一种漫反射激光测距与高分辨力成像同步测量的光电望远镜系统

摘要

本发明涉及一种可用于空间碎片漫反射激光测距与高分辨力成像的光电望远镜系统，属于光电望远镜技术领域。包括激光发射、回波接收和自适应光学成像。激光发射：激光器发出的激光通过激光发射光路进入望远镜向空间目标发射；回波接收：回波光束被望远镜接收，再进入回波接收与回波探测光路，产生回波信号传送给激光测距控制电路与软件处理后得到激光测距的距离值；自适应光学成像：空间目标光线被望远镜接收，进入自适应光学系统，被缩束光路缩束，再由哈特曼传感器与波前处理器探测波前整体倾斜和波前误差，得到波前整体倾斜量与波前误差数据，用来控制精跟踪系统修正波前倾斜和控制变形镜修正波前误差，从而得到高分辨率图像。

说明书

技术领域

本发明属于光电望远镜技术领域，涉及一种光电望远镜系统及光电望远镜，特别是可同时用于空间碎片漫反射激光测距与高分辨力成像同步测量。

背景技术

卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR) 是20世纪60年代初由美国宇航局(NASA) 发起的一项旨在利用空间技术研究地球动力学、大地测量学、地球物理学和天文学等的技术手段。它是利用测量激光脉冲在观测站和卫星之间的往返飞行时间，从而计算出卫星到测站的距离，是目前空间目标距离测量中精度最高的一种技术手段。由于激光是单色性，并且具有很好的方向性，所以激光测距能够同时提供目标的方位、高度和距离信息。常规激光测距是指对合作目标——装有角反射器的空间目标，如Ajisai，Lageos-1卫星等，进行卫星激光测距，目前对Lageos卫星的测距精度可以达到毫米级。

空间碎片属于非合作目标，没有安装角反射器，只能利用漫反射激光测距技术对空间碎片进行探测。由于空间碎片和某些非合作卫星的精密定轨的重要性，国外对空间碎片和非合作空间目标激光测距的研究十分重视，但是仅有少量报道，多数处于保密状态。美国军方曾在新墨西哥州的Starfire口径3.5 m望远镜上进行这方面研究。澳大利亚的电子光学系统公司(EOS)研制出了用于常规的主动式空间碎片激光观测系统，该系统可以准确地观测1000km 轨道高度小于10cm的空间碎片，测量精度优于1 m，最远探测距离为3200 km，定轨精度5 m，轨道预报精度200m (24 h)。国内，上海天文台与中国电子科技集团公司第十一研究所合作，在上海佘山观测站建立了大能量高功率的Nd:YAG测距试验系统，开始非合作目标卫星和空间碎片的激光跟踪和测距试验，于2008年7月获得了3个火箭残骸的漫反射激光测距数据，测距精度70cm~80cm。2010上海天文台经系统升级改造后漫反射激光测距精度50cm~80cm，最大测程能达到1200km。此外，云南天文台从2008年1月开始积极开展空间碎片漫反射激光测距研究，设计和实现了云南天文台1.2 m望远镜10Hz共光路漫反射激光测距控制系统，包括激光器、信号探测器和测时设备等的控制，并于2010年6月7日收到火箭残骸的回波，到目前已经获得数多圈空间碎片回波，测距误差范围为50~250cm。

自适应光学（Adaptive Optics，AO）技术是目前补偿大气湍流对望远镜影响最有效的措施。自适应光学系统利用波前探测器实时探测光束波前误差，然后将这些测量数据进行处理并转换为自适应光学系统的控制信号，控制变形镜工作，实时校正光束波前误差，从而补偿由大气湍流引起的波前畸变，使望远镜得到接近衍射极限的目标像。自适应光学望远镜在目标高分辨力成像中已经得到了应用。2004年出版的SPIE中第943页介绍了云南天文台1.2m自适应光学望远镜可用于目标高分辨力成像，然而此自适应光学望远镜仅用于高分辨力成像，不能用于漫反射（原为卫星）激光测距。

空间目标探测系统的任务是对重要空间目标进行精确探测和跟踪，确定可能对航天系统构成威胁的目标的任务、尺寸、形状和轨道参数等重要目标特性；对目标特性数据进行归类和分发。空间目标探测具有重要的军事价值, 不仅可以帮助确定潜在敌人的空间能力，还可以预测空间目标的轨道，对可能发生的碰撞和对己方空间系统的攻击告警等。目标特性的分析是目标探测、识别的前提条件，对目标认识越深，得到目标的信息越多，就越能提高对其探测、识别的能力。

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，提供一种可同时用于漫反射激光测距和高分辨力成像的光电望远镜系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种漫反射激光测距与高分辨力成像同步测量的光电望远镜系统，包括激光发射、回波接收和自适应光学成像，具体如下：

激光发射：激光测距控制电路与软件发出激光发射信号，在库德房中的激光通过激光发射光路进入望远镜，然后通过望远镜向空间目标发射；

回波接收：来自空间目标的回波光束被望远镜接收，再进入库德房的回波接收与回波探测光路，产生回波信号传送给激光测距控制电路与软件，经过处理后得到漫反射激光测距的距离值；

自适应光学成像：空间目标光线被望远镜接收，进入库德房里的自适应光学系统，被缩束光路缩束，再由哈特曼传感器与波前处理器探测波前整体倾斜和波前误差，并处理后给出波前整体倾斜量与波前误差数据，用来控制精跟踪系统修正波前倾斜和控制变形镜修正波前误差，从而得到高分辨率图像。

本发明还提供一种漫反射激光测距与高分辨力成像同步测量的光电望远镜，包括望远镜系统、漫反射激光测距系统和自适应光学系统；所述的望远镜系统包括主镜、副镜、折轴光路、镜筒、地平式机架、力矩电机、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跟踪空间碎片。

所述的漫反射激光测距系统包括激光发射光路、回波接收与回波探测光路以及激光测距控制电路与软件；

激光发射光路包括激光器、负透镜和正透镜，激光器发出的激光经过负透镜和正透镜后通过望远镜向空间碎片发射；

回波接收与探测光路包括转镜、一对准直透镜、小孔光阑、机械快门、窄带滤光片和探测器；转镜位于接收光路与激光器之间用于发射和接收光路转换：当激光发射时接通激光光路，望远镜光路处于发射状态；回波接收时接通接收光路，望远镜处于接收状态；两面准直透镜共焦，它们将回波光束变换成直径与探测器接收口径相匹配的无焦光束；小孔光阑位于准直透镜焦点处，滤除与回波光方向不同的噪声光子；机械快门在准直透镜焦点前10mm处，用于控制光路接通与关闭时间，滤除一定时间段内的噪声光子；窄带滤光片位于准直透镜后面，用于滤除与回波光波长不同的噪声光子；探测器位于光路末端，接收回波光子产生回波信号；

激光测距控制电路与软件控制激光发射、回波接收以及数据处理等过程。

所述的自适应光学系统包括精跟踪系统、缩束光路、变形镜、哈特曼传感器和波前处理机；

精跟踪系统有两级，第一级精跟踪系统位于第二分光镜后面，探测并修正望远镜跟踪误差；第二级精跟踪则由哈特曼传感器探测大气湍流造成的波前整体倾斜误差，第二倾斜镜根据测量到的波前倾斜量进行实时补偿；

缩束光路位于第二分光镜的反射光路后面，由一对离轴抛物面镜构成，将来自望远镜的光束缩小到与变形镜相匹配的尺寸；

变形镜位于缩束光路之后，接着后面依次是第三分光镜和成像CCD，光路末端是哈特曼传感器；哈特曼传感器是同时进行对光束进行波前误差和第二级精跟踪误差的探测；波前处理机作为非光学器件的电子设备，负责对哈特曼传感器传送来的数据进行处理，所得到的波前整体平均斜率数据用来控制第二级倾斜镜进行第二级精跟踪控制，波前误差数据则用来控制变形镜工作，补偿波前畸变，最后由第二成像镜与成像CCD给出高分辨力图像。

可同时用于漫反射激光测距和高分辨力成像的光电望远镜系统，包括望远镜系统、漫反射激光测距系统和自适应光学系统。光电望远镜系统发射激光到目标，从目标反射来的光经主镜、副镜和折轴反射镜组成的望远镜系统后，进入库德房，在库德房光束被分为两路，其中一路是目标反射激光回来的回波光进入回波接收系统，经过多重滤光后产生激光测距回波信号；目标反射的太阳光部分则进入自适应光学系统，经过倾斜镜、变形镜修正大气湍流产生的波前畸变后，经成像系统得到接近光衍射极限的高分辨力目标图像。

本发明的原理：

1、漫反射激光测距原理：

漫反射激光测距的原理是向漫反射目标发射脉冲激光，并记录下激光发射时刻，再用望远镜接收目标反射回来的回波光子，并记录接收到回波光子的时刻，通过计算激光发射时刻与回波接收时刻的时间差就可以得到目标到地面观测站的距离。

漫反射激光测距采用收发共光路方式，其中转镜是收发光路转换的关键装置，转镜开有通光孔，其余部分镀有高反膜，漫反射激光测距时，转镜以一定的速度旋转。激光发射时，激光束无障碍穿过转镜的开孔，经负透镜、正透镜被扩束，再透过第一分光镜通过望远镜向目标发射。回波则经过主镜、副镜、折轴反射镜反射后到达库德房，再透过第一分光镜、正透镜、负透镜到达转镜，此时转镜的反射面已经转入光路中，回波光束被反射到准直透镜组，再透过窄带滤光片后被探测器接收产生回波信号。其中准直透镜组将回波光束变换成直径与探测器接收口径相匹配的无焦光束；窄带滤光片滤除与回波光子波长不同的噪声光子。此外还在准直透镜焦点处设置小孔光阑与机械快门，小孔光阑的作用是滤除与回波方向不同的噪声光子，机械快门则控制光路接通与关闭时间，滤除与回波到达时间不同的噪声光子。 

2、自适应光学系统工作原理：

天空目标光束经主镜、副镜反射后成为无焦光束，再经多面折轴反射镜及第一倾斜镜反射进入库德房，自适应光学成像系统在库德房内的平台上。为了提高对目标的跟踪精度，设置了两级精跟踪系统，以补偿地平式机架的跟踪误差和大气湍流造成的波前整体倾斜误差。第一级精跟踪系统的倾斜镜是在俯仰轴头的45°反射镜，并在库德房自适应光路前端第二分光镜处进行分光，一部分光透过第二分光镜进入精跟踪传感器，由像增强电荷耦合器件ICCD探测器进行跟踪误差探测。跟踪误差(星像光斑重心位移) 计算和控制算法计算由高速数字信号处理器完成，其输出经过高压放大器放大后控制第一倾斜镜进行跟踪误差校正。第二级精跟踪则设置在变形镜前，后面的哈特曼传感器得到的波前整体平均斜率数据控制第二倾斜镜进行第二级精跟踪控制，进一步校正波前倾斜，减少星像抖动。自适应光学系统由缩束光路、变形镜、哈特曼传感器和波前处理机组成。缩束光将光束口径变换成与变形镜相匹配的尺寸。哈特曼传感器作用是进行自适应光学系统的波前误差和第二级精跟踪误差的探测，由多个六角形的子孔径构成，采用高量子效率、低噪声、高帧频电荷耦合器件作为探测器。哈特曼探测到的光信号经哈特曼光斑中心计算、波前复原计算和控制等过程，得到的波前整体平均斜率数据用来控制第二级倾斜镜工作；哈特曼传感器得到的波前误差数据则用来控制变形镜，补偿因大气湍流产生的波前畸变。波前校正后的图像由第二成像镜聚焦、成像CCD探测，得到高分辨力的目标图像。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

（1） 本系统漫反射目标激光测距精度优于光学观测精度；

（2） 本系统自适应光学对目标所成的像分辨率接近望远镜口径的光学衍射极限，远高于同口径（大于100mm）非自适应光学望远镜的成像分辨率；

（3） 能够同时对带有角反射器的空间目标进行激光测距和高分辨率成像；

（4） 能够同时对空间碎片进行漫反射激光测距和高分辨率成像。

 

附图说明

图1为本发明中成像系统和漫反射激光测距系统原理与结构图示意图；

图2为本发明中成像系统和漫反射激光测距光学系统示意图；

图2中：1-主镜，2-副镜，3-第一折轴反射镜，4-第一倾斜镜，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-第一分光镜，9-正透镜，10-负透镜，11-转镜，12-激光器，13-第一准直透镜，14-小孔光阑，15-机械快门，16-第二准直透镜，17-窄带滤光片，18-探测器，19-第二分光镜，20-第一成像镜，21-ICCD探测器，22-第一离轴抛物面镜，23-场镜，24-第二离轴抛物面镜，25-第二倾斜镜，26-变形镜，27-第三分光镜，28-第二成像镜，29-成像CCD，30-全反镜，31-哈特曼传感器；

图3为为本发明中望远镜系统的结构示意图；

32-镜筒，33-高度轴力矩电机，34-方位轴力矩电机，35-地平式机架，36-跟踪伺服控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种漫反射激光测距与高分辨力成像同步测量的光电望远镜系统，包括激光发射、回波接收和自适应光学成像，具体如下：

激光发射：激光测距控制电路与软件发出激光发射信号，在库德房中的激光通过激光发射光路进入望远镜，然后通过望远镜向空间目标发射；

回波接收：来自空间目标的回波光束被望远镜接收，再进入库德房的回波接收与回波探测光路，产生回波信号传送给激光测距控制电路与软件，经过处理后得到漫反射激光测距的距离值；

自适应光学成像：空间目标光线被望远镜接收，进入库德房里的自适应光学系统，被缩束光路缩束，再由哈特曼传感器与波前处理器探测波前整体倾斜和波前误差，并处理后给出波前整体倾斜量与波前误差数据，用来控制精跟踪系统修正波前倾斜和控制变形镜修正波前误差，从而得到高分辨率图像。

如图2和图3所示，一种漫反射激光测距与高分辨力成像同步测量的光电望远镜，包括望远镜系统、漫反射激光测距系统和自适应光学系统；所述的望远镜系统包括主镜1、副镜2、折轴光路、镜筒32、地平式机架35、力矩电机——高度轴力矩电机33和方位轴力矩电机34、跟踪伺服控制系统36，主镜1和副镜2安装在镜筒32内，镜筒32和折轴光路安装在地平式机架35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36通过驱动力矩电机控制望远镜跟踪空间碎片。

所述的折轴光路包括第一折轴反射镜3、第一倾斜4、第二折轴反射镜5、第三折轴反射镜6和第四折轴反射镜7，来自空间目标的光束经主镜1、副镜2接收后成为无焦光束，经第一折轴反射镜3反射到达第一倾斜镜4，第一倾斜镜4修正望远镜跟踪误差后反射到第二折轴反射镜5，再经第三折轴反射镜6、第四折轴反射镜7反射到达库德房内的第一分光镜8。第一分光镜8是漫反射激光测距系统与自适应光学系统共用的光学镜片，作用是将来自空间目标自然光反射进入自适应光学光路，激光波长的光束则透过该镜片：激光束透过第一分光镜8进入望远镜向空间目标发射、激光测距回波光束透过第一分光镜8进入回波接收光路。

第一折轴反射镜3、第一倾斜镜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依次位于地平式机架折轴点，接收时用来引导光束进入库德房，激光发射时用来引导激光束进入主副镜向空间目标发射。

所述的漫反射激光测距系统包括激光发射光路、回波接收与回波探测光路以及激光测距控制电路与软件；

激光发射光路包括激光器12、负透镜10和正透镜9，激光器12发出的激光经过负透镜10和正透镜9后通过望远镜向空间碎片发射；

回波接收与探测光路包括转镜11、一对准直透镜13和16、小孔光阑14、机械快门15、窄带滤光片17和探测器18；转镜11位于接收光路与激光器12之间用于发射和接收光路转换：当激光发射时接通激光光路，望远镜光路处于发射状态；回波接收时接通接收光路，望远镜处于接收状态；两面准直透镜13和16共焦，它们将回波光束变换成直径与探测器18接收口径相匹配的无焦光束；小孔光阑14位于准直透镜焦点处，滤除与回波光方向不同的噪声光子；机械快门15在准直透镜焦点前10mm处，用于控制光路接通与关闭时间，滤除一定时间段内的噪声光子；窄带滤光片17位于准直透镜16后面，用于滤除与回波光波长不同的噪声光子；探测器18位于光路末端，接收回波光子产生回波信号；

激光测距控制电路与软件是不在光路中的非光学器件，作用是控制激光发射、回波接收以及数据处理过程。

所述的转镜11镀有高反膜，并开有通光孔，通光孔位于距离转镜中心80mm处。所述的自适应光学系统包括精跟踪系统、缩束光路、变形镜、哈特曼传感器31和波前处理机；

精跟踪系统有两级，第一级精跟踪系统位于第二分光镜19后面，探测并修正望远镜跟踪误差；

第一级精跟踪系统的第一倾斜镜4是在俯仰轴头的45°反射镜，并在库德房自适应光路前端第二分光镜处19进行分光，一部分光透过第二分光镜19进入精跟踪传感器，由像增强电荷耦合器件ICCD探测器21进行跟踪误差探测。

第一成像镜20和ICCD21依次位于第二分光镜19投射光路之后，主要用来监测望远镜跟踪误差。

第二级精跟踪由哈特曼传感器31探测大气湍流造成的波前整体倾斜误差，第二倾斜镜25根据测量到的波前倾斜量进行实时补偿；

缩束光路位于第二分光镜19的反射光路后面，由一对离轴抛物面镜22和24以及位于焦点的场镜23构成，将来自望远镜的光束缩小到与变形镜26相匹配的尺寸；

第三分光镜27位于变形镜26之后，第二成像镜28之前；

第二成像镜28与成像CCD29依次位于27第三分光镜投射光路之后；

全反镜30位于第三分光镜27反射光路之后；

变形镜26位于缩束光路之后，接着后面依次是第三分光镜27、第二成像镜28和成像CCD29，光路末端是哈特曼传感器31；哈特曼传感器31是同时进行对光束进行波前误差和第二级精跟踪误差的探测，波前处理机作为非光学器件的电子设备，负责对哈特曼传感器31传送来的数据进行处理，所得到的波前整体平均斜率数据用来控制第二级倾斜镜25进行第二级精跟踪控制，波前误差数据则用来控制变形镜26工作，补偿波前畸变，波前校正后的图像由第二成像镜28聚焦，最后由第二成像镜28与成像CCD 29给出高分辨力图像。

第二倾斜镜25，变形镜26，第三分光镜27，第二成像镜28，成像CCD29，全反镜30和哈特曼传感器31之间的相互距离及位置无具体要求，在空间允许的条件下，只要光路能够分出，即可。

本发明可同时用于漫反射激光测距和高分辨力成像的光电望远镜系统，包括望远镜系统、漫反射激光测距系统和自适应光学系统。光电望远镜系统发射激光到目标，从目标反射来的光经主镜、副镜和折轴反射镜组成的望远镜系统后，进入库德房，在库德房光束被分为两路，其中一路是目标反射激光回来的回波光进入回波接收系统，经过多重滤光后产生激光测距回波信号；目标反射的太阳光部分则进入自适应光学系统，经过倾斜镜、变形镜修正大气湍流产生的波前畸变后，经成像系统得到接近光衍射极限的高分辨力目标图像。

以上显示和描述了本发明的基本原理和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                                                。