分色镜，设置于所述激光测距单元和所述光电系统主设备的一侧，且所述分色镜将测距激光耦合到光电系统主设备的主光路中，以完成测距激光与光电系统主光路共孔径发射及接收；发射及接收望远镜，设置于所述分色镜的一侧。有效利用光电系统的大口径发射接收天线，收集远距离目标回光能力强，结合光谱滤波、空间滤波、时序变光学增益等特点，解决了共孔径激光测距系统面临的内光路杂光干扰和近程大气后向散射光干扰等问题，盲区小、探测距离远，结构紧凑,有效减小了光电系统体积和重量。

Description

光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置

技术领域

本发明涉及光电系统激光发射接收技术领域，具体而言，涉及一种光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置。

背景技术

在激光空间通信、激光除冰、激光对抗低慢小空中目标、激光清除空间垃圾、激光空间供能、......，等激光应用光电系统中，需要获得目标距离信息，满足光电系统对目标成像、探测、跟踪、瞄准、激光发射等过程中的调焦、控制需求。

目前光电系统中的激光测距主要采用的技术途径是与光电系统分孔径方式，即激光测距系统采用一套单独的天线(望远镜)系统进行发射和接收，与光电系统主光路发射天线分离。其优点在于测距系统与光电系统其它用途的激光和探测器互不干扰，信号稳定干净；由此带来的问题是增加了系统的总体积和重量。部分搭载平台(如飞机、卫星等)受限于载重量以及可使用的空间位置的限制，可能没有足够的条件安装一套单独的分孔径激光测距系统。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提供了一种光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置。

本发明提供了一种光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，包括：

激光测距单元；

光电系统主设备，设置于所述激光测距单元的一侧；

分色镜，设置于所述激光测距单元和所述光电系统主设备的一侧，且所述分色镜将测距激光耦合到光电系统主设备的主光路中，以完成测距激光与光电系统主光路共孔径发射及接收；

发射及接收望远镜，设置于所述分色镜的一侧，并作为光电系统主设备和测距激光共同使用的发射及接收天线。

根据本发明上述技术方案的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，还可以具有以下附加技术特征：

在上述技术方案中，所述激光测距单元包括：

测距激光器，以产生并发出脉冲激光；

发射及接收挖孔镜，与所述测距激光器的发射端口位置对应，以使脉冲激光束透过挖孔发射出去；并使测距回光反射进入测距接收光路；

物镜组，设置于所述发射及接收挖孔镜一侧，以对测距回光缩束聚焦；

反射镜，设置于所述物镜组的一侧，以转折光路；

转盘，设置于所述反射镜的反射路线，其中，通过调整转盘到物镜组焦点的距离可改变测距回光光束在转盘处的光斑直径；

小孔光阑，设置在光束的反射路线，以用于透过测距回光，挡住视场外杂光；

聚焦和滤光镜头组，设置于所述小孔光阑的一侧，并与所述小孔光阑的位置对应；

测距探测器，设置于所述聚焦和滤光镜头组的一侧，并与其位置对应，以将测距回光转换为电信号。

在上述技术方案中，所述转盘由转盘片构成，且所述转盘片的中心位置形成有转轴孔，所述转盘片的周向侧壁形成有时序同步槽；以及沿着转盘片的周向形成有透光槽。

在上述技术方案中，所述时序同步槽和透光槽的数量为n个，且n为正整数。

在上述技术方案中，所述转轴孔用于和电机的转轴连接。

在上述技术方案中，还包括时序同步单元，所述时序同步单元包含光电对管和电控器件，用于探测转盘的时序同步槽到达时刻，经延时后触发测距激光器产生和发射激光。

在上述技术方案中，所述聚焦和滤光镜头组包括透镜一、窄带滤光片以及透镜二；

其中，所述透镜一是由一片或多片透镜构成的准直透镜，对小孔光阑透过的测距光准直成平行光，传输到窄带滤光片；

所述窄带滤光片是玻璃基底上镀制干涉滤光膜制成的窄带干涉滤光片，用于光谱滤波，对测距光波长高透射，对其他波长吸收或反射；

所述透镜二是由一片或多片透镜构成的聚焦透镜，将测距回光再聚焦到测距探测器的感光面上。

在上述技术方案中，所述测距激光器是短脉冲固体激光器或半导体激光器；和/或

所述发射及接收挖孔镜是玻璃或金属材料制成的反射镜，镜片上对应发射激光束位置有挖孔，孔直径略大于激光束直径，使测距激光器发出的激光束透过挖孔发射出去；以及镜片表面镀测距波长高反膜，反射测距回光进入测距接收光路物镜组。

在上述技术方案中，所述物镜组，是单片或多片透镜组成的聚焦物镜，对测距光波长消像差并镀有减反膜，用于对测距回光缩束聚焦；和/或

所述反射镜是金属或玻璃制成并镀有测距光波长的高反膜，用于转折光路。

在上述技术方案中，所述小孔光阑是由不透明材料制成的光阑，小孔直径略大于测距回光焦斑直径，用于透过测距回光聚焦光斑，挡住视场外杂光；和/或

所述测距探测器是雪崩光电二极管或其他高灵敏度光电探测器，用于将测距回光转换为电信号。

本发明提出的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，与现有技术相比，具有以下有益效果：

采用与光电系统主光路共孔径的同一套光路和天线(望远镜)进行激光测距信号发射接收，有效利用光电系统的大口径发射接收天线，收集远距离目标回光能力强，结合光谱滤波、空间滤波、时序变光学增益等特点，解决了共孔径激光测距系统面临的内光路杂光干扰和近程大气后向散射光干扰等问题，盲区小、探测距离远，结构紧凑,有效减小了光电系统体积和重量。

通过分色镜把测距激光耦合到光电系统主光路中，实现与光电系统共光路共孔径发射接收，充分利用光电系统大口径望远镜对远距离目标的弱光收集能力强的特点；

使用挖孔镜作为激光测距耦合分光器件实现共孔径激光发射/接收；

在测距接收光路光学系统中，设置了小孔光阑用于空间滤波，采用窄带滤光片进行光谱滤波，在接收光路中设置有透光槽和时序同步槽的转盘用于控制近程光路中的时序光学增益，防止近距离目标的反射强光导致探测器饱和或损伤，减小内光路杂光和近程大气后向散射光的干扰，减小近程盲区，提高远程测距能力,有效减小了光电系统体积和重量。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，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是本发明的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置的光路布局图；

图2是图1中激光测距单元的布局图；

图3是图1中转盘的结构图；

图4是转盘时序与光路增益变化示意图；

图5是图1中聚焦和滤光镜头组示意图。

其中，图1至图5中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1、激光测距单元；11、测距激光器；12、发射及接收挖孔镜；13、物镜组；14、反射镜；

15、转盘；151、转盘片；152、转轴孔；153、时序同步槽；154、透光槽；155、测距回光光斑；

16、小孔光阑；

17、聚焦和滤光镜头组；171、透镜一；172、窄带滤光片；173、透镜二；

18、测距探测器；19、电机；20、时序同步单元；

2、分色镜；3、光电系统主设备；4、发射及接收望远镜。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图5来描述根据本发明一些实施例提供的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置。

本申请的一些实施例提供了一种光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置。

如图1至图5所示，本发明的一个实施例提出了一种光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，其光路布局如图1所示，由激光测距单元1，分色镜2，光电系统主设备3，发射及接收望远镜4等组成。通过分色镜把测距激光耦合到光电系统主光路中，实现测距激光与光电系统共光路共孔径发射接收，充分利用光电系统大口径望远镜对远距离目标的弱光收集能力强的特点，提高远程测距能力,有效减小了光电系统体积和重量。

在本实施例中，分色镜2是两面抛光的光学玻璃板，前表面镀分色膜，对测距激光波长高透射率，对光电系统主设备3使用的光波长具有高反射率；后表面镀测距激光波长的增透膜。

在本实施例中，光电系统主设备3是光电系统实现所需功能的主设备，根据光电系统具体任务需求进行设计，如目标探测跟踪器、主激光器、自适应光学单元、......，等，具有相应的任务功能模块。

在本实施例中，发射及接收望远镜4是光电系统和测距激光共同使用的发射接收天线，光路镜片镀有对光电系统使用波长和测距波长的高反射膜层，对测距激光具有较高传输效率。

具体地，如图2所示，激光测距单元1，包括测距激光器11，发射及接收挖孔镜12，物镜组13，反射镜14，转盘15，小孔光阑16，聚焦和滤光镜头组17，测距探测器18，电机19，时序同步单元20。

其中，激光测距单元1采用技术成熟且广泛应用的飞行时间法进行测距，即通过测量激光发射、经目标反射回到探测器的脉冲激光飞行时间，结合光的传输速度获得目标距离。使用挖孔镜作为测距激光耦合分光器件实现共孔径激光发射/接收。

其中，在测距接收光学系统中，设置了小孔光阑16用于空间滤波，采用窄带滤光片进行光谱滤波，在接收光路中设置有透光槽和时序同步槽的转盘用于控制近程光路中的时序光学增益，防止近距离目标的反射强光导致探测器饱和或损伤，减小内光路杂光和近程大气后向散射光的干扰，减小近程盲区，提高远程测距能力。

其中，测距激光器11是短脉冲固体激光器或半导体激光器，用于产生和发出激光测距装置所需脉冲激光。典型脉宽ns量级，脉冲能量mJ至J量级，脉冲重复周期由具体任务需求确定，典型值可以是数Hz～数kHz。

其中，发射及接收挖孔镜12是玻璃或金属材料制成的反射镜，镜片上对应发射激光束位置有挖孔，使测距激光器11发出的激光束透过挖孔发射出去；镜片表面镀测距激光波长高反膜，使测距回光反射进入测距接收光路。

其中，物镜组13是单片或多片透镜组成的聚焦物镜，对测距光波长消像差并镀有减反膜，用于对测距回光缩束聚焦。

其中，反射镜14是金属或玻璃制成并镀有测距光波长的高反膜，用于转折光路，减小系统尺寸，实现紧凑化设计。

其中，如图3所示，转盘15由轻质高刚度材料例如铝合金、碳化硅、碳纤维等制成的转盘片151，并且形成有转轴孔152，时序同步槽153，透光槽154。

具体地，转盘片151沿圆周可对称设置n(n为正整数)个周期的时序同步槽153和透光槽154。图3所示，在本实施例中n＝2。通过调整转盘片151到物镜组13焦点的距离可改变测距回光光束在转盘处的光斑直径。

此外，转轴孔152是转盘片151与电机19转轴连接的安装孔。

此外，时序同步槽153用于时序同步单元20探测转盘片151旋转过程中的零点位置，控制激光发射和回光信号探测时序，以控制激光测距单元1对近距离回光的光学增益。

此外，透光槽154是沿圆周方向的长槽型孔，槽的宽度略大于测距回光光斑直径，槽的长度根据任务系统时序需求进行设计。

如图4所示，转盘15时序变光学增益详细说明如下：

t0时刻，转盘透光槽154前沿旋转至与测距回光光斑155相切处，挡住了回光光路，触发测距激光器11产生脉冲激光，通过挖孔镜12、分色镜2进入光电系统主光路和发射及接收望远镜发射出去，但此时内光路的反射和散射光被转盘片挡住不能进入探测器，防止探测器被干扰或损伤；

t0～t1时刻，来自近距离目标反射的测距回光光斑155被转盘片151部分遮挡，部分经透光槽153透过，不同距离目标的测距回光光斑155到达转盘处时刻不同，被转盘透光槽153透过的光斑面积占光斑总面积比例不同，较近距离目标的回光经透光槽153透过的部分较少，较远距离的回光透过比例较高；

t1时刻至t2时刻的回光完全被透光槽透射。

上述过程实现了激光测距单元1在不同距离有不同的光学增益，激光触发t0时刻的内光路反射和散射杂光完全被转盘片挡住，脉冲激光经望远镜出射后，t0～t1期间近距离目标回光光学增益小，远距离目标回光光学增益大，防止近距离返回强光导致的探测器损伤或饱和，有效消除或减小内光路杂光、近程大气后向散射光对测距探测器的损伤或干扰，有利于降低激光测距近程盲区、提高远程测距能力；

t2～t3期间停止测距，为下一个测距脉冲周期做准备；

t3时刻开始又进入下一个测距脉冲周期。

其中，t2是激光测距单元最远探测距离对应的回光时刻。

此外，在典型情况下：t0至t1的时长为1微秒～百微秒量级，t0～t2的时长为1毫秒～百毫秒量级，可根据任务需求进行设计。

在本实施例中，小孔光阑16是由不透明材料制成的光阑，小孔直径略大于测距回光焦斑直径，用于透过测距回光，挡住视场外杂光，具有空间滤波作用。

在本实施例中，如图5所示，聚焦和滤光镜头组17包含透镜一171、窄带滤光片172、透镜二173，用于对小孔光阑16透过的测距光斑中继成像到测距探测器18的感光面，并对测距波长以外的杂光进行光谱滤波。

其中，透镜一171是由一片或多片透镜构成的准直透镜，对小孔光阑16透过的测距光准直成平行光；窄带滤光片172是玻璃基底上镀制干涉滤光膜制成的窄带干涉滤光片，用于光谱滤波，对测距波长光高透射，对其他波长光吸收或反射；透镜二173是由一片或多片透镜构成的聚焦透镜，将测距回光再聚焦到测距探测器18的感光面上。

在本实施例中，测距探测器18是雪崩光电二极管或其他高灵敏度光电探测器，用于将测距回光转换为电信号。

在本实施例中，电机19用于驱动转盘15转动，实现光学增益时序控制。

在本实施例中，时序同步单元20包含光电对管和电控器件，用于探测转盘时序同步槽153到达时刻，经延时后触发测距激光器11产生和发射激光。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，其特征在于，包括：

激光测距单元(1)；

光电系统主设备(3)，设置于所述激光测距单元(1)的一侧；

分色镜(2)，设置于所述激光测距单元(1)和所述光电系统主设备(3)的一侧，且所述分色镜(2)将测距激光耦合到光电系统主设备(3)的主光路中，以完成测距激光与光电系统主光路共孔径发射及接收；

发射及接收望远镜(4)，设置于所述分色镜(2)的一侧，并作为光电系统主设备(3)和测距激光共同使用的发射及接收天线。

2.根据权利要求1所述的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，其特征在于，所述激光测距单元(1)包括：

测距激光器(11)，以产生并发出脉冲激光；

发射及接收挖孔镜(12)，与所述测距激光器(11)的发射端口位置对应，以使脉冲激光束透过挖孔发射出去；并使测距回光反射进入测距接收光路；

物镜组(13)，设置于所述发射及接收挖孔镜(12)一侧，以对测距回光缩束聚焦；

反射镜(14)，设置于所述物镜组(13)的一侧，以转折光路；

转盘(15)，设置于所述反射镜(14)的反射路线，其中，通过调整转盘(15)到物镜组(13)焦点的距离可改变测距回光光束在转盘(15)处的光斑直径；

小孔光阑(16)，设置在光束的反射路线，以用于透过测距回光，挡住视场外杂光；

聚焦和滤光镜头组(17)，设置于所述小孔光阑(16)的一侧，并与所述小孔光阑(16)的位置对应；

测距探测器(18)，设置于所述聚焦和滤光镜头组(17)的一侧，并与其位置对应，以将测距回光转换为电信号。

3.根据权利要求2所述的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，其特征在于，所述转盘(15)由转盘片(151)构成，且所述转盘片(151)的中心位置形成有转轴孔(152)，所述转盘片(151)的周向侧壁形成有时序同步槽(153)；以及沿着转盘片(151)的周向形成有透光槽(154)。

4.根据权利要求3所述的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，其特征在于，所述时序同步槽(153)和透光槽(154)的数量为n个，且n为正整数。

5.根据权利要求4所述的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，其特征在于，所述转轴孔(152)用于和电机(19)的转轴连接。

6.根据权利要求5所述的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，其特征在于，还包括时序同步单元(20)，所述时序同步单元(20)包含光电对管和电控器件，用于探测转盘(15)的时序同步槽(153)到达时刻，经延时后触发测距激光器(11)产生和发射激光。

7.根据权利要求6所述的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，其特征在于，所述聚焦和滤光镜头组(17)包括透镜一(171)、窄带滤光片(172)以及透镜二(173)；

其中，所述透镜一(171)是由一片或多片透镜构成的准直透镜，对小孔光阑(16)透过的测距光准直成平行光，传输到窄带滤光片(172)；

所述窄带滤光片(172)是玻璃基底上镀制干涉滤光膜制成的窄带干涉滤光片，用于光谱滤波，对测距光波长高透射，对其他波长吸收或反射；

所述透镜二(173)是由一片或多片透镜构成的聚焦透镜，将测距回光再聚焦到测距探测器(18)的感光面上。

8.根据权利要求7所述的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，其特征在于，

所述测距激光器(11)是短脉冲固体激光器或半导体激光器；和/或

所述发射及接收挖孔镜(12)是玻璃或金属材料制成的反射镜(14)，镜片上对应发射激光束位置有挖孔，孔直径略大于激光束直径，使测距激光器(11)发出的激光束透过挖孔发射出去；以及镜片表面镀测距波长高反膜，反射测距回光进入测距接收光路物镜组(13)。

9.根据权利要求7所述的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，其特征在于，

所述物镜组(13)，是单片或多片透镜组成的聚焦物镜，对测距光波长消像差并镀有减反膜，用于对测距回光缩束聚焦；和/或

所述反射镜(14)是金属或玻璃制成并镀有测距光波长的高反膜，用于转折光路。

10.根据权利要求7所述的光电系统共孔径发射接收激光测距光学装置，其特征在于，

所述小孔光阑(16)是由不透明材料制成的光阑，小孔直径略大于测距回光焦斑直径，用于透过测距回光聚焦光斑，挡住视场外杂光；和/或

所述测距探测器(18)是雪崩光电二极管或其他高灵敏度光电探测器，用于将测距回光转换为电信号。

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