CN106443643B - 一种用于高精度主被动探测***的光轴监测方法及装置 - Google Patents

一种用于高精度主被动探测***的光轴监测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高精度主被动探测***的光轴监测方法及装置，装置包括激光发射***、光轴分离组件、共用望远镜、光轴监视相机、被动成像***和激光接收***。本发明利用了在入射平面内棱镜入射出射光夹角仅与棱镜反射面夹角有关的特性，通过在高精度多光轴主被动复合探测***中引入光轴分离组件和光轴监测相机等手段建立起激光发射光轴和被动成像***光轴之间的相对关系，便于在高精度主被动探测***工作过程中实时对各光轴变化情况进行监测，所获得的光轴变化数据也可在后续数据处理中对探测数据进行修正。本发明具有光轴监测灵敏度高、自身光轴稳定性好、加工装调工艺成熟等优点，可广泛应用于机载和星载高精度主被动复合探测光电***中。

Description

一种用于高精度主被动探测***的光轴监测方法及装置
技术领域：
本发明属于主被动复合光电探测技术领域，涉及一种应用于机载和星载平台的高精度激光主动探测/被动光电成像结合的复合探测***，特别指一种可用于高精度主被动探测***的光轴监测方法及装置。
背景技术：
随着用户对激光测绘数据精度的要求越来越高，依靠单一的激光雷达测绘***获取的数据由于无法与地面目标精确匹配，已经难以满足高精度测绘的要求。美国为了解决激光雷达测绘***发射光束定位问题以实现激光束与地面目标的高精度匹配，在其研制的地球激光测高***(GLAS)等高精度激光雷达测绘***中采用了高精度姿态定位装置结合大量的地面定标控制点的方案，这不仅造成激光测绘***自身和地面定标***的复杂化，而且缺乏实时性，降低了激光测绘***的效率。
解决激光雷达测绘***中发射激光束与地面景物实时匹配问题的一个可行方案是将激光主动探测***与传统的被动成像光电***相结合的主被动复合探测***，通过激光发射***发射光束光轴与被动成像***光轴之间的相对匹配关系即可实现发射激光束与地面景物的精确匹配。不过在实际工作过程中由于外界振动、重力变形、环境温度变化等因素可能会导致激光发射***发射光轴与被动成像***光轴之间的相对关系发生变化，从而影响发射激光束与地面景物之间的匹配精度。在贾建军等人的专利中提出了一种在激光量子通信中采用角锥棱镜反射以实现光轴自校准的方案(专利号CN 102185659 B)，该方案仅能对后续光路的小范围光轴稳定情况进行监测，且只能用于激光发射与接收***共光路的情况，不能监测收发旁轴***的光轴变化情况和望远镜自身的光轴变化情况。
发明内容：
为解决高精度多光轴主被动复合探测***中激光发射光轴与被动成像***光轴之间相对关系的实时监测问题，本发明提出了一种用于高精度主被动探测***的光轴监测方法及装置，通过在***中引入光轴分离组件和光轴监测相机等手段建立起激光发射光轴和被动成像***光轴之间的相对关系，便于在高精度主被动探测***工作过程中实时对各光轴变化情况进行监测。
本发明采取的技术方案是：一种用于高精度主被动探测***的光轴监测方法及装置，由激光发射***1、光轴分离组件2、共用望远镜3、分色片4、被动成像***5、激光接收***6和光轴监测相机7等部分组成。所述的激光发射***1发射的激光束被光轴分离组件2的入射镜2-1分成两束，其中探测光束1-1透射后打到地面目标上，被目标漫反射后回波信号被共用望远镜3接收后透过分色片4进入激光接收***6，同时地面目标自身辐射的信号也被共用望远镜3收集，经分色片4反射后进入被动成像***5成像。光轴监测光束1-2被光轴分离组件2的出射镜2-2前后表面反射后形成望远镜光轴监测光束1-3和成像光轴监测光束1-4入射至共用望远镜3，分别被光轴监测相机7和被动成像***5接收。
所述的激光发射***1发射的激光束被光轴分离组件2折转后形成的望远镜光轴监测光束1-3被光轴监测相机7接收，形成的光斑用于监测激光发射***1和共用望远镜3的光轴变化，成像光轴监测光束1-4由被动成像***5接收，形成的光斑用于监测激光发射***1、共用望远镜3和被动成像***5之间的光轴相对变化。
所述的激光发射***1经入射镜2-1后的探测光束1-1的光轴与共用望远镜3的光轴成θ角，共用望远镜3为被动成像***5、激光接收***6和光轴监测相机7的共用光路部分，其中光轴监测相机7的光轴与共用望远镜3的光轴重合，被动成像***5和激光接收***6的光轴与共用望远镜3的光轴成θ角，被动成像***5和激光接收***6光路通过分色片4进行分离；
所述的光轴分离组件2由入射镜2-1、出射镜2-2和结构框架2-3组成，入射镜2-1和出射镜2-2安装于一个一体化的结构框架2-3内，结构框架2-3的材料可以为钛合金、殷钢或其他热膨胀系数小于10-5/℃的材料，其中入射镜2-1和出射镜2-2的前表面法线与共用望远镜3的光轴分别成45°和-45°，入射镜2-1的后表面相对前表面有一个楔角ω1，满足以下关系：
Figure BDA0001129977940000031
其中n为入射镜(2-1)材料折射率，I和I’分别为光束在前表面的入射角和折射角，单位为角度。
出射镜2-2的后表面相对前表面有一个楔角ω2，满足以下关系：
n·sin(I'+2ω2)＝sin(I+θ)，sin I＝n·sin I'
其中n为出射镜2-2材料折射率，I和I’分别为光束在前表面的入射角和折射角，单位为角度。
所述的光轴分离组件2中的入射镜2-1位于激光发射***1的发射光路中，出射镜2-2位于共用望远镜3的接收口径范围内。
所述的光轴分离组件2中的入射镜2-1前表面镀分光膜，后表面镀对应激光发射***波长的增透膜，出射镜2-2前表面镀分光膜，后表面镀对应激光发射***波长的内反射膜。
所述的光轴监测方法中，光轴变化量可如下计算：令a1和a2分别为光轴监测相机7和被动成像***5的探测器上检测到的光斑偏移量，f1和f2分别为精确标定的光轴监测相机7和被动成像***5的焦距，则对应的光轴变化量分别为：
Figure BDA0001129977940000041
Figure BDA0001129977940000042
通过
Figure BDA0001129977940000043
和/>
Figure BDA0001129977940000044
之间的大小和方向关系即可对***光轴变化情况进行分析和判断。
本发明的优点在于：在高精度多光轴主被动复合探测***中建立起了激光发射光轴和被动成像***光轴之间的相对关系，可实现在高精度主被动探测***工作过程中实时对各光轴变化情况进行监测，具有光轴监测灵敏度高、自身光轴稳定性好、加工装调工艺成熟等特点，可广泛应用于机载和星载高精度主被动复合探测光电***中。
附图说明：
图1是所述的光轴监测装置光路示意图。
图2是实施例中的光学***总光路示意图。
图3是实施例中的光轴分离组件三维等轴测图。
图4是实施例中的光轴分离组件入射镜2-1光路图。
图5是实施例中的光轴分离组件出射镜2-2光路图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
如附图2所示，本实施例所述的为采用了本发明的一种可对激光足印景物成像的双波束激光测高仪光学***设计方案，包括共用望远镜、可见/近红外分色片、被动成像相机、激光接收***、光轴监测相机、光轴分离组件和激光发射***。***中包含两套完全相同的组件以共用望远镜的光轴为对称轴呈轴对称分布，被动成像相机、激光接收***和光轴监测相机共用无焦望远镜，被动成像相机和激光接收***利用共用望远镜的轴外视场，光轴监测相机利用共用望远镜的轴上视场，被动成像相机和激光接收***通过可见/近红外分色片进行光路分离，两套光轴分离组件和激光发射***位于望远镜光路两侧，其光轴分别与两套被动成像相机的光轴平行。激光发射***发射的激光束被光轴分离组件的入射镜分成两束，探测激光透射后打到地面目标上，被地面目标漫反射后回波信号被共用望远镜接收后透过可见/近红外分色片进入激光接收***，同时地面目标自身辐射的可见光信号也被共用望远镜收集，经可见/近红外分色片反射后进入被动成像相机成像。光轴监测激光被光轴分离组件的出射镜反射后形成望远镜光轴监测激光和成像光轴监测激光并入射至共用望远镜，分别被被动成像相机和光轴监测相机接收。
本实施例中的共用望远镜、被动成像相机、激光接收***和光轴监测相机等各部分的***参数如下表所示。
Figure BDA0001129977940000051
Figure BDA0001129977940000061
本实施例中的一体化结构框架如附图3所示，所用材料为殷钢。
本实施例中的θ＝0.7°，光轴分离组件的入射镜和出射镜内部光路图分别如附图4和附图5所示。入射镜后表面与前表面之间的楔角ω1＝0.88°，出射镜后表面与前表面之间的楔角为ω2＝0.19°，入射镜与出射镜的材料均为熔石英，在1064nm处的折射率为1.45。
本实施例中被动成像相机和光轴监测相机的探测器像素尺寸均为6um，焦距均为2600mm，当光斑在探测器上偏移了一个象元时，光轴稳定性监测灵敏度为
Figure BDA0001129977940000062
若采用光斑质心算法对像素细分则灵敏度可进一步提高。

Claims (6)

1.一种用于高精度主被动探测***的光轴监测装置，主要包括激光发射***(1)、光轴分离组件(2)、共用望远镜(3)、分色片(4)、被动成像***(5)、激光接收***(6)和光轴监测相机(7)等部分，其特征在于：
所述的光轴分离组件(2)中的入射镜(2-1)位于激光发射***(1)的发射光路中，出射镜(2-2)位于共用望远镜(3)的接收口径范围内；
所述的激光发射***(1)发射的激光束透过入射镜(2-1)后的探测光束(1-1)的光轴与共用望远镜(3)的光轴成θ角，θ为不小于0.5°的角度值，共用望远镜(3)为被动成像***(5)、激光接收***(6)和光轴监测相机(7)的共用光路部分，其中光轴监测相机(7)的光轴与共用望远镜(3)的光轴重合，被动成像***(5)和激光接收***(6)的光轴与共用望远镜(3)的光轴成θ角，被动成像***(5)和激光接收***(6)光路通过分色片(4)进行分离；
所述的激光发射***(1)发射的激光束被光轴分离组件(2)的入射镜(2-1)分成两束，其中探测光束(1-1)透射后打到地面目标上，被目标漫反射后回波信号被共用望远镜(3)接收后透过分色片(4)进入激光接收***(6)，同时地面目标自身辐射的信号也被共用望远镜(3)收集，经分色片(4)反射后进入被动成像***(5)成像；光轴监测光束(1-2)被光轴分离组件(2)的出射镜(2-2)前后表面反射后形成望远镜光轴监测光束(1-3)和成像光轴监测光束(1-4)入射至共用望远镜(3)，分别被光轴监测相机(7)和被动成像***(5)接收。
2.根据权利要求1所述的一种用于高精度主被动探测***的光轴监测装置，其特征在于：激光发射***(1)发射的激光束被光轴分离组件(2)折转后形成的望远镜光轴监测光束(1-3)被光轴监测相机(7)接收，形成的光斑用于监测激光发射***(1)和共用望远镜(3)之间的光轴变化，成像光轴监测光束(1-4)由被动成像***(5)接收，形成的光斑用于监测激光发射***(1)、共用望远镜(3)和被动成像***(5)之间的光轴相对变化。
3.根据权利要求1所述的一种用于高精度主被动探测***的光轴监测装置，其特征在于：所述的光轴分离组件(2)由入射镜(2-1)、出射镜(2-2)和结构框架(2-3)组成，入射镜(2-1)和出射镜(2-2)安装于一个一体化的结构框架(2-3)内，结构框架(2-3)的材料可以为钛合金、殷钢或其他热膨胀系数小于10-5/℃的材料，其中入射镜(2-1)和出射镜(2-2)的前表面法线与共用望远镜(3)的光轴分别成45°和-45°，入射镜(2-1)的后表面相对前表面有一个楔角ω1，满足以下关系：
Figure FDA0001129977930000021
其中n为入射镜(2-1)材料折射率，I和I’分别为光束在前表面的入射角和折射角，单位为角度，θ为权利要求1中所述的角度值；
出射镜(2-2)的后表面相对前表面有一个楔角ω2，满足以下关系：
n·sin(I'+2ω2)＝sin(I+θ)，sin I＝n·sin I'
其中n为出射镜(2-2)材料折射率，I和I’分别为光束在前表面的入射角和折射角，单位为角度，θ为权利要求1中所述的角度值。
4.根据权利要求1所述的一种用于高精度主被动探测***的光轴监测装置，其特征在于：所述的入射镜(2-1)前表面镀分光膜，后表面镀对应激光发射***波长的增透膜。
5.根据权利要求1所述的一种用于高精度主被动探测***的光轴监测装置，其特征在于：所述的出射镜(2-2)前表面镀分光膜，后表面镀对应激光发射***波长的内反射膜。
6.一种基于利要求1所述的一种用于高精度主被动探测***的光轴监测装置的光轴监测方法，其特征在于方法如下：
探测***的光轴变化量可如下计算：令a1和a2分别为光轴监测相机(7)和被动成像***(5)的探测器上检测到的光斑偏移量，f1和f2分别为精确标定的光轴监测相机(7)和被动成像***(5)的焦距，则对应的光轴变化量分别为：
Figure FDA0001129977930000031
Figure FDA0001129977930000032
通过
Figure FDA0001129977930000033
和/>
Figure FDA0001129977930000034
之间的大小和方向关系即可对***光轴变化情况进行分析和判断。
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