一種用於高精度主被動探測系統的光軸監測方法及裝置與流程

2024-01-25 21:08:15 2

本發明屬於主被動複合光電探測技術領域，涉及一種應用於機載和星載平臺的高精度雷射主動探測/被動光電成像結合的複合探測系統，特別指一種可用於高精度主被動探測系統的光軸監測方法及裝置。

背景技術：
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隨著用戶對雷射測繪數據精度的要求越來越高，依靠單一的雷射雷達測繪系統獲取的數據由於無法與地面目標精確匹配，已經難以滿足高精度測繪的要求。美國為了解決雷射雷達測繪系統發射光束定位問題以實現雷射束與地面目標的高精度匹配，在其研製的地球雷射測高系統(GLAS)等高精度雷射雷達測繪系統中採用了高精度姿態定位裝置結合大量的地面定標控制點的方案，這不僅造成雷射測繪系統自身和地面定標系統的複雜化，而且缺乏實時性，降低了雷射測繪系統的效率。

解決雷射雷達測繪系統中發射雷射束與地面景物實時匹配問題的一個可行方案是將雷射主動探測系統與傳統的被動成像光電系統相結合的主被動複合探測系統，通過雷射發射系統發射光束光軸與被動成像系統光軸之間的相對匹配關係即可實現發射雷射束與地面景物的精確匹配。不過在實際工作過程中由於外界振動、重力變形、環境溫度變化等因素可能會導致雷射發射系統發射光軸與被動成像系統光軸之間的相對關係發生變化，從而影響發射雷射束與地面景物之間的匹配精度。在賈建軍等人的專利中提出了一種在雷射量子通信中採用角錐稜鏡反射以實現光軸自校準的方案(專利號CN 102185659 B)，該方案僅能對後續光路的小範圍光軸穩定情況進行監測，且只能用於雷射發射與接收系統共光路的情況，不能監測收發旁軸系統的光軸變化情況和望遠鏡自身的光軸變化情況。

技術實現要素：
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為解決高精度多光軸主被動複合探測系統中雷射發射光軸與被動成像系統光軸之間相對關係的實時監測問題，本發明提出了一種用於高精度主被動探測系統的光軸監測方法及裝置，通過在系統中引入光軸分離組件和光軸監測相機等手段建立起雷射發射光軸和被動成像系統光軸之間的相對關係，便於在高精度主被動探測系統工作過程中實時對各光軸變化情況進行監測。

本發明採取的技術方案是：一種用於高精度主被動探測系統的光軸監測方法及裝置，由雷射發射系統1、光軸分離組件2、共用望遠鏡3、分色片4、被動成像系統5、雷射接收系統6和光軸監測相機7等部分組成。所述的雷射發射系統1發射的雷射束被光軸分離組件2的入射鏡2-1分成兩束，其中探測光束1-1透射後打到地面目標上，被目標漫反射後回波信號被共用望遠鏡3接收後透過分色片4進入雷射接收系統6，同時地面目標自身輻射的信號也被共用望遠鏡3收集，經分色片4反射後進入被動成像系統5成像。光軸監測光束1-2被光軸分離組件2的出射鏡2-2前後表面反射後形成望遠鏡光軸監測光束1-3和成像光軸監測光束1-4入射至共用望遠鏡3，分別被光軸監測相機7和被動成像系統5接收。

所述的雷射發射系統1發射的雷射束被光軸分離組件2折轉後形成的望遠鏡光軸監測光束1-3被光軸監測相機7接收，形成的光斑用於監測雷射發射系統1和共用望遠鏡3的光軸變化，成像光軸監測光束1-4由被動成像系統5接收，形成的光斑用於監測雷射發射系統1、共用望遠鏡3和被動成像系統5之間的光軸相對變化。

所述的雷射發射系統1經入射鏡2-1後的探測光束1-1的光軸與共用望遠鏡3的光軸成θ角，共用望遠鏡3為被動成像系統5、雷射接收系統6和光軸監測相機7的共用光路部分，其中光軸監測相機7的光軸與共用望遠鏡3的光軸重合，被動成像系統5和雷射接收系統6的光軸與共用望遠鏡3的光軸成θ角，被動成像系統5和雷射接收系統6光路通過分色片4進行分離；

所述的光軸分離組件2由入射鏡2-1、出射鏡2-2和結構框架2-3組成，入射鏡2-1和出射鏡2-2安裝於一個一體化的結構框架2-3內，結構框架2-3的材料可以為鈦合金、殷鋼或其他熱膨脹係數小於10-5/℃的材料，其中入射鏡2-1和出射鏡2-2的前表面法線與共用望遠鏡3的光軸分別成45°和-45°，入射鏡2-1的後表面相對前表面有一個楔角ω1，滿足以下關係：

其中n為入射鏡(2-1)材料折射率，I和I』分別為光束在前表面的入射角和折射角，單位為角度。

出射鏡2-2的後表面相對前表面有一個楔角ω2，滿足以下關係：

n·sin(I'+2ω2)＝sin(I+θ)，sin I＝n·sin I'

其中n為出射鏡2-2材料折射率，I和I』分別為光束在前表面的入射角和折射角，單位為角度。

所述的光軸分離組件2中的入射鏡2-1位於雷射發射系統1的發射光路中，出射鏡2-2位於共用望遠鏡3的接收口徑範圍內。

所述的光軸分離組件2中的入射鏡2-1前表面鍍分光膜，後表面鍍對應雷射發射系統波長的增透膜，出射鏡2-2前表面鍍分光膜，後表面鍍對應雷射發射系統波長的內反射膜。

所述的光軸監測方法中，光軸變化量可如下計算：令a1和a2分別為光軸監測相機7和被動成像系統5的探測器上檢測到的光斑偏移量，f1和f2分別為精確標定的光軸監測相機7和被動成像系統5的焦距，則對應的光軸變化量分別為：

通過和之間的大小和方向關係即可對系統光軸變化情況進行分析和判斷。

本發明的優點在於：在高精度多光軸主被動複合探測系統中建立起了雷射發射光軸和被動成像系統光軸之間的相對關係，可實現在高精度主被動探測系統工作過程中實時對各光軸變化情況進行監測，具有光軸監測靈敏度高、自身光軸穩定性好、加工裝調工藝成熟等特點，可廣泛應用於機載和星載高精度主被動複合探測光電系統中。

附圖說明：

圖1是所述的光軸監測裝置光路示意圖。

圖2是實施例中的光學系統總光路示意圖。

圖3是實施例中的光軸分離組件三維等軸測圖。

圖4是實施例中的光軸分離組件入射鏡2-1光路圖。

圖5是實施例中的光軸分離組件出射鏡2-2光路圖。

具體實施方式：

下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步說明：

如附圖2所示，本實施例所述的為採用了本發明的一種可對雷射足印景物成像的雙波束雷射測高儀光學系統設計方案，包括共用望遠鏡、可見/近紅外分色片、被動成像相機、雷射接收系統、光軸監測相機、光軸分離組件和雷射發射系統。系統中包含兩套完全相同的組件以共用望遠鏡的光軸為對稱軸呈軸對稱分布，被動成像相機、雷射接收系統和光軸監測相機共用無焦望遠鏡，被動成像相機和雷射接收系統利用共用望遠鏡的軸外視場，光軸監測相機利用共用望遠鏡的軸上視場，被動成像相機和雷射接收系統通過可見/近紅外分色片進行光路分離，兩套光軸分離組件和雷射發射系統位於望遠鏡光路兩側，其光軸分別與兩套被動成像相機的光軸平行。雷射發射系統發射的雷射束被光軸分離組件的入射鏡分成兩束，探測雷射透射後打到地面目標上，被地面目標漫反射後回波信號被共用望遠鏡接收後透過可見/近紅外分色片進入雷射接收系統，同時地面目標自身輻射的可見光信號也被共用望遠鏡收集，經可見/近紅外分色片反射後進入被動成像相機成像。光軸監測雷射被光軸分離組件的出射鏡反射後形成望遠鏡光軸監測雷射和成像光軸監測雷射併入射至共用望遠鏡，分別被被動成像相機和光軸監測相機接收。

本實施例中的共用望遠鏡、被動成像相機、雷射接收系統和光軸監測相機等各部分的系統參數如下表所示。

本實施例中的一體化結構框架如附圖3所示，所用材料為殷鋼。

本實施例中的θ＝0.7°，光軸分離組件的入射鏡和出射鏡內部光路圖分別如附圖4和附圖5所示。入射鏡後表面與前表面之間的楔角ω1＝0.88°，出射鏡後表面與前表面之間的楔角為ω2＝0.19°，入射鏡與出射鏡的材料均為熔石英，在1064nm處的折射率為1.45。

本實施例中被動成像相機和光軸監測相機的探測器像素尺寸均為6um，焦距均為2600mm，當光斑在探測器上偏移了一個象元時，光軸穩定性監測靈敏度為若採用光斑質心算法對像素細分則靈敏度可進一步提高。