CN115685535B - 基于光学快摆镜的动态扫描光学系统 - Google Patents
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Abstract
基于光学快摆镜的动态扫描光学系统涉及空间光学成像技术领域，解决了现有空间光学系统口径、视场角、帧频间的制约，无法兼顾宽幅覆盖和高分辨率成像等问题，该系统包括：光学快摆镜、主镜、次镜、三镜和TDI CCD探测器；所述光学快摆镜以主轴为中心，在30°范围内摆动；光线经过无穷远入射到光学快摆镜，所述光学快摆镜摆扫成像扩大成像视场及幅宽，将成像信息由主镜、次镜、三镜反射，最终成像到TDI CCD探测器上。光学快摆镜具有质量轻、精度高、响应快以及动态滞后误差小等优点，可采用非球面反射镜，若要求更佳的成像质量，可将次反射镜改为自由曲面，与卫星摆动扫描相比，节省了星上控制成本。
Description
技术领域
本发明涉及空间光学成像技术领域，具体涉及一种基于光学快摆镜的动态扫描光学系统。
背景技术
对于空间光学成像领域而言，伴随海量遥感数据处理技术的迅猛发展，传统的成像技术获取的信息数据已无法满足新环境下对影像的需求，这就敦促光学系统向着“大视场”与“宽覆盖”方向发展。受制于光学系统口径和焦距约束，现有的空间光学系统无法实现扩大观测范围的同时高分辨成像，因此利用光学快摆镜扫描成像是解决问题的最佳方案。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于光学快摆镜的动态扫描光学系统，解决了现有空间光学系统口径、视场角、帧频间的制约，无法兼顾宽幅覆盖和高分辨率成像等问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
基于光学快摆镜的动态扫描光学系统，该系统包括：光学快摆镜、主镜、次镜、三镜和TDI CCD探测器；所述光学快摆镜以主轴为中心，在30°范围内摆动；光线经过无穷远入射到光学快摆镜，所述光学快摆镜摆扫成像扩大成像视场及幅宽，将成像信息由主镜、次镜、三镜反射，最终成像到TDI CCD探测器上。
优选的，所述主镜、次镜、三镜为离轴三反系统。
优选的，基于光学快摆镜的动态扫描光学系统设置在卫星上。
优选的，所述光学快摆镜上设有电机，控制所述光学快摆镜在摆扫过程中先匀加速再匀减速，
其中，i∈[1,n]，ρi为单次摆动角度，T为摆扫成像阶段总时长，t0为单次曝光时间，X1和X2分别为摆扫视场的长和宽，W为成像幅宽，w为单周期摆扫有效宽度。
优选的，所述光学快摆镜的主轴方向与卫星前进方向成θ，且
其中，vs为卫星运动的合速度，k为曝光时间的次数，n为曝光成像次数。
优选的，基于光学快摆镜的动态扫描光学系统的工作谱段为0.45～0.9um，F数是6，焦距为800mm，光学系统总长为350mm。
优选的，所述主镜的孔径范围为400～450mm。
优选的，所述次镜顺沿Y轴方向12mm的位置偏心。
本发明的有益效果是：
基于矢量像差原理与空间坐标系的变换过程，整体光学系统将光学快摆镜融入离轴反射式系统的巧妙设计，适用于大视场、消色差等任务需要的航天遥感器。在扫描成像的过程中，变换光学快摆镜的角度，最终均成像于探测器上，从而达到了稳像的作用。光学快摆镜具有质量轻、精度高、响应快以及动态滞后误差小等优点，可采用非球面反射镜，若要求更佳的成像质量，可将次反射镜改为自由曲面，与卫星摆动扫描相比，节省了星上控制成本。
附图说明
图1本发明基于光学快摆镜的动态扫描光学系统结构示意图。
图2本发明基于光学快摆镜+15°的动态扫描光学系统结构示意图。
图3本发明基于光学快摆镜+15°的动态扫描光学系统结构示意图。
图4本发明基于光学快摆镜的动态扫描光学系统成像模式示意图。
图5本发明基于光学快摆镜的动态扫描光学系统调制传递函数曲线图。
图6本发明基于光学快摆镜的动态扫描光学系统场曲畸变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，基于光学快摆镜的动态扫描光学系统，该系统包括：光学快摆镜、主镜、次镜、三镜和TDI CCD探测器；所述光学快摆镜以主轴为中心，在30°范围内摆动；光线经过无穷远入射到光学快摆镜，所述光学快摆镜对地面上的图案摆扫成像扩大成像视场及幅宽，将成像信息由主镜、次镜、三镜反射，最终成像到TDI CCD探测器上。所述主镜、次镜、三镜为离轴三反系统。
如图2所示，当光学快摆镜沿水平方向倾斜+15°时，为保证在转动光学快摆镜过程中，TDI CCD探测器成像位置不随角度所移动，将主镜设置为孔径光阑，从而通过约束主镜的孔径控制光学快摆镜反射过来的光通量，本系统中根据需求将次镜的孔径范围设置为400～450mm，为控制次镜和光学快摆镜的光线不发生干涉效应并将，设置次镜顺沿Y轴方向12mm的位置偏心。
通过对比如图3可以看出，所述的光学快摆镜沿着水平方向倾斜-15°，光学快摆镜旋转量为30°，则最终成像系统的构型及其最终成像位置不变。
如图4所示，结合卫星运动轨迹与相机的曝光时间对摆扫成像模式分析，将摆扫的单周期分为两个阶段，分别为摆扫成像阶段和相机回摆阶段。整个过程由光学快摆镜完成，在每次成像过程间进行摆动，通过匀加速后匀减速的运动方式，保证每次曝光时相机处于相对稳定的姿态。回摆阶段不进行成像任务，这使快速回到摆镜初始位置进行下一周期摆扫成像。其中，摆镜的主轴方向与卫星前进方向的夹角θ，卫星运动的合速度vs、曝光时间的次数为k、曝光成像次数为n、摆扫成像阶段总时长为T、成像幅宽为W，单周期摆扫有效宽度为w，单次曝光时间为t0，卫星运动轨迹垂直时，则最终得到的图像方向亦与轨迹垂直。
最终，成像阶段共需进行n次曝光成像，可在瞬时视场X1*X2的成像条件下实现W的成像幅宽。根据下式计算，当摆镜与卫星前进方向夹角θ时成像区域可与卫星运动轨迹垂直。每次“加速-减速-稳定”成像模式时间为T，单次摆动角度为ρi，可计算得出每段对应的角加速度，则最终单周期摆扫有效宽度为w。
所述的光学快摆镜运用对光束方向进行精确控制来补偿像移，从而达到稳像作用，具体为通过摆镜成像模式中速度的解析，各像移方向的组合矢量方向上进行像移匹配，通过各像移量的合速度匹配光学快摆镜可达到动态补偿的效果。
如图5为基于光学快摆镜的动态扫描光学系统调制传递函数曲线图，可以看出在143lp/mm(奈奎斯特频率)调制传递函数接近极限衍射，成像质量良好。如图6为基于光学快摆镜的动态扫描光学系统场曲畸变曲线图，可见在全视场的条件下场曲小于0.01，畸变量小于1％。
所述方案仅为本发明实施最佳方式，本发明保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易变化及其替代，都应涵盖在本发明保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述内容属于本专业人员公知技术。
Claims (7)
1.基于光学快摆镜的动态扫描光学系统，其特征在于，该系统包括：光学快摆镜、主镜、次镜、三镜和TDICCD探测器；所述光学快摆镜以主轴为中心，在30°范围内摆动；光线经过无穷远入射到光学快摆镜，所述光学快摆镜摆扫成像扩大成像视场及幅宽，将成像信息由主镜、次镜、三镜反射，最终成像到TDICCD探测器上；
所述光学快摆镜上设有电机，控制所述光学快摆镜在摆扫过程中先匀加速再匀减速，
其中，ai为第i次曝光成像对应的角加速度，i∈[1,n]，n为曝光成像次数，ρi为单次摆动角度，T为摆扫成像阶段总时长，t0为单次曝光时间，X1和X2分别为摆扫视场的长和宽，W为成像幅宽，w为单周期摆扫有效宽度，θ为摆镜的主轴方向与卫星前进方向的夹角。
2.根据权利要求1所述的基于光学快摆镜的动态扫描光学系统，其特征在于，所述主镜、次镜、三镜为离轴三反系统。
3.根据权利要求1所述的基于光学快摆镜的动态扫描光学系统，其特征在于，基于光学快摆镜的动态扫描光学系统设置在卫星上。
4.根据权利要求1所述的基于光学快摆镜的动态扫描光学系统，其特征在于，所述光学快摆镜的主轴方向与卫星前进方向成θ，且
其中，vs为卫星运动的合速度，k为曝光时间的次数，n为曝光成像次数，T为摆扫成像阶段总时长，W为成像幅宽，t0为单次曝光时间。
5.根据权利要求1所述的基于光学快摆镜的动态扫描光学系统，其特征在于，基于光学快摆镜的动态扫描光学系统的工作谱段为0.45～0.9um，F数是6，焦距为800mm，光学系统总长为350mm。
6.根据权利要求1所述的基于光学快摆镜的动态扫描光学系统，其特征在于，所述主镜的孔径范围为400～450mm。
7.根据权利要求1所述的基于光学快摆镜的动态扫描光学系统，其特征在于，所述次镜顺沿Y轴方向12mm的位置偏心。
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