[发明专利]基于共轴三反无焦望远镜的四波束激光三维成像光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及星载激光三维成像领域中的接收光学系统，具体是指一种用于 接收四路激光回波和对地高分辨率成像的共轴三反式无焦望远镜形式。

背景技术

激光三维成像技术是一种新兴的主动光学成像技术，它是指利用发射激光 信号的目标回波二维分布信息和目标距离信息合成目标图像的一种成像方法。 由于三维图像较二维图像包含更丰富的目标信息，有利于借助目标图像识别目 标特征，甚至可发现并识别经过伪装或隐藏于树林中的目标，因而，在地形测 绘、城市建设、工程施工、环境监测等军事、民用领域具有重要的应用价值和 广阔的应用前景。其中星载三维成像技术采用卫星平台，运行轨道高、观测视 野广，可以触及世界的每一个角落，为境外地区三维控制点和数字地面模型的 获取提供了新的途径，无论对于国防或是科学研究都具有十分重大的意义。

星载激光雷达实验始于20世纪90年代初。30年来，世界主要空间大国竞 先开展星载激光雷达的研究，主要应用于全球测绘、地球科学、大气探测、月 球、火星和小行星探测、在轨服务、空间站等。其中，美国的星载激光雷达技 术、应用、规模处于绝对领先位置。美国公开报道的典型激光雷达系统有MOLA、 MLA、LOLA、GLAS、ATLAS、LIST等。其中比较典型的有美国ICESat卫星上的 激光测高仪GLAS、美国的月球轨道高度计LOLA、预计2015年发射的先进地形 激光测高系统ATLAS、预计2025年发射的全球地形测量系统LIST等。其中 典型的光学结构例如GLAS的卡塞格林两反接收望远镜，或者LOLA的透射式接 收光路结构。

由美国对地观测激光雷达系统发展规划来看，其发展趋势由单波束逐渐过 渡到多波束探测，后续发展瞄准密集光束推扫探测，从而提高信息获取效率。 多波束星载三维探测为接收望远镜的光学设计带来了极大的难度，主要体现 在：

1反射式接收望远镜对全波段没有色差，但是两反系统视场较小，难以形 成两个波束或以上的视场分割的探测通道。若采用分色片对相同波长激光通道 进行分光，会大大消弱各通道的光学探测效率。

2由于大尺寸透镜材料难以获取，透射式接收望远镜较难被使用在星载探 测领域中。

3若采用独立式接收望远镜系统，即一个发射激光对应一个接收系统，多 波束接收光学必然对应较多的望远镜，对受到重量和体积限制的星载探测器， 这都是极大的压力。

4高分辨率对地观测成像和高精度距离成像难以兼得。仪器对激光足印完 成距离测量的同时，还需对激光足印附近地物完成拍照，两者对应中心视场需 相同。若完成四个激光通道的探测，通道数达到8路，望远镜选型和光学布局 难度极大。

而将共轴三反非球面无焦望远镜形式应用在四波束激光三维成像系统，解 决了多通道同时完成激光测距和拍照功能光学结构的选型问题，多通道共用一 个接收望远镜，布局更加紧凑。结合推扫成像模式，实现了激光密集采样，提 高了探测效率。

发明内容

综上所述，如何将激光多波束探测与新型光学系统形式相结合来为研究激 光三维成像雷达提供一种新的技术手段，乃是本发明所要解决的技术问题，为 此，本发明的目的是提供一种大视场全反射式紧凑型共轴三反非球面无焦望远 镜光学系统。

本发明的技术构思是根据推扫式激光三维成像雷达的原理进行设计，将共 轴三反非球面无焦系统作为望远镜形式，采用偏轴视场，对不同激光回波波束 分别利用激光接收通道会聚进行距离信息采集、利用面阵成像通道进行地物图 像采集，再经过数据处理和三维图像反演等过程得到目标的三维图像信息。即 本发明的技术解决方案如下：

根据本发明的四波束共轴三反无焦望远镜激光三维成像光学系统，包括一 个大视场共轴三反非球面系统，该望远镜含有三个二次曲面非球面反射镜，特 点是：

a.望远镜为无焦形式，不同无限远地物成像经过望远镜后光线为平行光， 有利于后光学进行分光，以及各个通道独立布局。

b.望远镜对应四个波束通道采用偏轴视场设计方案，进行四个波束通道分 离。