[发明专利]一种卫星激光测距中激光远场发散角测量方法与装置

权利要求书

1.一种卫星激光测距中激光远场发散角测量装置，其特征在于，包括依次相连的激光发射系统、光斑成像系统和图像处理系统；

所述的激光发射系统包括激光器、激光扩束光路、望远镜和限孔板；所述的激光扩束光路由一面负透镜和一面正透镜组合而成；

激光器用于产生基横模高斯光束；激光扩束光路作为激光束与望远镜的中间适配光路，负透镜入射端与激光器产生的激光束匹配，正透镜出射端的激光束与望远镜匹配；激光器、激光扩束光路均位于库德房中；

沿激光从望远镜射出方向，顺序设置有限孔板、毛玻璃屏、成像透镜组、高分辨率CMOS相机；

限孔板设于望远镜镜筒的正前方的主镜焦面处，且限孔板上开有圆孔；限孔板用于挡住从望远镜射出的大部分激光束，只允许一部分激光束从圆孔通过；

所述的光斑成像系统包括毛玻璃屏、成像透镜组和高分辨率CMOS相机；

毛玻璃屏与通过限孔板上的圆孔发出的激光束相垂直以将激光光斑显示在毛玻璃屏上；毛玻璃屏上设有用于度量激光光斑直径的标尺；

成像透镜组与激光束同轴，用于将毛玻璃屏上的激光光斑成像在像面上；

高分辨率CMOS相机的光敏面位于激光光斑像面处，用于采集激光光斑图像；

所述的图像处理系统包括图像采集卡、图像处理模块和数据处理模块；所述的高分辨率CMOS相机、图像采集卡、图像处理模块、数据处理模块依次相连；

所述的图像采集卡用于压缩和存储高分辨率CMOS相机采集到的图像信号，供图像处理模块读取和使用；

所述的图像处理模块用于对存储在图像采集卡中的图像进行预处理；所述的预处理为重构标尺和计算激光光斑直径，即根据标尺反演计算出真实激光光斑直径；

所述的数据处理模块用于将通过图像处理模块得出的真实激光光斑直径计算激光远场发散角。

2.根据权利要求1所述的卫星激光测距中激光远场发散角测量装置，其特征在于，所述的望远镜包括主镜、副镜、折轴光路、镜筒、地平式机架、两个力矩电机和跟踪伺服控制系统，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指向毛玻璃屏。

3.根据权利要求1所述的卫星激光测距中激光远场发散角测量装置，其特征在于，所述的高分辨率CMOS相机像元数为2048×2048。

4.根据权利要求1所述的卫星激光测距中激光远场发散角测量装置，其特征在于，所述的圆孔直径为200mm。

5.根据权利要求1所述的卫星激光测距中激光远场发散角测量装置，其特征在于，所述的激光器的工作方式为脉冲工作方式。

6.一种卫星激光测距中激光远场发散角测量方法，采用权利要求1-5任意一项所述的卫星激光测距中激光远场发散角测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，由激光器产生的基横模高斯光束经过激光扩束光路的变换后进入望远镜中，然后从望远镜射出，并通过限孔板挡住从望远镜射出的大部分激光束，只允许一部分激光束从圆孔通过；

步骤(2)，从限孔板的圆孔通过的激光束的激光光斑像显示在毛玻璃屏上，然后通过成像透镜组成像，再由高分辨率CMOS相机拍摄形成多幅激光光斑高分辨率图像；

步骤(3)，将经高分辨率CMOS相机拍摄得到的激光光斑高分辨率图像传输至图像采集卡中进行压缩和存储，图像处理模块读取图像采集卡存储的图像信息并进行预处理，然后将计算得到的真实激光光斑直径数据送往数据处理模块；所述的预处理为重构标尺和计算激光光斑直径，即根据标尺反演计算出真实激光光斑直径；

步骤(4)，数据处理模块将图像处理模块处理的多幅激光光斑高分辨率图像的真实激光光斑直径数据取平均值，再结合圆孔直径、限孔板到毛玻璃屏的距离值来计算激光远场发散角，计算公式如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，θ为激光远场发散角，为多幅激光光斑图像的真实激光光斑直径数据的平均值，D为限孔板圆孔直径，L为限孔板到毛玻璃屏的距离。