一种卫星激光测距中激光远场发散角测量方法与装置

摘要

本发明涉及一种卫星激光测距中激光远场发散角测量方法与装置，属于光学技术领域。该装置包括依次相连的激光发射系统、光斑成像系统和图像处理系统，激光发射系统包括激光器、激光扩束光路、望远镜和限孔板；激光扩束光路由一面负透镜和一面正透镜组合而成；光斑成像系统包括毛玻璃屏、成像透镜组和高分辨率CMOS相机；图像处理系统包括图像采集卡、图像处理模块和数据处理模块；采用本发明装置进行激光远场激光发散角测量，与传统方法相比，更为准确可靠，同时解决了大口径激光束发散角测量的困难，用比较少的设备完成测量，简单易行，节省成本，易于推广应用。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种激光远场发散角的测量方法及装置，特别涉及一种用于卫星激光测距系统中激光发散角的测量方法和装置。

背景技术

激光远场发散角是激光质量的一个重要参数，它能反映远距离传输时的发散特性。随着激光技术日益广泛的应用于国民经济的许多领域，如激光通讯、激光雷达、激光测距和空间光通信等都要求激光束的远场发散角小。激光束发散角的减小能有效地利用激光能量，使光束具有良好的方向性和高亮度性，降低对系统发射功率和接收灵敏度等方面地要求，增大测距和通信距离。所以，精确测量微小激光远场发散角具有十分重要的意义。

目前激光器出射光束的发散角为几个、几十个甚至几百个毫弧度，经准直后可达到几百、几十个微弧度。现有的激光远场发散角测量方法主要有：(1)针孔扫描法，即测量光束光强的轮廓分布，但该法要求扫描的针孔必须通过光斑中心，否则会引起较大的误差，另外，若被测光斑较小，所需针孔就越小，也就增加了测量难度；(2)光栏法，操作较为方便，但难以测量出透镜聚焦后微小激光束在焦点处的光斑大小；(3)狭缝扫描法，测量高斯光束的光强分布，要比针孔扫描法方便，省去对中的麻烦，但测量时有较大的误差，且对很小光斑的测量也无能为力；(4)焦点刀口法，通过测量光斑的能量积分分布图来测量激光束发散角，该方法不受激光强度和光束束腰位置的影响，在光路中插入斩波器，通过测量每一时间段的激光束能量来测量连续激光其的发散角，但该方法有较大的误差，更适合与脉冲激光器；(5)阈值强度法，该装置与操作简单，数据处理快，但是小角度的测量难以实现；(6)烧蚀法，该法读取光斑半径时没有考虑相纸烧伤阈值，而且光斑边缘模糊，影响了测量的结果；(7)光楔法，是一种测量焦斑大小方法，即通过焦面上光束的一维能量分布以确定焦斑的大小，该方法数据处理复杂，获取大视场的结构投影光场非常困难，相移的产生需要高精度相移装置，实际测量系统非常复杂；(8)偏光干涉法，利用单轴晶体的偏光干涉原理，通过计量干涉条纹数确定发散角的大小，测量简单，适用性强且具有较高的精度，但实验装置需要昂贵的偏光器件和晶体材料；(9)传统套孔法，在安置套孔于后焦面时有较大的误差。

上述九种激光发散角的测量方法，都是针对激光束直接测量后，通过计算或者推导得出激光远场发散角。在卫星激光测距中，激光束通过天文望远镜发射，望远镜的口径较大，对激光发散角有一定的压缩作用。在理论上，望远镜对激光发散角压缩率为D/d，这里D是望远镜有效口径，d是激光束直径。对于卫星激光测距甚至月球激光测距，距离较远，激光发散角越小，对应着激光束能量更集中，能够探测的距离就越远。因此，在卫星激光测距中，需要对激光远场发散角精密测量与控制。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，集成创新现有技术，提供一种可用于卫星激光测距系统中的激光远场发散角测量方法与装置，与传统方法相比，该方法更为准确可靠，用比较少的设备完成测量，简单易行，节省成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种卫星激光测距中激光远场发散角测量装置，包括依次相连的激光发射系统、光斑成像系统和图像处理系统；

所述的激光发射系统包括激光器、激光扩束光路、望远镜和限孔板；所述的激光扩束光路由一面负透镜和一面正透镜组合而成；

激光器用于产生基横模高斯光束；激光扩束光路作为激光束与望远镜的中间适配光路，负透镜入射端与激光器产生的激光束匹配，正透镜出射端的激光束与望远镜匹配；激光器、激光扩束光路均位于库德房中；

沿激光从望远镜射出方向，顺序设置有限孔板、毛玻璃屏、成像透镜组、高分辨率CMOS相机。

限孔板设于望远镜镜筒的正前方的主镜焦面处，且限孔板上开有圆孔；限孔板用于挡住从望远镜射出的大部分激光束，只允许一部分激光束从圆孔通过；

所述的光斑成像系统包括毛玻璃屏、成像透镜组和高分辨率CMOS相机；

毛玻璃屏与通过限孔板上的圆孔发出的激光束相垂直以将激光光斑显示在毛玻璃屏上；毛玻璃屏上设有用于度量激光光斑直径的标尺；

成像透镜组与激光束同轴，用于将毛玻璃屏上的激光光斑成像在像面上；

高分辨率CMOS相机的光敏面位于激光光斑像面处，用于采集激光光斑图像；

所述的图像处理系统包括图像采集卡、图像处理模块和数据处理模块；所述的高分辨率CMOS相机、图像采集卡、图像处理模块、数据处理模块依次相连；

所述的图像采集卡用于压缩和存储高分辨率CMOS相机采集到的图像信号，供图像处理模块读取和使用；

所述的图像处理模块用于对存储在图像采集卡中的图像进行预处理；所述的预处理为重构标尺和计算激光光斑直径，即根据标尺反演计算出真实激光光斑直径；

所述的数据处理模块用于将通过图像处理模块得出的真实激光光斑直径计算激光远场发散角。

进一步，优选的是所述的望远镜包括主镜、副镜、折轴光路、镜筒、地平式机架、两个力矩电机和跟踪伺服控制系统，主镜和副镜安装在镜筒内，镜筒和折轴光路安装在地平式机架上，两个力矩电机分别安装在地平式机架高度轴和方位轴上，跟踪伺服控制系统通过驱动力矩电机控制望远镜指向毛玻璃屏。

进一步，优选的是所述的高分辨率CMOS相机像元数为2048×2048。

进一步，优选的是所述的圆孔直径为200mm。

进一步，优选的是所述的激光器的工作方式为脉冲工作方式。

本发明还提供一种卫星激光测距中激光远场发散角测量方法，采用上述卫星激光测距中激光远场发散角测量装置，包括如下步骤：

步骤(1)，由激光器产生的基横模高斯光束经过激光扩束光路的变换后进入望远镜中，然后从望远镜射出，并通过限孔板挡住从望远镜射出的大部分激光束，只允许一部分激光束从圆孔通过；

步骤(2)，从限孔板的圆孔通过的激光束的激光光斑像显示在毛玻璃屏上，然后通过成像透镜组成像，再由高分辨率CMOS相机拍摄形成多幅激光光斑高分辨率图像；

步骤(3)，将经高分辨率CMOS相机拍摄得到的激光光斑高分辨率图像传输至图像采集卡中进行压缩和存储，图像处理模块读取图像采集卡存储的图像信息并进行预处理，然后将计算得到的真实激光光斑直径数据送往数据处理模块；所述的预处理为重构标尺和计算激光光斑直径，即根据标尺反演计算出真实激光光斑直径；

步骤(4)，数据处理模块将图像处理模块处理的多幅激光光斑高分辨率图像的真实激光光斑直径数据取平均值，再结合圆孔直径、限孔板到毛玻璃屏的距离值来计算激光远场发散角，计算公式如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，θ为激光远场发散角，为多幅激光光斑图像的真实激光光斑直径数据的平均值，D为限孔板圆孔直径，L为限孔板到毛玻璃屏的距离。

本发明采用毛玻璃屏代替传统的地面靶，在毛玻璃屏正后方安装透镜成像系统和高分辨率CMOS相机。当激光束照射到毛玻璃屏时，激光光斑显示在毛玻璃屏上，毛玻璃屏后的成像透镜组和高分辨率CMOS相机采集激光光斑图像。由于在毛玻璃正后方采集，避免了图像的倾斜误差；

本发明装置中由于望远镜和毛玻璃屏都距离地面有一段距离，这样减小了地面近距离的大气湍流的影响。但是激光在地面水平传输时，总会受到大气的扰动，因此，毛玻璃屏上的激光光斑是晃动的。针对每一幅采集到的图像，拟合圆周的点位得到光斑的直径，通过多次测量可以得出光斑直径的平均值，即认为是激光光斑的直径。根据激光发射孔径、光斑直径以及两者之间的距离就可以得出激光远场发散角。

本发明的毛玻璃屏、成像透镜组和CMOS相机可安装在可以移动的导轨上，但不限于此；

本发明的原理：

卫星激光测距所使用的激光束为基横模高斯光束，其电场表达为

$E(x,y,z)=\frac{A_0}{W\left(z\right)}\exp [-\frac{(x^2+y^2)}{W^2\left(z\right)}]·\{-i[k(z+\frac{x^2+y^2}{2R\left(z\right)})-\phi \left(z\right)\left]\right\}$

基横模高斯光束在自由空间传播时，是球心不断向前移动的球面波，曲率半径R(z)随传播距离Z变化，在光腰处R(0)＝∞。基横模高斯光束共焦参数为

$f=\frac{{{\mathrm{\pi \omega }}_0}^2}{\lambda }$

理论分析表明，经过望远镜扩束后激光束腰位于望远镜主镜焦点(扩束比最大时)。对卫星激光测距来说，扩束后激光束腰直径一般很大(200—1000mm)，共焦参数f达到数十公里。本发明限孔板在望远镜主镜焦点处，接近激光束腰，因此通过限孔板出射的激光束波面曲率中心接近无穷远。此外本发明测量光斑直径位置距离望远镜数百米(200－1000m)，远远小于共焦参数f，测量点光束曲率中心同样接近无穷远，在限孔板与测量光斑位置，激光束均接近平面波。通常在近似平面波的情况下截取光束的一部分，其发散度为原光束的发散度与衍射效应的迭加。由于测量距离有限，并且光束直径较大(200mm以上)，衍射效应不明显，因此本发明所截取光束的发散度能够代表整个光束的发散状态，可以用以下公式描述激光远场发散角：

式(Ⅰ)中θ为激光发散角；D为限孔板开孔直径；L为限光板到毛玻璃屏的距离；d为测量的光斑直径。

激光光斑直径测量原理：

高分辨率CMOS相机像元数为2048×2048，由于毛玻璃屏上有标尺，其采集到的毛玻璃屏上光斑图像带有标尺信息，图像处理模块根据光斑图像上标尺信息重构标尺，精密读取光斑直径值。由于重构标尺精度高、图像分辨率高，对于200mm左右的光斑尺寸分辨率达到0.2mm，因此光斑直径测量精度高。为了进一步提高测量精度并削弱大气湍流的影响，采集多幅激光光斑图像，计算光斑直径d_i的平均值，如式(Ⅱ)所示；

计算光束发散角采用作为光斑直径。

激光远场发散角测量原理：

激光束以发散角θ向前传播，在距离为L的两个位置光束直径分别为D和光束发散角；

这就是本发明激光束远场发散角测量的原理。由于D和均可达到亚毫米的测量精度，并且测量点距离较远(200－1000mm)，发散角的测量精度达到角秒量级，如光斑直径测量精度为1mm、距离为500m时，发散角测量精度为0.4角秒。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

(1)采用本发明装置进行激光远场激光发散角测量，解决了卫星激光测距激光发散角测量的问题，消除了直接把激光发散角与望远镜对激光发散角压缩比率相乘积作为激光远场发散角的不确定性误差；

(2)狭缝扫描法、阈值强度法、光栏法、传统套孔法均需要对多个激光脉冲进行多次测量，由于激光器产生的激光束自身存在一定的抖动(激光束指向并不稳定)，并且在室外条件下由于大气扰动而产生的光束倾斜与畸变同时影响光斑直径的测量，得到的光斑直径是激光束自身抖动及多个脉冲光束测量周期内受大气扰动叠加后的结果，比真实值偏大，最终计算出来的光束发散角误差较大；而本发明每次测量的是单个激光脉冲的光斑直径，激光束自身抖动和大气扰动中的光束倾斜分量对测量结果基本没有影响，因此与狭缝扫描法、阈值强度法、光栏法、传统套孔法相比，本发明的测量结果更为准确可靠。如光斑直径测量精度为1mm、距离为500m时，测量精度达到0.4角秒，远远超过上述测量方法。

(3)本系统解决了大口径激光束发散角测量的困难，用比较少的设备完成测量。针孔扫描法、焦点刀口法、烧蚀法、光楔法、偏光干涉法等均难以测量大口径激光束发散角；

(4)光楔法、偏光干涉法虽然测量精度高，但相移装置、偏光器件、单轴晶体等测量装置价格昂贵，并且测量难度大，而本发明的测量方法简单易行，节省成本，在保证测量精度的条件下测量装置只需要十二万元左右即可。

附图说明

图1本发明卫星激光测距中激光远场发散角测量装置结构示意图；

图2是毛玻璃屏的结构示意图；

图3是高分辨率CMOS相机得到的激光光斑图像示意图；

图4是本发明中望远镜系统的结构示意图；

其中，1、激光器；2、负透镜；3、正透镜；4、第一折轴反射镜；5、第二折轴反射镜；6、第三折轴反射镜；7、第四折轴反射镜；8、第五折轴反射镜；9、副镜；10、主镜；11、限孔板；12、激光束；13、毛玻璃屏；14、标尺；15、激光光斑；16、成像透镜组；17、高分辨率CMOS相机；18、激光光斑图像；19、图像采集卡；20、图像处理模块；21、数据处理模块；22、镜筒；23、高度轴力矩电机；24、方位轴力矩电机；25、地平式机架；26、跟踪伺服控制系统。

图中激光器、负透镜、正透镜、第一折轴反射镜、第二折轴反射镜、第三折轴反射镜、第四折轴反射镜、第五折轴反射镜、副镜、主镜、限孔板、毛玻璃屏、成像透镜组、高分辨率CMOS相机之间的连线均表示激光束。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本发明的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。

本技术领域技术人员可以理解的是，本发明中提到的相关模块是用于执行本申请中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的连接关系如果没有特殊的说明，能实现本发明的功能，且与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同即可。

如图1和图4所示，一种卫星激光测距中激光远场发散角测量装置，包括依次相连的激光发射系统、光斑成像系统和图像处理系统；

所述的激光发射系统包括激光器1、激光扩束光路、望远镜和限孔板11；所述的激光扩束光路由一面负透镜2和一面正透镜3组合而成；

激光器1用于产生基横模高斯光束，用作激光测距光源；激光器1的工作方式为脉冲工作方式。

激光扩束光路作为激光束12与望远镜的中间适配光路，负透镜2入射端与激光器1产生的激光束12匹配，正透镜3出射端的激光束12与望远镜匹配，使得通过望远镜发射的激光束性能达到最佳；激光器1、激光扩束光路均位于库德房中；

沿激光从望远镜射出方向，顺序设置有限孔板11、毛玻璃屏13、成像透镜组16、高分辨率CMOS相机17。

限孔板11设于望远镜镜筒22的正前方的主镜焦面处，且限孔板11上开有圆孔；限孔板11用于挡住从望远镜射出的大部分激光束，只允许一部分激光束从圆孔通过；所述的圆孔直径为200mm。

所述的光斑成像系统包括毛玻璃屏13、成像透镜组16和高分辨率CMOS相机17；

毛玻璃屏13与通过限孔板11上的圆孔发出的激光束12相垂直以将激光光斑15显示在毛玻璃屏13上；毛玻璃屏13上设有用于度量激光光斑直径的标尺14；毛玻璃屏13的结构示意图如图2所示。

成像透镜组16与激光束同轴，用于将毛玻璃屏13上的激光光斑15成像在像面上；

高分辨率CMOS相机17的光敏面位于激光光斑像面处，用于采集激光光斑图像18；所述的高分辨率CMOS相机17像元数为2048×2048。采集到的激光光斑图像如图3所示。

所述的图像处理系统包括图像采集卡19、图像处理模块20和数据处理模块21；所述的高分辨率CMOS相机17、图像采集卡19、图像处理模块20、数据处理模块21依次相连；

所述的图像采集卡19用于压缩和存储高分辨率CMOS相机17采集到的图像信号，供图像处理模块20读取和使用；

所述的图像处理模块20用于对存储在图像采集卡19中的图像进行预处理；所述的预处理为重构标尺和计算激光光斑直径，即根据标尺反演计算出真实激光光斑直径；

所述的数据处理模块21用于将通过图像处理模块20得出的真实激光光斑直径计算激光远场发散角。

所述的望远镜包括主镜10、副镜9、折轴光路、镜筒22、地平式机架25、两个力矩电机(高度轴力矩电机23和方位轴力矩电机24)和跟踪伺服控制系统26，主镜10和副镜9安装在镜筒22内，镜筒22和折轴光路安装在地平式机架25上，高度轴力矩电机23和方位轴力矩电机24分别安装在地平式机架25高度轴和方位轴上，跟踪伺服控制系统26通过驱动力矩电机控制望远镜指向毛玻璃屏13。

所述的折轴光路包括第一折轴反射镜4、第二折轴反射镜5、第三折轴反射镜6、第四折轴反射镜7和第五折轴反射镜8分别位于地平式机架25折轴点，激光发射时用来引导激光束12进入主副镜向毛玻璃屏13发射；

来自激光扩束光路的激光依次经过第一折轴反射镜4、第二折轴反射镜5、第三折轴反射镜6、第四折轴反射镜7、第五折轴反射镜8的反射，反射至副镜9，然后再经副镜9发射至主镜10。

一种卫星激光测距中激光远场发散角测量方法，采用上述述卫星激光测距中激光远场发散角测量装置，包括如下步骤：

步骤(1)，由激光器产生的基横模高斯光束经过激光扩束光路的变换后进入望远镜中，然后从望远镜射出，并通过限孔板挡住从望远镜射出的大部分激光束，只允许一部分激光束从圆孔通过；

步骤(2)，从限孔板的圆孔通过的激光束的激光光斑像显示在毛玻璃屏上，然后通过成像透镜组成像，再由高分辨率CMOS相机拍摄形成多幅激光光斑高分辨率图像；

步骤(3)，将经高分辨率CMOS相机拍摄得到的激光光斑高分辨率图像传输至图像采集卡中进行压缩和存储，图像处理模块读取图像采集卡存储的图像信息并进行预处理，然后将计算得到的真实激光光斑直径数据送往数据处理模块；所述的预处理为重构标尺和计算激光光斑直径，即根据标尺反演计算出真实激光光斑直径；

步骤(4)，数据处理模块将图像处理模块处理的多幅激光光斑高分辨率图像的真实激光光斑直径数据取平均值，再结合圆孔直径、限孔板到毛玻璃屏的距离值来计算激光远场发散角，计算公式如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，θ为激光远场发散角，为多幅激光光斑图像的真实激光光斑直径数据的平均值，D为限孔板圆孔直径，L为限孔板到毛玻璃屏的距离。

本发明可测量激光远场激光发散角，测量方法比传统方法更为准确可靠，解决了大口径激光束发散角测量的困难，用比较少的设备完成测量，简单易行，节省成本。

应用实例

激光器产生脉冲激光，经过扩束后进入望远镜向外发射；

限孔板位于主镜焦点处，截取直径为200±0.1mm的圆形激光束向外发射；

在距离限孔板704m的地方按照上述描述依次放置成像透镜组和CMOS相机，将透镜组和CMOS相机调整到激光传播的轴线上；成像透镜组有效焦距150mm；CMOS相机像面尺寸为13mm×13mm，分辨率为2048×2048；

在距离限孔板700±0.02m处放置毛玻璃屏，毛玻璃屏设有水平和垂直两个方向的标尺，标尺最小刻度为1mm；激光光斑显示在毛玻璃屏上；调整毛玻璃屏使其垂直激光传播方向，并且光斑位于标尺中心；

调整CMOS相机对毛玻璃屏上的激光光斑成清晰的像；

采集20幅激光光斑图像；

通过图像采集卡读取CMOS相机图像；

用图像处理模块对图像进行处理，得出光斑直径值d₁、d₂….d₂₀，数据如下

238.2，237.6，236.2，237.0，236.4，237.7，238.5，

238.7，236.8，238.4，236.2，236.3，237.6，236.2，

236.7，238.3，238.9，237.3，236.5，236.4；

用数据处理模块通过公式计算光斑直径平均值，得到$\bar{d}=237.3\pm 0.92,$

然后用公式计算得激光远场发散角(转换为角秒)为θ＝10.93±0.27＂

同时采用光楔法进行验证，结果与本发明计算结果相同，证明本发明测量方法可靠。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。