本發(fā)明涉及星載激光三維成像領(lǐng)域中的接收光學(xué)系統(tǒng)，具體是指一種用于接收四路激光回波和對地高分辨率成像的共軸三反式無焦望遠(yuǎn)鏡形式。

背景技術(shù)：

激光三維成像技術(shù)是一種新興的主動(dòng)光學(xué)成像技術(shù)，它是指利用發(fā)射激光信號的目標(biāo)回波二維分布信息和目標(biāo)距離信息合成目標(biāo)圖像的一種成像方法。由于三維圖像較二維圖像包含更豐富的目標(biāo)信息，有利于借助目標(biāo)圖像識別目標(biāo)特征，甚至可發(fā)現(xiàn)并識別經(jīng)過偽裝或隱藏于樹林中的目標(biāo)，因而，在地形測繪、城市建設(shè)、工程施工、環(huán)境監(jiān)測等軍事、民用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。其中星載三維成像技術(shù)采用衛(wèi)星平臺，運(yùn)行軌道高、觀測視野廣，可以觸及世界的每一個(gè)角落，為境外地區(qū)三維控制點(diǎn)和數(shù)字地面模型的獲取提供了新的途徑，無論對于國防或是科學(xué)研究都具有十分重大的意義。

星載激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)始于20世紀(jì)90年代初。30年來，世界主要空間大國競先開展星載激光雷達(dá)的研究，主要應(yīng)用于全球測繪、地球科學(xué)、大氣探測、月球、火星和小行星探測、在軌服務(wù)、空間站等。其中，美國的星載激光雷達(dá)技術(shù)、應(yīng)用、規(guī)模處于絕對領(lǐng)先位置。美國公開報(bào)道的典型激光雷達(dá)系統(tǒng)有MOLA、MLA、LOLA、GLAS、ATLAS、LIST等。其中比較典型的有美國ICESat衛(wèi)星上的激光測高儀GLAS、美國的月球軌道高度計(jì)LOLA、預(yù)計(jì)2015年發(fā)射的先進(jìn)地形激光測高系統(tǒng)ATLAS、預(yù)計(jì)2025年發(fā)射的全球地形測量系統(tǒng)LIST等。其中典型的光學(xué)結(jié)構(gòu)例如GLAS的卡塞格林兩反接收望遠(yuǎn)鏡，或者LOLA的透射式接收光路結(jié)構(gòu)。

由美國對地觀測激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃來看，其發(fā)展趨勢由單波束逐漸過渡到多波束探測，后續(xù)發(fā)展瞄準(zhǔn)密集光束推掃探測，從而提高信息獲取效率。多波束星載三維探測為接收望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)帶來了極大的難度，主要體現(xiàn)在：

1反射式接收望遠(yuǎn)鏡對全波段沒有色差，但是兩反系統(tǒng)視場較小，難以形成兩個(gè)波束或以上的視場分割的探測通道。若采用分色片對相同波長激光通道進(jìn)行分光，會大大消弱各通道的光學(xué)探測效率。

2由于大尺寸透鏡材料難以獲取，透射式接收望遠(yuǎn)鏡較難被使用在星載探測領(lǐng)域中。

3若采用獨(dú)立式接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，即一個(gè)發(fā)射激光對應(yīng)一個(gè)接收系統(tǒng)，多波束接收光學(xué)必然對應(yīng)較多的望遠(yuǎn)鏡，對受到重量和體積限制的星載探測器，這都是極大的壓力。

4高分辨率對地觀測成像和高精度距離成像難以兼得。儀器對激光足印完成距離測量的同時(shí)，還需對激光足印附近地物完成拍照，兩者對應(yīng)中心視場需相同。若完成四個(gè)激光通道的探測，通道數(shù)達(dá)到8路，望遠(yuǎn)鏡選型和光學(xué)布局難度極大。

而將共軸三反非球面無焦望遠(yuǎn)鏡形式應(yīng)用在四波束激光三維成像系統(tǒng)，解決了多通道同時(shí)完成激光測距和拍照功能光學(xué)結(jié)構(gòu)的選型問題，多通道共用一個(gè)接收望遠(yuǎn)鏡，布局更加緊湊。結(jié)合推掃成像模式，實(shí)現(xiàn)了激光密集采樣，提高了探測效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

綜上所述，如何將激光多波束探測與新型光學(xué)系統(tǒng)形式相結(jié)合來為研究激光三維成像雷達(dá)提供一種新的技術(shù)手段，乃是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，為此，本發(fā)明的目的是提供一種大視場全反射式緊湊型共軸三反非球面無焦望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是根據(jù)推掃式激光三維成像雷達(dá)的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，將共軸三反非球面無焦系統(tǒng)作為望遠(yuǎn)鏡形式，采用偏軸視場，對不同激光回波波束分別利用激光接收通道會聚進(jìn)行距離信息采集、利用面陣成像通道進(jìn)行地物圖像采集，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和三維圖像反演等過程得到目標(biāo)的三維圖像信息。即本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

根據(jù)本發(fā)明的四波束共軸三反無焦望遠(yuǎn)鏡激光三維成像光學(xué)系統(tǒng)，包括一個(gè)大視場共軸三反非球面系統(tǒng)，該望遠(yuǎn)鏡含有三個(gè)二次曲面非球面反射鏡，前光路部分為共軸三反非球面無焦望遠(yuǎn)鏡，由望遠(yuǎn)鏡主鏡、次鏡和三鏡組成。后光路部分分為四個(gè)相同模塊，各自包括一個(gè)視場折轉(zhuǎn)鏡、一個(gè)分色片、一個(gè)激光接收通道和一個(gè)面陣成像通道，激光接收通道由兩個(gè)透鏡組成，面陣成像通道是離軸三反TMA形式，由兩個(gè)二次離軸非球面和一個(gè)球面反射鏡組成。坐標(biāo)Z軸為光軸方向，X軸為系統(tǒng)子午方向，Y軸為系統(tǒng)弧矢方向。

特點(diǎn)是：

a.望遠(yuǎn)鏡為無焦形式，不同無限遠(yuǎn)地物成像經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡后光線為平行光，有利于后光學(xué)進(jìn)行分光，以及各個(gè)通道獨(dú)立布局。

b.望遠(yuǎn)鏡對應(yīng)四個(gè)波束通道采用偏軸視場設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行四個(gè)波束通道分離。

c.與共軸三反非球面無焦望遠(yuǎn)鏡依次成光路聯(lián)接的有4個(gè)視場折轉(zhuǎn)鏡、4個(gè)分色片、4個(gè)激光接收通道、4個(gè)面陣成像通道。光學(xué)系統(tǒng)分為前光路和后光路部分，前光路為一個(gè)共軸三反非球面無焦望遠(yuǎn)鏡，由主鏡、次鏡和三鏡組成；后光路部分分為四個(gè)接收成像模塊，各自包括一個(gè)視場折轉(zhuǎn)鏡、一個(gè)分色片、一個(gè)激光接收通道和一個(gè)面陣成像通道。

d.前光路共軸三反非球面無焦望遠(yuǎn)鏡主鏡為系統(tǒng)入瞳，次鏡在主鏡左方，三鏡位于主鏡右方，視場折轉(zhuǎn)鏡、分色片、激光接收通道和APD光電探測器位于主鏡和三鏡之間，面陣成像通道位于三鏡右方，面陣CCD相機(jī)位于主鏡和三鏡之間。

e.四束激光束分別與激光三維成像光學(xué)系統(tǒng)光軸在X方向呈+1°、-1°角度關(guān)系，在Y方向呈+1°、-1°角度關(guān)系。每個(gè)接收成像模塊對應(yīng)一個(gè)方向的激光接收光束，并對其腳印視場內(nèi)成像；Y方向+1°視場成像在后光路模塊B位置、Y方向-1°視場成像在后光路模塊A位置、X方向+1°視場成像在后光路模塊D位置、X方向-1°視場成像在后光路模塊C位置。

f.以Y方向-1°偏軸視場為例，其它三個(gè)成像視場路徑與此相同。與接收望遠(yuǎn)鏡光軸呈-1°角度的激光光束發(fā)射，其光束經(jīng)過地面反射回波后，通過前光路的共軸三反非球面無焦望遠(yuǎn)鏡，然后經(jīng)視場折轉(zhuǎn)鏡發(fā)射，由分色片進(jìn)行激光1064nm波段和激光足印景物400-900nm分離，分色片透射1064nm波段激光回波信息后，由激光接收通道將能量聚集到APD光電探測器上，數(shù)據(jù)處理計(jì)算出光脈沖飛行時(shí)間，從而得到距離值，實(shí)現(xiàn)地物目標(biāo)高程特征信息的反演。激光足印附近的400-900nm波段范圍內(nèi)二維地面景物，同樣通過共軸三反非球面無焦望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)過視場折轉(zhuǎn)鏡反射后，分色片反射400-900nm波段，再由面陣成像通道，將二維地物成像在面陣CCD相機(jī)上，實(shí)現(xiàn)激光足印附近二維空間地物目標(biāo)的拍照采集。

所述的一個(gè)共軸三反非球面無焦望遠(yuǎn)鏡為全反射式同軸非球面系統(tǒng)，主鏡、次鏡和三鏡為二次標(biāo)準(zhǔn)曲面。所述的四個(gè)視場折轉(zhuǎn)鏡為石英平面反射鏡。所述的四個(gè)分色片為石英濾光片，對400-900nm波段光束反射，對1064nm激光光束透射。所述的四個(gè)激光接收通道由透射式或折反射式系統(tǒng)及APD光電探測器組成。所述的面陣成像通道，由全反射式離軸三反TMA系統(tǒng)或者透射式或折反系統(tǒng)及面陣CCD相機(jī)組成。

本發(fā)明由于把共焦三反非球面無焦望遠(yuǎn)鏡與多波束激光三維成像雷達(dá)相結(jié)合，將兩反式卡塞格林系統(tǒng)改進(jìn)成三反式無焦形式，使之成像視場更大，明顯地提升了多波束探測的功能，本發(fā)明系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

1可對至少4個(gè)激光波束進(jìn)行可見光成像和激光回波測量，實(shí)現(xiàn)了激光密集采樣，提高了信息獲取效率。

2望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)為大視場無焦模式，有利于后光路分光與單獨(dú)設(shè)計(jì)，提高了激光回波的接收效率，實(shí)現(xiàn)了多波束共用一個(gè)接收望遠(yuǎn)鏡，大大節(jié)省了儀器的體積和重量。

3采用分色片對激光波段和可見波段進(jìn)行分光，實(shí)現(xiàn)了距離測量和二維空間拍照的共視場性。

4激光接收通道光學(xué)設(shè)計(jì)僅采用兩片式透鏡形式，結(jié)構(gòu)簡單，光學(xué)效率高，便于加工和裝調(diào)。

5面陣成像通道采用大視場設(shè)計(jì)方案，成像質(zhì)量高，光學(xué)畸變最大視場僅為8微米，空間分辨率高達(dá)5μrad，有利于測繪領(lǐng)域中的圖像耦合。其中采用離軸三反TMA系統(tǒng)，全反系統(tǒng)不受色差的影響，次鏡設(shè)計(jì)為球面鏡，解決了凸非球面難以加工檢驗(yàn)的難題；采用全球面透射式系統(tǒng)，容易加工，結(jié)構(gòu)簡單。

6系統(tǒng)全采用通用二次非球面面形，技術(shù)成熟，計(jì)算容差靈敏度適合現(xiàn)有技術(shù)手段的實(shí)施。

7光學(xué)系統(tǒng)形式應(yīng)用廣泛，能應(yīng)用于全球測繪、地球科學(xué)、大氣探測、月球、火星和小行星探測、在軌服務(wù)、空間站等各種激光三維成像領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為四波束激光三維成像光學(xué)系統(tǒng)YZ面投影結(jié)構(gòu)圖；

圖2為四波束激光三維成像光學(xué)系統(tǒng)XZ面投影結(jié)構(gòu)圖；

圖中：(1)一個(gè)共軸三反非球面無焦望遠(yuǎn)鏡、(2)四個(gè)視場折轉(zhuǎn)鏡、(3)四個(gè)分色片、(4)四個(gè)激光接收通道、(5)四個(gè)面陣成像通道、(6)APD光電探測器、(7)四個(gè)面陣CCD相機(jī)。

具體實(shí)施方式

我們設(shè)計(jì)了一種基于共軸三反無焦望遠(yuǎn)鏡的激光四波束三維成像光學(xué)系統(tǒng)，像質(zhì)接近衍射極限，系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1可對至少4個(gè)激光波束進(jìn)行可見光成像和激光回波測量；

2主鏡口徑500mm；

3譜段范圍：400-900nm(可見光成像)和1064nm(激光成像)；

4空間分辨率：優(yōu)于5μrad，與探測距離、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)焦距和CCD相機(jī)像元尺寸有關(guān)，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡焦距為3.6m、像元尺寸為18微米、探測距離為700km時(shí)，則空間分辨率可達(dá)3.5m；

5光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)為3.5；

6二維地物成像視場達(dá)到0.5°×0.5°、絕對畸變最大視場為8微米、光學(xué)設(shè)計(jì)在截止頻率處平均MTF為0.7。

光學(xué)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示：

表1光學(xué)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)參數(shù)