一种非镀膜光学激光反射器阵列组件及激光测距系统

摘要

本发明公开了一种非镀膜光学激光反射器阵列组件，包括若干偏振态空间激光反射器，所述偏振态空间激光反射器出射激光的远场光斑形态相隔第一角度为周期重合，所述第一角度是根据偏振态空间激光反射器的反射面角度确定的；根据目标结构，各偏振态空间激光反射器的安装方位角，按照所述第一角度与所述偏振态空间激光反射器的数量所确定的角度间隔进行布置。本实施例通过合理的空间排列方式改善和提高分离衍射光束环的均匀性，进一步弥补和解决由于反射器数量不足和分离角过大造成的测距盲区数据量稀少和不稳定问题。

说明书

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种非镀膜光学激光反射器阵列组件及激光测距系统。

背景技术

在航空航天领域，激光反射器是跟踪和测量卫星、航空航天器距离必须的部件，为无源光学器件，装载在飞行器表面，其作用是将测距激光光束按入射方向原反射面角度反射，以实现测距点和飞行器之间的远距离精密测量。另外，在对远距离目标等物体的精密测量中也有广泛的应用。

作为传统激光反射器，其工作技术状态(发散角、最大倾斜角、有效发射面积、发射率、远场衍射光斑、速度光行差补偿等)由反射器的特性(形状、尺寸、角误差)决定，比如，直角面镀膜的角误差直接决定激光合作目标的远场衍射光斑和速度光行差补偿；反射器口径决定了光斑发散角。

实验证明：角反射器直角存在偏差时，出射光的六个子光束处于分离状态，分别与入射光存在微小的夹角，衍射光斑能量分布也与理想角反射器不同，无角度偏差理想反射器远场能量分布为中心艾里斑，带偏差反射器远场能量分布除中心艾里斑101外，周围为6个子环形光斑102(图1所示)。

实际工程应用中，为增大反射面积，激光反射器的结构通常由若干多个角反射器阵列结构组成，与单一角反射器相比，可显著减小尺寸和重量，提高合作目标远场角，对传输中激光因大气非均匀性引起的畸变进行光学补偿。为实现科学目标的有效测量，激光反射器组件应具有较高的激光反射率和较小的发散特性，以保证反射信号具有足够的光强。比如，对于低轨卫星，激光合作目标通常采用半球或半圆台结构，使阵列的有效发射面积在观测区域对称分布且尽可能保持均匀，以保证即使观测站在低仰角条件下也可进行测距；对于高轨卫星，由于一般要求反射面积大，则采取平面圆形排列方式。

直角面镀膜能大大增加反射器的观测范围，对于低轨卫星，内全反射角仅有不到17度(对于石英玻璃)不能满足反射器的观测范围指标要求，限定了反射器必须镀膜；对于中高轨道卫星，反射率是需要解决的主要问题，镀膜虽可以增大入射有效角度，但三次反射会严重降低反射率，同时空间辐照、高低温交变也会影响膜层性能。

不考虑反射器偏振效应情况下，出射光束和入射光束的偏振状态完全一致，振幅和位相未发生变化；考虑反射器偏振效应情况下，6个出射光孔仅有2个光孔和入射光斑偏振状态一致，其余出射光两正交分量相对原始入射偏振光振幅和位相均发生改变。

反射器布局设计中，应使结构紧凑，尽量减小外包络直径尺寸，降低反射器分布影响，提高测距精度；应尽量提高布阵面反射器单位面积密度，减少非光学反射作用区，增大光学有效反射面积，增强激光反射率和探测效率；采取各种结构布局设计方法匀化或增强反射器衍射光斑环带光场强度，提高不同或特定测距站观测概率，提升测距效果和卫星定轨精度。

目前，空间激光反射器阵列匀化方法主要包括随机法；随机排列法主要决定于反射器数量，反射器随机排列数量达到一定规模时可一定程度实现远场光斑的匀化，但达不到工程实际应用的需求。

发明内容

本发明实施例提供一种非镀膜光学激光反射器阵列组件及激光测距系统，通过合理的空间排列方式改善和提高分离衍射光束环的均匀性，进一步弥补和解决由于反射器数量不足和分离角过大造成的测距盲区数据量稀少和不稳定问题。

本发明实施例提出一种非镀膜光学激光反射器阵列组件，包括若干偏振态空间激光反射器，所述偏振态空间激光反射器出射激光的远场光斑形态相隔第一角度为周期重合，所述第一角度是根据偏振态空间激光反射器的反射面角度确定的，例如偏振态空间激光反射器为四面体结构，

根据目标结构，各偏振态空间激光反射器的安装方位角，按照所述第一角度与所述偏振态空间激光反射器的数量所确定的角度间隔进行布置。

在一些实施例中，所述偏振态空间激光反射器为四面体锥状棱镜，且包含三个相互垂直的反射面和一个入(出)射面；

所述第一角度为90°，所述角度间隔为90°/n，n为偏振态空间激光反射器的数量。

在一些实施例中，在所述目标结构为平面结构的情况下，各个偏振态空间激光反射器相互紧贴或者交叉排列，且相邻的偏振态空间激光反射器之间相隔所述角度间隔。

在一些实施例中，在所述目标结构为花瓣结构的情况下，所述花瓣结构中心设置一偏振态空间激光反射器，其他偏振态空间激光反射器以其为中心，按照预设半径向外排布，且相邻的偏振态空间激光反射器之间相隔所述角度间隔。

在一些实施例中，在所述目标结构为圆形、正方形或长方形的情况下，各个偏振态空间激光反射器相互紧贴且交叉排列，且相邻的偏振态空间激光反射器之间相隔所述角度间隔。

在一些实施例中，在所述目标结构为球形或半球形的情况下，若干偏振态空间激光反射器分层交错排列，且以第一层的偏振态空间激光反射器为基准，间隔

各层的安装方位角的角度间隔，根据该层所设置的偏振态空间激光反射器的数量及其层级来确定。

在一些实施例中，所述偏振态空间激光反射器为实心反射器或空心反射器。

在一些实施例中，所述实心反射器的材料为熔融石英玻璃。

在一些实施例中，所述偏振态空间激光反射器的材料为玻璃、工程塑料或金属。

本发明实施例还提供一种激光测距系统，包括本公开各实施例所述的非镀膜光学激光反射器阵列组件。

本发明实施例通过合理的空间排列方式改善和提高分离衍射光束环的均匀性，进一步弥补和解决由于反射器数量不足和分离角过大造成的测距盲区数据量稀少和不稳定问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为现有技术的带偏差反射器远场能量分布示意图；

图2为本公开实施例的偏振态空间激光反射器结构示意图；

图3为本公开实施例的激光反射器的结构示意图；

图4为本公开实施例的偏振态空间激光反射器一种阵列布置示意图；

图5为本公开实施例的偏振态空间激光反射器另一种阵列布置示意图；

图6为本公开实施例的偏振态空间激光反射器又一种阵列布置示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供一种非镀膜光学激光反射器阵列组件，包括若干偏振态空间激光反射器，所述偏振态空间激光反射器出射激光的远场光斑形态相隔第一角度为周期重合，所述第一角度是根据偏振态空间激光反射器的反射面角度确定的。例如偏振态空间激光反射器四面体，反射面角度为90°，则第一角度可以是90°。

根据目标结构，各偏振态空间激光反射器的安装方位角，按照所述第一角度与所述偏振态空间激光反射器的数量所确定的角度间隔进行布置。本实施例中，目标结构可以是根据测距距离和观测角不同来进行设置，例如平面形状，三角形，矩形，圆形等，也可以是立体形状，例如球形，椭球型，半球形等，根据目标结构的不同可以采用对应的偏振态空间激光反射器阵列布置，且阵列布置的安装方位角按照所述第一角度与所述偏振态空间激光反射器的数量所确定的角度间隔来设置。相比现有技术，通过这样的布置方式能够进一步实现偏振态测距激光远场光斑形态均匀化。

在一些实施例中，如图2所示，所述偏振态空间激光反射器200为四面体锥状棱镜，且包含三个相互垂直的反射面和一个入(出)射面；所述第一角度为90°，所述角度间隔为90°/n，n为偏振态空间激光反射器的数量。单块偏振态空间激光反射器是一种特殊的逆向反射器，可以由三个相互垂直(90°)的反射面和一个入(出)射面构成，为四面体锥状棱镜，具有空间定向发射特性。理想的情况，一束激光从角锥棱镜的底面入射，依次经过3个直角面的反射后，出射光将以与入射光平行的方向反向射出。为增大反射面积，如图3所示，激光反射器的结构通常由若干多个角反射器阵列结构组成，与单一角反射器相比，可显著减小尺寸和重量，提高合作目标远场角，对传输中激光因大气非均匀性引起的畸变进行光学补偿。为实现科学目标的有效测量，激光反射器组件应具有较高的激光反射率和较小的发散特性，以保证反射信号具有足够的光强。依据这种激光器的结构可以将第一角度设置为90°，则各偏振态空间激光反射器的安装方位角的角度间隔，可以按照90°/n来设置。从而各反射器各自反射偏振激光叠加干涉，进行光斑环带能量匀化，提高回波稳定性和反射效率。

在一些实施例中，在所述目标结构为平面结构的情况下，各个偏振态空间激光反射器相互紧贴或者交叉排列，且相邻的偏振态空间激光反射器之间相隔所述角度间隔，例如同平面内的每个激光反射器安装方位角相隔90°/n。

在一些实施例中，在所述目标结构为花瓣结构的情况下，如图4所示，所述花瓣结构中心设置一偏振态空间激光反射器，其他偏振态空间激光反射器以其为中心，按照预设半径向外排布，且相邻的偏振态空间激光反射器之间相隔所述角度间隔。如图4中，中间排列一个反射器，以第1个反射器为圆心，根据结构尺寸选取合适半径依次在第2层排列6个反射器，第3层排列12个反射器，直到第n层排列16个反射器，每个激光反射器安装方位角相隔90°/n排布，除开中心外的其他的激光反射器的安装角度可以表示为90°/n*(m-1)，m为激光反射器的序号m∈[1，n]。

在一些实施例中，在所述目标结构为圆形、正方形或长方形的情况下，各个偏振态空间激光反射器相互紧贴且交叉排列，且相邻的偏振态空间激光反射器之间相隔所述角度间隔。如图5所示在所述目标结构为普通平面空间反射器阵列的情况下，例如圆形、正方形或长方形，则排列反射器阵列依次互相紧贴和交叉排列，每个激光反射器安装方位角相隔90°/n排布，除开第一个反射器外的其他的激光反射器的安装角度可以表示为90°/n*(m-1)，m为激光反射器的序号m∈[1，n]。

在一些实施例中，在所述目标结构为球形或半球形的情况下，若干偏振态空间激光反射器分层交错排列，且以第一层的偏振态空间激光反射器为基准，间隔各层的安装方位角的角度间隔，根据该层所设置的偏振态空间激光反射器的数量及其层级来确定。如图6所示，第一层排列一个或多个反射器，每个激光反射器安装方位角相隔90°/n排布；以第1个反射器为中心，根据结构尺寸选取合适位置依次在第2层交错排列多个反射器，第3层排列多个反射器，直到第L层排列nL个反射器，每层每个激光反射器安装方位角相隔90°/nL排布，如图6所示，第L层反射器的安装方位角可以是90°/nL*(mL-1)，mL∈[1，nL]。各层反射器各自反射偏振激光叠加干涉，实现远场光斑环带能量匀化。

对于其它不同结构，如扇形、三角形、梯形、圆环等异形结构也可根据本公开各实施例的排列方式进行激光反射器的阵列设计。

在一些实施例中，所述偏振态空间激光反射器为实心反射器或空心反射器。在一些实施例中，所述实心反射器的材料为熔融石英玻璃。在一些实施例中，所述偏振态空间激光反射器的材料为玻璃、工程塑料或金属。具体的说，角反射器结构形式可谓实心反射器和空心反射器；反射器的材质可为玻璃、工程塑料、金属等各种光学用途材料。考虑空间环境要求，空间环境使用时，实心直角棱镜材料为熔融石英玻璃。

本发明创造性地提出了一种空间光学激光反射器偏振态阵列方法，本公开所提出的反射器阵列适用于偏振激光空间测距领域，随着激光反射器安装方位角的变化，反射器出射激光的远场光斑形态(两正交分量)的幅值和相位均发生改变，重合周期为90°。采用间隔90°/n方位角排列方式对偏振态测距激光远场光斑形态进行光斑环带能量匀化，以提高空间非镀膜激光反射器测距回波光子均匀性和稳定性，解决测距站点返回数据忽强忽弱问题，本公开的激光反射器阵列组件有利于提高合作目标的反射效率和稳定性，实现对空间目标的稳定跟踪和精密定位。本公开的阵列排布设计可适用于各类卫星导航、科学卫星定位探测等空间非镀膜激光反射器测距领域，具有非常好的工程应用价值。

本发明实施例还提供一种激光测距系统，包括本公开各实施例所述的非镀膜光学激光反射器阵列组件。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。