基于共軸三反無焦望遠鏡的四波束激光三維成像系統的制作方法

本專利涉及星載激光三維成像領域中的接收光學系統，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鏡形式。

背景技術：

激光三維成像技術是一種新興的主動光學成像技術，它是指利用發射激光信號的目標回波二維分布信息和目標距離信息合成目標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信息，有利于借助目標圖像識別目標特征，甚至可發現并識別經過偽裝或隱藏于樹林中的目標，因而，在地形測繪、城市建設、工程施工、環境監測等軍事、民用領域具有重要的應用價值和廣闊的應用前景。其中星載三維成像技術采用衛星平臺，運行軌道高、觀測視野廣，可以觸及世界的每一個角落，為境外地區三維控制點和數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研究都具有十分重大的意義。

星載激光雷達實驗始于20世紀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的研究，主要應用于全球測繪、地球科學、大氣探測、月球、火星和小行星探測、在軌服務、空間站等。其中，美國的星載激光雷達技術、應用、規模處于絕對領先位置。美國公開報道的典型激光雷達系統有MOLA、 MLA、LOLA、GLAS、ATLAS、LIST等。其中比較典型的有美國ICESat衛星上的激光測高儀GLAS、美國的月球軌道高度計LOLA、預計2015年發射的先進地形激光測高系統ATLAS、預計2025年發射的全球地形測量系統LIST等。其中典型的光學結構例如GLAS的卡塞格林兩反接收望遠鏡，或者LOLA的透射式接收光路結構。

由美國對地觀測激光雷達系統發展規劃來看，其發展趨勢由單波束逐漸過渡到多波束探測，后續發展瞄準密集光束推掃探測，從而提高信息獲取效率。多波束星載三維探測為接收望遠鏡的光學設計帶來了極大的難度，主要體現在：

1反射式接收望遠鏡對全波段沒有色差，但是兩反系統視場較小，難以形成兩個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行分光，會大大消弱各通道的光學探測效率。

2由于大尺寸透鏡材料難以獲取，透射式接收望遠鏡較難被使用在星載探測領域中。

3若采用獨立式接收望遠鏡系統，即一個發射激光對應一個接收系統，多波束接收光學必然對應較多的望遠鏡，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，還需對激光足印附近地物完成拍照，兩者對應中心視場需相同。若完成四個激光通道的探測，通道數達到8路，望遠鏡選型和光學布局難度極大。

而將共軸三反非球面無焦望遠鏡形式應用在四波束激光三維成像系統，解決了多通道同時完成激光測距和拍照功能光學結構的選型問題，多通道共用一個接收望遠鏡，布局更加緊湊。結合推掃成像模式，實現了激光密集采樣，提高了探測效率。

技術實現要素：

綜上所述，如何將激光多波束探測與新型光學系統形式相結合來為研究激光三維成像雷達提供一種新的技術手段，乃是本專利所要解決的技術問題，為此，本專利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鏡光學系統。

本專利的技術構思是根據推掃式激光三維成像雷達的原理進行設計，將共軸三反非球面無焦系統作為望遠鏡形式，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行距離信息采集、利用面陣成像通道進行地物圖像采集，再經過數據處理和三維圖像反演等過程得到目標的三維圖像信息。即本專利的技術解決方案如下：

基于共軸三反無焦望遠鏡的四波束激光三維成像光學系統包括一個共軸三反非球面無焦望遠鏡1，與該望遠鏡依次成光路聯接的有4個視場折轉鏡2、 4個分色片3、4個激光接收通道4、4個面陣成像通道5；光學系統分為前光路和后光路部分，前光路為一個共軸三反非球面無焦望遠鏡1，由主鏡、次鏡和三鏡組成；后光路部分分為四個接收成像模塊，各自包括一個視場折轉鏡、一個分色片、一個激光接收通道和一個面陣成像通道；

前光路共軸三反非球面無焦望遠鏡1的主鏡為四波束激光三維成像光學系統入瞳，次鏡在主鏡左方，三鏡位于主鏡右方，視場折轉鏡、分色片、激光接收通道和APD光電探測器6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7位于主鏡和三鏡之間；

四束激光束分別與激光三維成像光學系統光軸在X方向呈+1°、-1°角度關系，在Y方向呈+1°、-1°角度關系；每個接收成像模塊對應一個方向的激光接收光束，并對其激光足印視場內成像；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；

Y方向-1°激光束的激光三維成像過程為：激光器發射的與接收望遠鏡光軸呈-1°角度的激光光束經過地面反射回波后，通過前光路的共軸三反非球面無焦望遠鏡(1)，然后經視場折轉鏡發射，由分色片進行激光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，數據處理計算出光脈沖飛行時間，從而得到距離值，實現地物目標高程特征信息的反演；激光足印附近的 400-900nm波段范圍內二維地面景物，同樣通過共軸三反非球面無焦望遠鏡1，經過視場折轉鏡反射后，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探測器上，實現激光足印附近二維空間地物目標的拍照采集；其余三個視場激光三維成像過程與此相同。

所述的一個共軸三反非球面無焦望遠鏡1為全反射式同軸非球面系統，主鏡、次鏡和三鏡為二次標準曲面。

所述的4個視場折轉鏡2為石英平面反射鏡。

所述的4個分色片3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4個激光接收通道4由透射式或折反射式系統及APD光電探測器6 組成。

所述的面陣成像通道5由全反射式離軸三反TMA系統、透射式或折反系統及面陣CCD探測器組成。

本專利由于把共焦三反非球面無焦望遠鏡與多波束激光三維成像雷達相結合，將兩反式卡塞格林系統改進成三反式無焦形式，使之成像視場更大，明顯地提升了多波束探測的功能，本專利系統的優點如下：

1可對至少4個激光波束進行可見光成像和激光回波測量，實現了激光密集采樣，提高了信息獲取效率。

2望遠鏡設計為大視場無焦模式，有利于后光路分光與單獨設計，提高了激光回波的接收效率，實現了多波束共用一個接收望遠鏡，大大節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行分光，實現了距離測量和二維空間拍照的共視場性。

4激光接收通道光學設計僅采用兩片式透鏡形式，結構簡單，光學效率高，便于加工和裝調。

5面陣成像通道采用大視場設計方案，成像質量高，光學畸變最大視場僅為8微米，空間分辨率高達5μrad，有利于測繪領域中的圖像耦合。其中采用離軸三反TMA系統，全反系統不受色差的影響，次鏡設計為球面鏡，解決了凸非球面難以加工檢驗的難題；采用全球面透射式系統，容易加工，結構簡單。

6系統全采用通用二次非球面面形，技術成熟，計算容差靈敏度適合現有技術手段的實施。

7光學系統形式應用廣泛，能應用于全球測繪、地球科學、大氣探測、月球、火星和小行星探測、在軌服務、空間站等各種激光三維成像領域。

附圖說明

圖1為四波束激光三維成像光學系統YZ面投影結構圖；

圖2為四波束激光三維成像光學系統XZ面投影結構圖；

圖中：(1)：一個共軸三反非球面無焦望遠鏡、(2)：四個視場折轉鏡、(3)：四個分色片、(4)：四個激光接收通道、(5)：四個面陣成像通道、(6)：APD 光電探測器、(7)：四個面陣CCD相機。

具體實施方式

我們設計了一種基于共軸三反無焦望遠鏡的激光四波束三維成像光學系統，像質接近衍射極限，系統主要技術指標如下：

1可對至少4個激光波束進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：優于5μrad，與探測距離、望遠鏡系統焦距和CCD相機像元尺寸有關，當望遠鏡焦距為3.6m、像元尺寸為18微米、探測距離為700km 時，則空間分辨率可達3.5m；

5光學系統F數為3.5；

6二維地物成像視場達到0.5°×0.5°、絕對畸變最大視場為8微米、光學設計在截止頻率處平均MTF為0.7。

光學系統具體設計參數如表1所示。

表1光學系統具體設計參數