一种星载激光测距仪激光指向记录装置

摘要

一种星载激光测距仪激光指向记录装置，包括导光组件、镜头组件、焦面组件；导光组件反射外部激光发射机发出的激光探测脉冲至镜头组件，衰减激光探测脉冲的能量；镜头组件获取地面的可见光辐射和接收导光组件反射的激光探测脉冲，将可见光辐射和激光探测脉冲传输给焦面组件，镜头组件的光轴与外部激光测距仪的激光发射机的光轴成一定夹角；焦面组件接收镜头组件传输的可见光辐射和激光探测脉冲，并分别对N个导光组件传来的激光探测脉冲和可见光辐射进行成像。本发明解决了星载激光测距仪在测绘相机系统中的在轨激光指向记录问题，通过该装置记录的激光指向与立体测绘相机的光轴进行匹配，解决了高精度地面目标定位，满足大比例尺测绘需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种记录激光指向的装置，特别是涉及一种应用于测绘领域记录星载激光测距仪激光指向的装置。

背景技术

高精度大比例尺测绘系统包括激光测距仪及立体测绘相机，利用激光测距仪辅助立体测绘相机实现全球大比例尺无控测图是当今测绘卫星的发展方向。激光测距仪中激光发射机发射的激光脉冲的定位精度主要受俯仰角和侧摆角的影响，由于失重、热交变、微振动等外界环境的影响以及激光发射机发射激光脉冲存在自身抖动，星载激光测距仪的激光出射方向是不断变化的，且激光测距仪与立体测绘相机的安装矩阵也是变化的。为实现高精度地面目标定位，满足大比例尺测绘需求，需要对激光脉冲在测绘系统中的指向进行记录。

传统测量激光指向的方法包括打靶板法、四象限探测器法、PSD位置传感器法，其中打靶板法测量发射激光的指向精度，需在距设备一定距离处(通常为数公里)架设靶板，将激光发射系统所发激光引向靶板，读取靶板上实际光斑与理论位置的误差来反推激光发射系统的指向精度，该方法的检测精度高，但检测过程复杂，往往需要几天时间才能完成检测任务，而且难于保证检测设备处于各姿态角时的指向精度，且在轨无法架设靶板，因此该方法不适用于星载激光测距仪激光指向的实时测量。传统的四象限探测器法和PSD位置传感器法只能单纯的测量激光的指向偏差，无法对地成像，并不能记录激光脉冲在测绘相机系统中的指向。

目前公开文献中没有在轨激光指向记录装置的相关报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种星载激光测距仪激光指向记录装置，解决了星载激光测距仪在测绘相机系统中的在轨激光指向记录问题，通过该装置记录的激光指向与立体测绘相机的光轴进行匹配，解决了高精度地面目标定位，满足大比例尺测绘需求。

本发明的技术方案是：

一种星载激光测距仪激光指向记录装置，包括导光组件、镜头组件焦面组件；

导光组件接收外部激光发射机发出的激光探测脉冲，将激光探测脉冲的能量衰减后反射至镜头组件；

镜头组件获取地面的可见光辐射和接收导光组件反射的激光探测脉冲，将可见光辐射和激光探测脉冲传输给焦面组件，镜头组件的光轴与外部激光测距仪的激光发射机的光轴成一定夹角；

焦面组件接收镜头组件传输的可见光辐射和激光探测脉冲，并分别对N个导光组件传来的激光探测脉冲和可见光辐射进行成像。

所述外部激光测距仪的激光发射机的光轴与镜头组件的光轴成一定夹角具体为2°。

所述导光组件包括：金属外壳和棱镜；金属外壳开有入光口和出光口，金属外壳内部有棱镜，棱镜有两个相对的反射光平面，第一反射光平面的法线和第二反射光平面的法线垂直。

所述焦面组件包括至少一个焦面电路和至少一个处理电路；

焦面电路的数量等于外部激光测距仪的激光发射机个数，每个焦面电路具有一个光电接收器，光电接收器接收相应导光组件发送的激光探测脉冲和可见光辐射，并将激光探测脉冲和可见光辐射的光信号转换为数字信号后送至处理电路；

处理电路接收焦面电路发送的数字信号并对该数字信号进行数字TDI处理，产生电压遥测信号和温度遥测信号，将遥测信号及处理后的数据信号编码输出。

所述导光组件还包括光楔，光楔的出射光平面粘贴在导光组件入光口的棱镜表面，光楔的入射光与光楔的出射光平面呈20″～40″夹角，光楔上粘有滤光片及衰减片。

所述处理电路包括配电模块、时序控制及图像数据处理模块、遥测信号采集模块、数据发送模块，

配电模块将从外部接收的电源经EMI滤波器和DC/DC变换器转换为处理电路以及焦面电路所需电压，并进行电源的滤波处理，转换后的电压发送给处理电路中的时序控制及图像数据处理模块、遥测信号采集模块、数据发送模块以及焦面电路；

时序控制及图像数据处理模块接收配电模块提供的电压，该模块由FPGA器件产生焦面电路上光电接收器所需的初始化配置及时序控制，并接收焦面电路发送过来的数字信号，完成数字TDI处理后，将图像数据送至数据发送模块；

遥测信号采集模块包括电流/功率监控器、温度传感器；遥测信号采集模块采用电流/功率监控器对配电模块所产生的电压进行采集，并将采集到的电压转换为第一数字信号，同时采用温度传感器对处理电路的温度信号进行采集，并将温度信号转换为第二数字信号，并将第一数字信号和第二数字信号发送到数据发送模块；

数据发送模块将接收到遥测信号采集模块发送的第一数字信号和第二数字信号和时序控制及图像数据处理模块发送的图像数据通过百兆以太网物理层接口芯片向外部输出。

所述滤光片用于滤除激光探测脉冲谱段外的光谱。

所述导光组件的数量N等于外部激光测距仪的激光发射机个数。

所述光电接收器为面阵CMOS图像传感器或面阵CCD图像传感器。

所述记录装置还包括主体结构，主体结构为多边形柱状支撑结构，分别固定安装外部激光测距仪的激光发射机、镜头组件、焦面组件；主体结构固定在外部激光测距仪的主承力结构上。

所述导光组件的数量为3个。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)采用了光路折转技术，使记录装置系统简单，体积轻小，可同时记录激光脉冲及地物景象，解决了因到达地面的激光能量低信号弱无法对其直接记录的问题，满足在轨应用；

2)采用了焦面拼接技术，使得光电接收器可一对一接收激光脉冲，并增大了焦面尺寸，满足大视场宽幅相机需求，并且提高了系统可靠性；

3)采用了滤光技术，滤除了激光脉冲波长外的杂光，提高了激光信号的信噪比；

4)对处理电路采用了电压及温度监测手段，能够在轨实时对电路状态进行监测，出现问题可及时停止焦面组件工作，并有利于在轨问题排查。

附图说明

图1是本发明星载激光测距仪激光指向记录装置的组成框图；

图2是本发明激光指向记录装置的导光组件导光光路示意图。

具体实施方式

由于激光发射机要对地面发射激光，而记录装置要同时记录地物图像和激光光斑，因此激光发射机与记录装置的光轴都指向地面，但激光发射机发射的激光脉冲到达地面后其能量较弱，记录装置探测不到地面的激光光斑图像。本发明设计的星载激光测距仪激光指向记录装置带有导光组件结构，通过该导光组件直接将星载激光测距仪激光发射机发射的部分激光脉冲导入记录装置的镜头组件，最终入射到焦面组件，由位于焦面组件上的光电接收器将其转化成电信号输出；同时星下点地物入射到记录装置的镜头组件，也由位于焦面组件上的光电接收器将其转化成电信号输出；此时记录装置完成了同时记录对激光光斑及星下点地物功能。后续再利用记录装置获取的星下点图像与立体测绘相机中的后视相机获取的影像进行匹配，从而间接获取激光发射光轴与后视相机光轴之间的相对角度位置关系，实现对高程控制点平面定位精度要求。

具体实施方式如下所述。

如图1所示，该星载激光测距仪激光指向记录装置，包括依次连接的至少一个导光组件、镜头组件、主体结构、法兰结构、焦面组件，其中，主体结构是所述装置的支撑结构，其为多边形柱状结构，一面通过螺钉安装在激光测距仪的主承力结构上，另外N个面为激光发射机提供安装端面，在N个面上分别安装N个通道激光发射机，镜头组件一端与该主体结构一端通过螺钉相连，导光组件安装于镜头组件另一端上，导光组件只遮挡镜头组件的部分视场，主体结构另一端通过法兰结构与焦面组件连接，焦面组件包括N个焦面电路和N个处理电路，每个焦面电路上分别有一个光电接收器，其中导光组件将激光发射机发出的探测脉冲传递至镜头组件直至焦面组件的光电接收器，使其能够对激光脉冲与地面目标同步成像，实现激光脉冲足印的地表位置记录。

导光组件采用壳体式结构，壳体为金属件，在结构内部安装棱镜、光楔、滤光片和衰减片等，棱镜与金属件之间采用胶垫隔离，并注胶提高可靠性。如图2所示，为本发明激光指向记录装置的激光导光光路示意图。导光组件中的棱镜为180°折转棱镜，将入射光束倾斜180度，在导光组件入光口的棱镜表面安装有光楔，光楔的出光面对应棱镜入光面，光楔的入射光与光楔的出射光平面呈20″～40″夹角，可以消除地面反射回来的激光辐射斑的叠加，光楔上粘有滤光片及衰减片，滤光片用于滤除激光探测脉冲谱段外的光谱，衰减片用于对入射激光的能量进行衰减，防止入射激光能量过高随坏焦面组件。

导光组件数量与所要记录的激光发射机数量一致，每一个导光组件对应一个激光发射机。

所述镜头具体为透射式镜头，包括滤光片、光阑、保护玻璃以及镜片组，用于收集地面可见光辐射能量并成像于焦面组件，并接收通过导光组件传递过来的激光探测脉冲能量并成像于焦面组件。

焦面组件包括N个焦面电路和N个处理电路，每个焦面电路上分别有一个光电接收器，光电接收器的数量与测距通道的数量一致，每一个光电接收器通过导光组件接收来自对应的发射机的激光辐射以及不同区域地物的辐射，用于将激光脉冲足印记录在拍摄的地表成像帧上。且光电接收器安装时交错排列，通过对多个光电接收器所成地物图像进行拼接，可获得覆盖范围更大的地物图像。焦面组件能够对激光脉冲与地面目标同步成像，实现脉冲激光光斑的地表位置记录。

所述焦面组件用于控制位于焦面电路的光电接收器对接收到的光学信号进行光电转换，以实现对激光脉冲和地面景物进行成像。所述光电接收器为面阵CMOS图像传感器或面阵CCD图像传感器。

所述处理电路包括配电模块、时序控制及图像数据处理模块、遥测信号采集模块、数据发送模块，其中配电模块用于完成处理电路的供配电，将从外部接收的+12V二次电源经EMI滤波器和DC/DC变换器转换为处理电路以及焦面电路所需的各种电源电压，并进行电源的滤波处理；时序控制及图像数据处理模块由FPGA器件完成光电接收器初始化配置和相应时序控制、完成图像数据的数字TDI处理，并将处理后的数据发送至数据发送模块；遥测信号采集模块采用电流/功率监控器、温度传感器完成遥测信号的采集，包括电压遥测量以及温度遥测量的采集及模数转换，并将转换后的数字信号发送至数据发送模块；数据发送模块将接收到的图像数据和电压数字信号及温度数字信号编码后经百兆以太网物理层接口芯片输出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。