本發(fā)明屬于主被動復(fù)合光電探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于機載和星載平臺的高精度激光主動探測/被動光電成像結(jié)合的復(fù)合探測系統(tǒng)，特別指一種可用于高精度主被動探測系統(tǒng)的光軸監(jiān)測方法及裝置。

背景技術(shù)：
：

隨著用戶對激光測繪數(shù)據(jù)精度的要求越來越高，依靠單一的激光雷達(dá)測繪系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)由于無法與地面目標(biāo)精確匹配，已經(jīng)難以滿足高精度測繪的要求。美國為了解決激光雷達(dá)測繪系統(tǒng)發(fā)射光束定位問題以實現(xiàn)激光束與地面目標(biāo)的高精度匹配，在其研制的地球激光測高系統(tǒng)(GLAS)等高精度激光雷達(dá)測繪系統(tǒng)中采用了高精度姿態(tài)定位裝置結(jié)合大量的地面定標(biāo)控制點的方案，這不僅造成激光測繪系統(tǒng)自身和地面定標(biāo)系統(tǒng)的復(fù)雜化，而且缺乏實時性，降低了激光測繪系統(tǒng)的效率。

解決激光雷達(dá)測繪系統(tǒng)中發(fā)射激光束與地面景物實時匹配問題的一個可行方案是將激光主動探測系統(tǒng)與傳統(tǒng)的被動成像光電系統(tǒng)相結(jié)合的主被動復(fù)合探測系統(tǒng)，通過激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射光束光軸與被動成像系統(tǒng)光軸之間的相對匹配關(guān)系即可實現(xiàn)發(fā)射激光束與地面景物的精確匹配。不過在實際工作過程中由于外界振動、重力變形、環(huán)境溫度變化等因素可能會導(dǎo)致激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射光軸與被動成像系統(tǒng)光軸之間的相對關(guān)系發(fā)生變化，從而影響發(fā)射激光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激光量子通信中采用角錐棱鏡反射以實現(xiàn)光軸自校準(zhǔn)的方案(專利號CN 102185659 B)，該方案僅能對后續(xù)光路的小范圍光軸穩(wěn)定情況進(jìn)行監(jiān)測，且只能用于激光發(fā)射與接收系統(tǒng)共光路的情況，不能監(jiān)測收發(fā)旁軸系統(tǒng)的光軸變化情況和望遠(yuǎn)鏡自身的光軸變化情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
：

為解決高精度多光軸主被動復(fù)合探測系統(tǒng)中激光發(fā)射光軸與被動成像系統(tǒng)光軸之間相對關(guān)系的實時監(jiān)測問題，本發(fā)明提出了一種用于高精度主被動探測系統(tǒng)的光軸監(jiān)測方法及裝置，通過在系統(tǒng)中引入光軸分離組件和光軸監(jiān)測相機等手段建立起激光發(fā)射光軸和被動成像系統(tǒng)光軸之間的相對關(guān)系，便于在高精度主被動探測系統(tǒng)工作過程中實時對各光軸變化情況進(jìn)行監(jiān)測。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種用于高精度主被動探測系統(tǒng)的光軸監(jiān)測方法及裝置，由激光發(fā)射系統(tǒng)1、光軸分離組件2、共用望遠(yuǎn)鏡3、分色片4、被動成像系統(tǒng)5、激光接收系統(tǒng)6和光軸監(jiān)測相機7等部分組成。所述的激光發(fā)射系統(tǒng)1發(fā)射的激光束被光軸分離組件2的入射鏡2-1分成兩束，其中探測光束1-1透射后打到地面目標(biāo)上，被目標(biāo)漫反射后回波信號被共用望遠(yuǎn)鏡3接收后透過分色片4進(jìn)入激光接收系統(tǒng)6，同時地面目標(biāo)自身輻射的信號也被共用望遠(yuǎn)鏡3收集，經(jīng)分色片4反射后進(jìn)入被動成像系統(tǒng)5成像。光軸監(jiān)測光束1-2被光軸分離組件2的出射鏡2-2前后表面反射后形成望遠(yuǎn)鏡光軸監(jiān)測光束1-3和成像光軸監(jiān)測光束1-4入射至共用望遠(yuǎn)鏡3，分別被光軸監(jiān)測相機7和被動成像系統(tǒng)5接收。

所述的激光發(fā)射系統(tǒng)1發(fā)射的激光束被光軸分離組件2折轉(zhuǎn)后形成的望遠(yuǎn)鏡光軸監(jiān)測光束1-3被光軸監(jiān)測相機7接收，形成的光斑用于監(jiān)測激光發(fā)射系統(tǒng)1和共用望遠(yuǎn)鏡3的光軸變化，成像光軸監(jiān)測光束1-4由被動成像系統(tǒng)5接收，形成的光斑用于監(jiān)測激光發(fā)射系統(tǒng)1、共用望遠(yuǎn)鏡3和被動成像系統(tǒng)5之間的光軸相對變化。

所述的激光發(fā)射系統(tǒng)1經(jīng)入射鏡2-1后的探測光束1-1的光軸與共用望遠(yuǎn)鏡3的光軸成θ角，共用望遠(yuǎn)鏡3為被動成像系統(tǒng)5、激光接收系統(tǒng)6和光軸監(jiān)測相機7的共用光路部分，其中光軸監(jiān)測相機7的光軸與共用望遠(yuǎn)鏡3的光軸重合，被動成像系統(tǒng)5和激光接收系統(tǒng)6的光軸與共用望遠(yuǎn)鏡3的光軸成θ角，被動成像系統(tǒng)5和激光接收系統(tǒng)6光路通過分色片4進(jìn)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(jié)構(gòu)框架2-3組成，入射鏡2-1和出射鏡2-2安裝于一個一體化的結(jié)構(gòu)框架2-3內(nèi)，結(jié)構(gòu)框架2-3的材料可以為鈦合金、殷鋼或其他熱膨脹系數(shù)小于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(yuǎn)鏡3的光軸分別成45°和-45°，入射鏡2-1的后表面相對前表面有一個楔角ω1，滿足以下關(guān)系：

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的后表面相對前表面有一個楔角ω2，滿足以下關(guān)系：

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位于激光發(fā)射系統(tǒng)1的發(fā)射光路中，出射鏡2-2位于共用望遠(yuǎn)鏡3的接收口徑范圍內(nèi)。

所述的光軸分離組件2中的入射鏡2-1前表面鍍分光膜，后表面鍍對應(yīng)激光發(fā)射系統(tǒng)波長的增透膜，出射鏡2-2前表面鍍分光膜，后表面鍍對應(yīng)激光發(fā)射系統(tǒng)波長的內(nèi)反射膜。

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

通過和之間的大小和方向關(guān)系即可對系統(tǒng)光軸變化情況進(jìn)行分析和判斷。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：在高精度多光軸主被動復(fù)合探測系統(tǒng)中建立起了激光發(fā)射光軸和被動成像系統(tǒng)光軸之間的相對關(guān)系，可實現(xiàn)在高精度主被動探測系統(tǒng)工作過程中實時對各光軸變化情況進(jìn)行監(jiān)測，具有光軸監(jiān)測靈敏度高、自身光軸穩(wěn)定性好、加工裝調(diào)工藝成熟等特點，可廣泛應(yīng)用于機載和星載高精度主被動復(fù)合探測光電系統(tǒng)中。

附圖說明：

圖1是所述的光軸監(jiān)測裝置光路示意圖。

圖2是實施例中的光學(xué)系統(tǒng)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(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明：

如附圖2所示，本實施例所述的為采用了本發(fā)明的一種可對激光足印景物成像的雙波束激光測高儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方案，包括共用望遠(yuǎn)鏡、可見/近紅外分色片、被動成像相機、激光接收系統(tǒng)、光軸監(jiān)測相機、光軸分離組件和激光發(fā)射系統(tǒng)。系統(tǒng)中包含兩套完全相同的組件以共用望遠(yuǎn)鏡的光軸為對稱軸呈軸對稱分布，被動成像相機、激光接收系統(tǒng)和光軸監(jiān)測相機共用無焦望遠(yuǎn)鏡，被動成像相機和激光接收系統(tǒng)利用共用望遠(yuǎn)鏡的軸外視場，光軸監(jiān)測相機利用共用望遠(yuǎn)鏡的軸上視場，被動成像相機和激光接收系統(tǒng)通過可見/近紅外分色片進(jìn)行光路分離，兩套光軸分離組件和激光發(fā)射系統(tǒng)位于望遠(yuǎn)鏡光路兩側(cè)，其光軸分別與兩套被動成像相機的光軸平行。激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的激光束被光軸分離組件的入射鏡分成兩束，探測激光透射后打到地面目標(biāo)上，被地面目標(biāo)漫反射后回波信號被共用望遠(yuǎn)鏡接收后透過可見/近紅外分色片進(jìn)入激光接收系統(tǒng)，同時地面目標(biāo)自身輻射的可見光信號也被共用望遠(yuǎn)鏡收集，經(jīng)可見/近紅外分色片反射后進(jìn)入被動成像相機成像。光軸監(jiān)測激光被光軸分離組件的出射鏡反射后形成望遠(yuǎn)鏡光軸監(jiān)測激光和成像光軸監(jiān)測激光并入射至共用望遠(yuǎn)鏡，分別被被動成像相機和光軸監(jiān)測相機接收。

本實施例中的共用望遠(yuǎn)鏡、被動成像相機、激光接收系統(tǒng)和光軸監(jiān)測相機等各部分的系統(tǒng)參數(shù)如下表所示。

本實施例中的一體化結(jié)構(gòu)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(nèi)部光路圖分別如附圖4和附圖5所示。入射鏡后表面與前表面之間的楔角ω1＝0.88°，出射鏡后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(jiān)測相機的探測器像素尺寸均為6um，焦距均為2600mm，當(dāng)光斑在探測器上偏移了一個象元時，光軸穩(wěn)定性監(jiān)測靈敏度為若采用光斑質(zhì)心算法對像素細(xì)分則靈敏度可進(jìn)一步提高。