一種漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量的光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可用于空間碎片漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像的光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，屬于光電望遠(yuǎn)鏡【技術(shù)領(lǐng)域】。包括激光發(fā)射、回波接收和自適應(yīng)光學(xué)成像。激光發(fā)射：激光器發(fā)出的激光通過激光發(fā)射光路進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡向空間目標(biāo)發(fā)射；回波接收：回波光束被望遠(yuǎn)鏡接收，再進(jìn)入回波接收與回波探測(cè)光路，產(chǎn)生回波信號(hào)傳送給激光測(cè)距控制電路與軟件處理后得到激光測(cè)距的距離值；自適應(yīng)光學(xué)成像：空間目標(biāo)光線被望遠(yuǎn)鏡接收，進(jìn)入自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，被縮束光路縮束，再由哈特曼傳感器與波前處理器探測(cè)波前整體傾斜和波前誤差，得到波前整體傾斜量與波前誤差數(shù)據(jù)，用來控制精跟蹤系統(tǒng)修正波前傾斜和控制變形鏡修正波前誤差，從而得到高分辨率圖像。
【專利說明】一種漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量的光電望遠(yuǎn) 鏡系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電望遠(yuǎn)鏡【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)及光電望遠(yuǎn)鏡，特別 是可同時(shí)用于空間碎片漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星激光測(cè)距（Satellite Laser Ranging, SLR)是20世紀(jì)60年代初由美國(guó)宇 航局（NASA)發(fā)起的一項(xiàng)旨在利用空間技術(shù)研究地球動(dòng)力學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)和天 文學(xué)等的技術(shù)手段。它是利用測(cè)量激光脈沖在觀測(cè)站和衛(wèi)星之間的往返飛行時(shí)間，從而計(jì) 算出衛(wèi)星到測(cè)站的距離，是目前空間目標(biāo)距離測(cè)量中精度最高的一種技術(shù)手段。由于激光 是單色性，并且具有很好的方向性，所以激光測(cè)距能夠同時(shí)提供目標(biāo)的方位、高度和距離信 息。常規(guī)激光測(cè)距是指對(duì)合作目標(biāo)--裝有角反射器的空間目標(biāo)，如Ajisai，Lageos-Ι衛(wèi) 星等，進(jìn)行衛(wèi)星激光測(cè)距，目前對(duì)Lageos衛(wèi)星的測(cè)距精度可以達(dá)到毫米級(jí)。
[0003] 空間碎片屬于非合作目標(biāo)，沒有安裝角反射器，只能利用漫反射激光測(cè)距技術(shù)對(duì) 空間碎片進(jìn)行探測(cè)。由于空間碎片和某些非合作衛(wèi)星的精密定軌的重要性，國(guó)外對(duì)空間碎 片和非合作空間目標(biāo)激光測(cè)距的研究十分重視，但是僅有少量報(bào)道，多數(shù)處于保密狀態(tài)。美 國(guó)軍方曾在新墨西哥州的Starfire 口徑3.5 m望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行這方面研究。澳大利亞的電子 光學(xué)系統(tǒng)公司（E0S)研制出了用于常規(guī)的主動(dòng)式空間碎片激光觀測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確 地觀測(cè)1000km軌道高度小于10cm的空間碎片，測(cè)量精度優(yōu)于1 m，最遠(yuǎn)探測(cè)距離為3200 km，定軌精度5 m，軌道預(yù)報(bào)精度200m (24 h)。國(guó)內(nèi)，上海天文臺(tái)與中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十一研究所合作，在上海佘山觀測(cè)站建立了大能量高功率的Nd:YAG測(cè)距試驗(yàn)系統(tǒng)，開始 非合作目標(biāo)衛(wèi)星和空間碎片的激光跟蹤和測(cè)距試驗(yàn)，于2008年7月獲得了 3個(gè)火箭殘骸的 漫反射激光測(cè)距數(shù)據(jù)，測(cè)距精度7〇CnT8〇Cm。2010上海天文臺(tái)經(jīng)系統(tǒng)升級(jí)改造后漫反射激 光測(cè)距精度50cnT80cm，最大測(cè)程能達(dá)到1200km。此外，云南天文臺(tái)從2008年1月開始積極 開展空間碎片漫反射激光測(cè)距研究，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了云南天文臺(tái)1.2 m望遠(yuǎn)鏡10Hz共光路漫 反射激光測(cè)距控制系統(tǒng)，包括激光器、信號(hào)探測(cè)器和測(cè)時(shí)設(shè)備等的控制，并于2010年6月7 日收到火箭殘骸的回波，到目前已經(jīng)獲得數(shù)多圈空間碎片回波，測(cè)距誤差范圍為5(T250cm。
[0004] 自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive Optics, A0)技術(shù)是目前補(bǔ)償大氣湍流對(duì)望遠(yuǎn)鏡影響最有 效的措施。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)利用波前探測(cè)器實(shí)時(shí)探測(cè)光束波前誤差，然后將這些測(cè)量數(shù)據(jù) 進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的控制信號(hào)，控制變形鏡工作，實(shí)時(shí)校正光束波前誤差， 從而補(bǔ)償由大氣湍流引起的波前畸變，使望遠(yuǎn)鏡得到接近衍射極限的目標(biāo)像。自適應(yīng)光學(xué) 望遠(yuǎn)鏡在目標(biāo)高分辨力成像中已經(jīng)得到了應(yīng)用。2004年出版的SPIE中第943頁介紹了云 南天文臺(tái)1.2m自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可用于目標(biāo)高分辨力成像，然而此自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡僅 用于高分辨力成像，不能用于漫反射(原為衛(wèi)星）激光測(cè)距。
[0005] 空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)重要空間目標(biāo)進(jìn)行精確探測(cè)和跟蹤，確定可能對(duì)航 天系統(tǒng)構(gòu)成威脅的目標(biāo)的任務(wù)、尺寸、形狀和軌道參數(shù)等重要目標(biāo)特性；對(duì)目標(biāo)特性數(shù)據(jù)進(jìn) 行歸類和分發(fā)。空間目標(biāo)探測(cè)具有重要的軍事價(jià)值，不僅可以幫助確定潛在敵人的空間能 力，還可以預(yù)測(cè)空間目標(biāo)的軌道，對(duì)可能發(fā)生的碰撞和對(duì)己方空間系統(tǒng)的攻擊告警等。目標(biāo) 特性的分析是目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別的前提條件，對(duì)目標(biāo)認(rèn)識(shí)越深，得到目標(biāo)的信息越多，就越能 提1?對(duì)其探測(cè)、識(shí)別的能力。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，集成創(chuàng)新現(xiàn)有技術(shù)，提供一種可 同時(shí)用于漫反射激光測(cè)距和高分辨力成像的光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 一種漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量的光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，包括激光發(fā)射、回 波接收和自適應(yīng)光學(xué)成像，具體如下： 激光發(fā)射：激光測(cè)距控制電路與軟件發(fā)出激光發(fā)射信號(hào)，在庫(kù)德房中的激光通過激光 發(fā)射光路進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，然后通過望遠(yuǎn)鏡向空間目標(biāo)發(fā)射； 回波接收：來自空間目標(biāo)的回波光束被望遠(yuǎn)鏡接收，再進(jìn)入庫(kù)德房的回波接收與回波 探測(cè)光路，產(chǎn)生回波信號(hào)傳送給激光測(cè)距控制電路與軟件，經(jīng)過處理后得到漫反射激光測(cè) 距的距離值； 自適應(yīng)光學(xué)成像：空間目標(biāo)光線被望遠(yuǎn)鏡接收，進(jìn)入庫(kù)德房里的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，被縮 束光路縮束，再由哈特曼傳感器與波前處理器探測(cè)波前整體傾斜和波前誤差，并處理后給 出波前整體傾斜量與波前誤差數(shù)據(jù)，用來控制精跟蹤系統(tǒng)修正波前傾斜和控制變形鏡修正 波前誤差，從而得到高分辨率圖像。
[0008] 本發(fā)明還提供一種漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量的光電望遠(yuǎn)鏡，包括 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、漫反射激光測(cè)距系統(tǒng)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；所述的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)包括主鏡、副鏡、 折軸光路、鏡筒、地平式機(jī)架、力矩電機(jī)、跟蹤伺服控制系統(tǒng)，主鏡和副鏡安裝在鏡筒內(nèi)，鏡 筒和折軸光路安裝在地平式機(jī)架上，兩個(gè)力矩電機(jī)分別安裝在地平式機(jī)架高度軸和方位軸 上，跟蹤伺服控制系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)控制望遠(yuǎn)鏡跟蹤空間碎片。
[0009] 所述的漫反射激光測(cè)距系統(tǒng)包括激光發(fā)射光路、回波接收與回波探測(cè)光路以及激 光測(cè)距控制電路與軟件； 激光發(fā)射光路包括激光器、負(fù)透鏡和正透鏡，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過負(fù)透鏡和正透鏡 后通過望遠(yuǎn)鏡向空間碎片發(fā)射； 回波接收與探測(cè)光路包括轉(zhuǎn)鏡、一對(duì)準(zhǔn)直透鏡、小孔光闌、機(jī)械快門、窄帶濾光片和探 測(cè)器；轉(zhuǎn)鏡位于接收光路與激光器之間用于發(fā)射和接收光路轉(zhuǎn)換：當(dāng)激光發(fā)射時(shí)接通激光 光路，望遠(yuǎn)鏡光路處于發(fā)射狀態(tài)；回波接收時(shí)接通接收光路，望遠(yuǎn)鏡處于接收狀態(tài)；兩面 準(zhǔn)直透鏡共焦，它們將回波光束變換成直徑與探測(cè)器接收口徑相匹配的無焦光束；小孔光 闌位于準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)處，濾除與回波光方向不同的噪聲光子；機(jī)械快門在準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)前 l〇mm處，用于控制光路接通與關(guān)閉時(shí)間，濾除一定時(shí)間段內(nèi)的噪聲光子；窄帶濾光片位于 準(zhǔn)直透鏡后面，用于濾除與回波光波長(zhǎng)不同的噪聲光子；探測(cè)器位于光路末端，接收回波光 子產(chǎn)生回波信號(hào)； 激光測(cè)距控制電路與軟件控制激光發(fā)射、回波接收以及數(shù)據(jù)處理等過程。
[0010] 所述的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)包括精跟蹤系統(tǒng)、縮束光路、變形鏡、哈特曼傳感器和波前 處理機(jī)； 精跟蹤系統(tǒng)有兩級(jí)，第一級(jí)精跟蹤系統(tǒng)位于第二分光鏡后面，探測(cè)并修正望遠(yuǎn)鏡跟蹤 誤差；第二級(jí)精跟蹤則由哈特曼傳感器探測(cè)大氣湍流造成的波前整體傾斜誤差，第二傾斜 鏡根據(jù)測(cè)量到的波前傾斜量進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償； 縮束光路位于第二分光鏡的反射光路后面，由一對(duì)離軸拋物面鏡構(gòu)成，將來自望遠(yuǎn)鏡 的光束縮小到與變形鏡相匹配的尺寸； 變形鏡位于縮束光路之后，接著后面依次是第三分光鏡和成像CCD，光路末端是哈特曼 傳感器；哈特曼傳感器是同時(shí)進(jìn)行對(duì)光束進(jìn)行波前誤差和第二級(jí)精跟蹤誤差的探測(cè)；波前 處理機(jī)作為非光學(xué)器件的電子設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)哈特曼傳感器傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所得到 的波前整體平均斜率數(shù)據(jù)用來控制第二級(jí)傾斜鏡進(jìn)行第二級(jí)精跟蹤控制，波前誤差數(shù)據(jù)則 用來控制變形鏡工作，補(bǔ)償波前畸變，最后由第二成像鏡與成像CCD給出高分辨力圖像。
[0011] 可同時(shí)用于漫反射激光測(cè)距和高分辨力成像的光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，包括望遠(yuǎn)鏡系 統(tǒng)、漫反射激光測(cè)距系統(tǒng)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)發(fā)射激光到目標(biāo)，從目標(biāo)反射 來的光經(jīng)主鏡、副鏡和折軸反射鏡組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，進(jìn)入庫(kù)德房，在庫(kù)德房光束被分為 兩路，其中一路是目標(biāo)反射激光回來的回波光進(jìn)入回波接收系統(tǒng)，經(jīng)過多重濾光后產(chǎn)生激 光測(cè)距回波信號(hào)；目標(biāo)反射的太陽光部分則進(jìn)入自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過傾斜鏡、變形鏡修正 大氣湍流產(chǎn)生的波前畸變后，經(jīng)成像系統(tǒng)得到接近光衍射極限的高分辨力目標(biāo)圖像。
[0012] 本發(fā)明的原理： 1、漫反射激光測(cè)距原理： 漫反射激光測(cè)距的原理是向漫反射目標(biāo)發(fā)射脈沖激光，并記錄下激光發(fā)射時(shí)刻，再用 望遠(yuǎn)鏡接收目標(biāo)反射回來的回波光子，并記錄接收到回波光子的時(shí)刻，通過計(jì)算激光發(fā)射 時(shí)刻與回波接收時(shí)刻的時(shí)間差就可以得到目標(biāo)到地面觀測(cè)站的距離。
[0013] 漫反射激光測(cè)距采用收發(fā)共光路方式，其中轉(zhuǎn)鏡是收發(fā)光路轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵裝置，轉(zhuǎn) 鏡開有通光孔，其余部分鍍有高反膜，漫反射激光測(cè)距時(shí)，轉(zhuǎn)鏡以一定的速度旋轉(zhuǎn)。激光發(fā) 射時(shí)，激光束無障礙穿過轉(zhuǎn)鏡的開孔，經(jīng)負(fù)透鏡、正透鏡被擴(kuò)束，再透過第一分光鏡通過望 遠(yuǎn)鏡向目標(biāo)發(fā)射?；夭▌t經(jīng)過主鏡、副鏡、折軸反射鏡反射后到達(dá)庫(kù)德房，再透過第一分光 鏡、正透鏡、負(fù)透鏡到達(dá)轉(zhuǎn)鏡，此時(shí)轉(zhuǎn)鏡的反射面已經(jīng)轉(zhuǎn)入光路中，回波光束被反射到準(zhǔn)直 透鏡組，再透過窄帶濾光片后被探測(cè)器接收產(chǎn)生回波信號(hào)。其中準(zhǔn)直透鏡組將回波光束變 換成直徑與探測(cè)器接收口徑相匹配的無焦光束；窄帶濾光片濾除與回波光子波長(zhǎng)不同的噪 聲光子。此外還在準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)處設(shè)置小孔光闌與機(jī)械快門，小孔光闌的作用是濾除與回 波方向不同的噪聲光子，機(jī)械快門則控制光路接通與關(guān)閉時(shí)間，濾除與回波到達(dá)時(shí)間不同 的噪聲光子。
[0014] 2、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)工作原理： 天空目標(biāo)光束經(jīng)主鏡、副鏡反射后成為無焦光束，再經(jīng)多面折軸反射鏡及第一傾斜鏡 反射進(jìn)入庫(kù)德房，自適應(yīng)光學(xué)成像系統(tǒng)在庫(kù)德房?jī)?nèi)的平臺(tái)上。為了提高對(duì)目標(biāo)的跟蹤精度， 設(shè)置了兩級(jí)精跟蹤系統(tǒng)，以補(bǔ)償?shù)仄绞綑C(jī)架的跟蹤誤差和大氣湍流造成的波前整體傾斜誤 差。第一級(jí)精跟蹤系統(tǒng)的傾斜鏡是在俯仰軸頭的45°反射鏡，并在庫(kù)德房自適應(yīng)光路前端 第二分光鏡處進(jìn)行分光，一部分光透過第二分光鏡進(jìn)入精跟蹤傳感器，由像增強(qiáng)電荷耦合 器件ICXD探測(cè)器進(jìn)行跟蹤誤差探測(cè)。跟蹤誤差（星像光斑重心位移）計(jì)算和控制算法計(jì) 算由高速數(shù)字信號(hào)處理器完成，其輸出經(jīng)過高壓放大器放大后控制第一傾斜鏡進(jìn)行跟蹤誤 差校正。第二級(jí)精跟蹤則設(shè)置在變形鏡前，后面的哈特曼傳感器得到的波前整體平均斜率 數(shù)據(jù)控制第二傾斜鏡進(jìn)行第二級(jí)精跟蹤控制，進(jìn)一步校正波前傾斜，減少星像抖動(dòng)。自適應(yīng) 光學(xué)系統(tǒng)由縮束光路、變形鏡、哈特曼傳感器和波前處理機(jī)組成。縮束光將光束口徑變換成 與變形鏡相匹配的尺寸。哈特曼傳感器作用是進(jìn)行自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前誤差和第二級(jí)精 跟蹤誤差的探測(cè)，由多個(gè)六角形的子孔徑構(gòu)成，采用高量子效率、低噪聲、高幀頻電荷耦合 器件作為探測(cè)器。哈特曼探測(cè)到的光信號(hào)經(jīng)哈特曼光斑中心計(jì)算、波前復(fù)原計(jì)算和控制等 過程，得到的波前整體平均斜率數(shù)據(jù)用來控制第二級(jí)傾斜鏡工作；哈特曼傳感器得到的波 前誤差數(shù)據(jù)則用來控制變形鏡，補(bǔ)償因大氣湍流產(chǎn)生的波前畸變。波前校正后的圖像由第 二成像鏡聚焦、成像CCD探測(cè)，得到高分辨力的目標(biāo)圖像。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為： (1) 本系統(tǒng)漫反射目標(biāo)激光測(cè)距精度優(yōu)于光學(xué)觀測(cè)精度； (2) 本系統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)對(duì)目標(biāo)所成的像分辨率接近望遠(yuǎn)鏡口徑的光學(xué)衍射極限，遠(yuǎn)高 于同口徑(大于100mm)非自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的成像分辨率； (3) 能夠同時(shí)對(duì)帶有角反射器的空間目標(biāo)進(jìn)行激光測(cè)距和高分辨率成像； (4) 能夠同時(shí)對(duì)空間碎片進(jìn)行漫反射激光測(cè)距和高分辨率成像。
[0016]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明中成像系統(tǒng)和漫反射激光測(cè)距系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)圖示意圖； 圖2為本發(fā)明中成像系統(tǒng)和漫反射激光測(cè)距光學(xué)系統(tǒng)示意圖； 圖2中：1_主鏡，2-副鏡，3-第一折軸反射鏡，4-第一傾斜鏡，5-第二折軸反射鏡， 6_第三折軸反射鏡，7-第四折軸反射鏡，8-第一分光鏡，9-正透鏡，10-負(fù)透鏡，11-轉(zhuǎn)鏡， 12-激光器，13-第一準(zhǔn)直透鏡，14-小孔光闌，15-機(jī)械快門，16-第二準(zhǔn)直透鏡，17-窄帶濾 光片，18-探測(cè)器，19-第二分光鏡，20-第一成像鏡，21-ICXD探測(cè)器，22-第一離軸拋物面 鏡，23-場(chǎng)鏡，24-第二離軸拋物面鏡，25-第二傾斜鏡，26-變形鏡，27-第三分光鏡，28-第 二成像鏡，29-成像(XD，30-全反鏡，31-哈特曼傳感器； 圖3為為本發(fā)明中望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 32-鏡筒，33-高度軸力矩電機(jī)，34-方位軸力矩電機(jī)，35-地平式機(jī)架，36-跟蹤伺服控 制系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0019] 如圖1所示，一種漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量的光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)， 包括激光發(fā)射、回波接收和自適應(yīng)光學(xué)成像，具體如下： 激光發(fā)射：激光測(cè)距控制電路與軟件發(fā)出激光發(fā)射信號(hào)，在庫(kù)德房中的激光通過激光 發(fā)射光路進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，然后通過望遠(yuǎn)鏡向空間目標(biāo)發(fā)射； 回波接收：來自空間目標(biāo)的回波光束被望遠(yuǎn)鏡接收，再進(jìn)入庫(kù)德房的回波接收與回波 探測(cè)光路，產(chǎn)生回波信號(hào)傳送給激光測(cè)距控制電路與軟件，經(jīng)過處理后得到漫反射激光測(cè) 距的距離值； 自適應(yīng)光學(xué)成像：空間目標(biāo)光線被望遠(yuǎn)鏡接收，進(jìn)入庫(kù)德房里的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，被縮 束光路縮束，再由哈特曼傳感器與波前處理器探測(cè)波前整體傾斜和波前誤差，并處理后給 出波前整體傾斜量與波前誤差數(shù)據(jù)，用來控制精跟蹤系統(tǒng)修正波前傾斜和控制變形鏡修正 波前誤差，從而得到高分辨率圖像。
[0020] 如圖2和圖3所示，一種漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量的光電望遠(yuǎn)鏡， 包括望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、漫反射激光測(cè)距系統(tǒng)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；所述的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)包括主鏡1、 副鏡2、折軸光路、鏡筒32、地平式機(jī)架35、力矩電機(jī)--高度軸力矩電機(jī)33和方位軸力矩 電機(jī)34、跟蹤伺服控制系統(tǒng)36,主鏡1和副鏡2安裝在鏡筒32內(nèi)，鏡筒32和折軸光路安裝 在地平式機(jī)架35上，兩個(gè)力矩電機(jī)分別安裝在地平式機(jī)架高度軸和方位軸上，跟蹤伺服控 制系統(tǒng)36通過驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)控制望遠(yuǎn)鏡跟蹤空間碎片。
[0021] 所述的折軸光路包括第一折軸反射鏡3、第一傾斜4、第二折軸反射鏡5、第三折軸 反射鏡6和第四折軸反射鏡7,來自空間目標(biāo)的光束經(jīng)主鏡1、副鏡2接收后成為無焦光束， 經(jīng)第一折軸反射鏡3反射到達(dá)第一傾斜鏡4,第一傾斜鏡4修正望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差后反射到第 二折軸反射鏡5,再經(jīng)第三折軸反射鏡6、第四折軸反射鏡7反射到達(dá)庫(kù)德房?jī)?nèi)的第一分光 鏡8。第一分光鏡8是漫反射激光測(cè)距系統(tǒng)與自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)共用的光學(xué)鏡片，作用是將來 自空間目標(biāo)自然光反射進(jìn)入自適應(yīng)光學(xué)光路，激光波長(zhǎng)的光束則透過該鏡片：激光束透過 第一分光鏡8進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡向空間目標(biāo)發(fā)射、激光測(cè)距回波光束透過第一分光鏡8進(jìn)入回波 接收光路。
[0022] 第一折軸反射鏡3、第一傾斜鏡4、第二折軸反射鏡5、第三折軸反射鏡6、第四折軸 反射鏡7依次位于地平式機(jī)架折軸點(diǎn)，接收時(shí)用來引導(dǎo)光束進(jìn)入庫(kù)德房，激光發(fā)射時(shí)用來 引導(dǎo)激光束進(jìn)入主副鏡向空間目標(biāo)發(fā)射。
[0023] 所述的漫反射激光測(cè)距系統(tǒng)包括激光發(fā)射光路、回波接收與回波探測(cè)光路以及激 光測(cè)距控制電路與軟件； 激光發(fā)射光路包括激光器12、負(fù)透鏡10和正透鏡9,激光器12發(fā)出的激光經(jīng)過負(fù)透鏡 10和正透鏡9后通過望遠(yuǎn)鏡向空間碎片發(fā)射； 回波接收與探測(cè)光路包括轉(zhuǎn)鏡11、一對(duì)準(zhǔn)直透鏡13和16、小孔光闌14、機(jī)械快門15、 窄帶濾光片17和探測(cè)器18 ;轉(zhuǎn)鏡11位于接收光路與激光器12之間用于發(fā)射和接收光路轉(zhuǎn) 換：當(dāng)激光發(fā)射時(shí)接通激光光路，望遠(yuǎn)鏡光路處于發(fā)射狀態(tài)；回波接收時(shí)接通接收光路，望 遠(yuǎn)鏡處于接收狀態(tài)；兩面準(zhǔn)直透鏡13和16共焦，它們將回波光束變換成直徑與探測(cè)器18 接收口徑相匹配的無焦光束；小孔光闌14位于準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)處，濾除與回波光方向不同的 噪聲光子；機(jī)械快門15在準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)前10mm處，用于控制光路接通與關(guān)閉時(shí)間，濾除一 定時(shí)間段內(nèi)的噪聲光子；窄帶濾光片17位于準(zhǔn)直透鏡16后面，用于濾除與回波光波長(zhǎng)不同 的噪聲光子；探測(cè)器18位于光路末端，接收回波光子產(chǎn)生回波信號(hào)； 激光測(cè)距控制電路與軟件是不在光路中的非光學(xué)器件，作用是控制激光發(fā)射、回波接 收以及數(shù)據(jù)處理過程。
[0024] 所述的轉(zhuǎn)鏡11鍍有高反膜，并開有通光孔，通光孔位于距離轉(zhuǎn)鏡中心80mm處。所 述的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)包括精跟蹤系統(tǒng)、縮束光路、變形鏡、哈特曼傳感器31和波前處理機(jī)； 精跟蹤系統(tǒng)有兩級(jí)，第一級(jí)精跟蹤系統(tǒng)位于第二分光鏡19后面，探測(cè)并修正望遠(yuǎn)鏡跟 蹤誤差； 第一級(jí)精跟蹤系統(tǒng)的第一傾斜鏡4是在俯仰軸頭的45°反射鏡，并在庫(kù)德房自適應(yīng)光 路前端第二分光鏡處19進(jìn)行分光，一部分光透過第二分光鏡19進(jìn)入精跟蹤傳感器，由像增 強(qiáng)電荷耦合器件ICCD探測(cè)器21進(jìn)行跟蹤誤差探測(cè)。
[0025] 第一成像鏡20和ICXD21依次位于第二分光鏡19投射光路之后，主要用來監(jiān)測(cè)望 遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差。
[0026] 第二級(jí)精跟蹤由哈特曼傳感器31探測(cè)大氣湍流造成的波前整體傾斜誤差，第二 傾斜鏡25根據(jù)測(cè)量到的波前傾斜量進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償； 縮束光路位于第二分光鏡19的反射光路后面，由一對(duì)離軸拋物面鏡22和24以及位于 焦點(diǎn)的場(chǎng)鏡23構(gòu)成，將來自望遠(yuǎn)鏡的光束縮小到與變形鏡26相匹配的尺寸； 第三分光鏡27位于變形鏡26之后，第二成像鏡28之前； 第二成像鏡28與成像CCD29依次位于27第三分光鏡投射光路之后； 全反鏡30位于第三分光鏡27反射光路之后； 變形鏡26位于縮束光路之后，接著后面依次是第三分光鏡27、第二成像鏡28和成像 CCD29,光路末端是哈特曼傳感器31 ;哈特曼傳感器31是同時(shí)進(jìn)行對(duì)光束進(jìn)行波前誤差和 第二級(jí)精跟蹤誤差的探測(cè)，波前處理機(jī)作為非光學(xué)器件的電子設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)哈特曼傳感器 31傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所得到的波前整體平均斜率數(shù)據(jù)用來控制第二級(jí)傾斜鏡25進(jìn) 行第二級(jí)精跟蹤控制，波前誤差數(shù)據(jù)則用來控制變形鏡26工作，補(bǔ)償波前畸變，波前校正 后的圖像由第二成像鏡28聚焦，最后由第二成像鏡28與成像CCD 29給出高分辨力圖像。
[0027] 第二傾斜鏡25,變形鏡26,第三分光鏡27,第二成像鏡28,成像(XD29,全反鏡30 和哈特曼傳感器31之間的相互距離及位置無具體要求，在空間允許的條件下，只要光路能 夠分出，即可。
[0028] 本發(fā)明可同時(shí)用于漫反射激光測(cè)距和高分辨力成像的光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，包括望遠(yuǎn) 鏡系統(tǒng)、漫反射激光測(cè)距系統(tǒng)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)發(fā)射激光到目標(biāo)，從目標(biāo) 反射來的光經(jīng)主鏡、副鏡和折軸反射鏡組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，進(jìn)入庫(kù)德房，在庫(kù)德房光束被 分為兩路，其中一路是目標(biāo)反射激光回來的回波光進(jìn)入回波接收系統(tǒng)，經(jīng)過多重濾光后產(chǎn) 生激光測(cè)距回波信號(hào)；目標(biāo)反射的太陽光部分則進(jìn)入自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過傾斜鏡、變形鏡 修正大氣湍流產(chǎn)生的波前畸變后，經(jīng)成像系統(tǒng)得到接近光衍射極限的高分辨力目標(biāo)圖像。
[0029] 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等效物界定。
【權(quán)利要求】
1. 一種漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量的光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其特征在于包括 激光發(fā)射、回波接收和自適應(yīng)光學(xué)成像，具體如下： 激光發(fā)射：激光測(cè)距控制電路與軟件發(fā)出激光發(fā)射信號(hào)，在庫(kù)德房中的激光通過激光 發(fā)射光路進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，然后通過望遠(yuǎn)鏡向空間碎片發(fā)射； 回波接收：來自空間碎片的回波光束被望遠(yuǎn)鏡接收，再進(jìn)入庫(kù)德房的回波接收與回波 探測(cè)光路，產(chǎn)生回波信號(hào)傳送給激光測(cè)距控制電路與軟件，經(jīng)過處理后得到漫反射激光測(cè) 距的距離值； 自適應(yīng)光學(xué)成像：空間碎片光線被望遠(yuǎn)鏡接收，進(jìn)入庫(kù)德房里的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，被縮 束光路縮束，再由哈特曼傳感器與波前處理器探測(cè)波前整體傾斜和波前誤差，并處理后給 出波前整體傾斜量與波前誤差數(shù)據(jù)，用來控制精跟蹤系統(tǒng)修正波前傾斜和控制變形鏡修正 波前誤差，從而得到高分辨率圖像。
2. 權(quán)利要求1所述的漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量的光電望遠(yuǎn)鏡，其特征 在于包括望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、漫反射激光測(cè)距系統(tǒng)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；所述的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)包括主 鏡、副鏡、折軸光路、鏡筒、地平式機(jī)架、力矩電機(jī)和跟蹤伺服控制系統(tǒng)，主鏡和副鏡安裝在 鏡筒內(nèi)，鏡筒和折軸光路安裝在地平式機(jī)架上，兩個(gè)力矩電機(jī)分別安裝在地平式機(jī)架高度 軸和方位軸上，跟蹤伺服控制系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)控制望遠(yuǎn)鏡跟蹤空間碎片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量的光電望遠(yuǎn)鏡，其 特征在于所述的漫反射激光測(cè)距系統(tǒng)包括激光發(fā)射光路、回波接收與回波探測(cè)光路以及激 光測(cè)距控制電路與軟件； 激光發(fā)射光路包括激光器、負(fù)透鏡和正透鏡，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過負(fù)透鏡和正透鏡 后通過望遠(yuǎn)鏡向空間碎片發(fā)射； 回波接收與探測(cè)光路包括轉(zhuǎn)鏡、一對(duì)準(zhǔn)直透鏡、小孔光闌、機(jī)械快門、窄帶濾光片和探 測(cè)器；轉(zhuǎn)鏡位于接收光路與激光器之間，用于發(fā)射和接收光路轉(zhuǎn)換：當(dāng)激光發(fā)射時(shí)接通激 光光路，望遠(yuǎn)鏡光路處于發(fā)射狀態(tài)；回波接收時(shí)接通接收光路，望遠(yuǎn)鏡處于接收狀態(tài)；兩面 準(zhǔn)直透鏡共焦，它們將回波光束變換成直徑與探測(cè)器接收口徑相匹配的無焦光束；小孔光 闌位于準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)處，濾除與回波光方向不同的噪聲光子；機(jī)械快門在準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)前 l〇mm處，用于控制光路接通與關(guān)閉時(shí)間，濾除一定時(shí)間段內(nèi)的噪聲光子；窄帶濾光片位于 準(zhǔn)直透鏡后面，用于濾除與回波光波長(zhǎng)不同的噪聲光子；探測(cè)器位于光路末端，接收回波光 子產(chǎn)生回波信號(hào)； 激光測(cè)距控制電路與軟件控制激光發(fā)射、回波接收以及數(shù)據(jù)處理過程。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量的光電望遠(yuǎn)鏡，其 特征在于所述的轉(zhuǎn)鏡鍍有高反膜，并開有通光孔，通光孔位于距離轉(zhuǎn)鏡中心80mm處。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的漫反射激光測(cè)距與高分辨力成像同步測(cè)量的光電望 遠(yuǎn)鏡，其特征在于所述的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)包括精跟蹤系統(tǒng)、縮束光路、變形鏡、哈特曼傳感 器和波前處理機(jī)； 精跟蹤系統(tǒng)有兩級(jí)，第一級(jí)精跟蹤系統(tǒng)位于第二分光鏡后面，探測(cè)并修正望遠(yuǎn)鏡跟蹤 誤差；第二級(jí)精跟蹤則由哈特曼傳感器探測(cè)大氣湍流造成的波前整體傾斜誤差，第二傾斜 鏡根據(jù)測(cè)量到的波前傾斜量進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償； 縮束光路位于第二分光鏡的反射光路后面，由一對(duì)共焦的離軸拋物面鏡和位于焦點(diǎn)的 場(chǎng)鏡構(gòu)成，將來自望遠(yuǎn)鏡的光束縮小到與變形鏡相匹配的尺寸； 變形鏡位于縮束光路之后，接著后面依次是第三分光鏡和成像CCD，光路末端是哈特曼 傳感器；哈特曼傳感器是同時(shí)進(jìn)行對(duì)光束進(jìn)行波前誤差和第二級(jí)精跟蹤誤差的探測(cè)；波前 處理機(jī)作為非光學(xué)器件的電子設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)哈特曼傳感器傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所得到 的波前整體平均斜率數(shù)據(jù)用來控制第二級(jí)傾斜鏡進(jìn)行第二級(jí)精跟蹤控制，波前誤差數(shù)據(jù)則 用來控制變形鏡工作，補(bǔ)償波前畸變，最后由第二成像鏡與成像CCD給出高分辨力圖像。
【文檔編號(hào)】G02B27/00GK104267406SQ201410444807
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】李語強(qiáng), 伏紅林, 李祝蓮, 李榮旺, 常翔, 周鈺, 翟東升, 熊耀恒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)