[实用新型]具有实时波前补偿功能的激光三维成像系统

说明书

本专利公开了具有实时波前补偿功能的激光三维成像系统，设计了一种具有渐变厚度的平面变形镜，工作于大口径高分辨率激光三维接收望远镜成像系统中；变形镜采用单点驱动方式，通过中心固定和边缘加力，镜面面形发生均匀曲率变化和正交方向不同变化，从而实现对波前球差和像散等多项像差的补偿；望远镜波像差校正采用闭环控制，波前信息用哈特曼传感器进行采集，进而实现实时补偿。本专利解决了大口径望远镜采用传统焦前平面镜调焦方式仅能补偿重力或温度变形引起离焦和较小范围像差变化的问题。采用本专利的渐变厚度平面变形镜，通过主动改正镜面面形，可以补偿多类低高阶像差，放宽了结构设计和热控要求，降低了大口径望远镜成像系统的研制难度。

技术领域

本专利涉及星载激光三维成像接收光学系统的像差主动补偿技术，具体是指一种利用渐变厚度平面变形镜补偿大口径望远镜由于重力或热变形引起多项像差的方案形式。

背景技术

激光三维成像雷达是一种用于精确、快速获取地面及地面目标三维空间信息的主动式雷达探测技术系统，为全天时传感器，具有受地面背景、天空背景干扰小，并具有高定位精度和高灵敏度、激光脉冲不易受阴影和太阳角度影响等优点，从而大大提高了数据采集的质量。这些特点使它能满足高精度高频度快速环境侦察、军事目标监测尤其是隐蔽目标探测的应用要求。

从国内外空间相机的发展趋势看，欧美等国发射的激光测高雷达MOLA、GLAS等在大口径和高分辨率方面做技术准备。为了实现地面成像分辨率优于4m、测高精度优于0.5m星载三维激光成像雷达的研制，成像仪器对热控技术包括工作温度范围以及关键镜面温度梯度等指标的要求已经非常严格，对现有的热控技术而言挑战非常大。同时对于微小型卫星而言，体积、重量和功耗都有严格的限制，分配给热控系统的允许重量十分有限，这个要求极大地增加了热控设计的难度。同样，大口径三维雷达在发射后轨道运行期间，由于地面与太空的环境不同，镜面必须承受在轨微重力环境引起的重力释放变形，这种变形只能在地面施加应力来模拟微重力环境，但是模拟条件与真实情况存在差异，导致在轨运行仪器成像特点与地面试验情况不一致。

目前的激光雷达探测系统为了解决这些问题，是采用被动的抑制误差源的方法来实现高质量的成像。一般在雷达光路中插入平面转折镜进行调焦的方法来减小镜面温度变形对光学系统像质的影响。这种方法只能解决离焦问题，对镜面温度变形引起的球差、慧差、像散等高阶像差则显得无能为力。控制不同误差源产生的误差需要采用不同的技术和方法，并且和光学设计、结构设计进行交互和折中将误差维持在一定的水平。雷达在轨运行时，除了调焦机构能够补偿一定的离焦和球差以外，这些被动的技术和方法对可能出现的其他像差补偿效果不明显。从光学系统成像的角度来看，力、热环境因素引起的误差最后都表现为光学系统的波前像差，会产生高级球差、彗差和像散等。因此，主动变形镜技术从控制误差来源出发，针对成像波前像差可以直接进行抑制和补偿。在激光三维成像雷达中采用主动变形镜技术为增强空间相机对力、热环境的适应性，简化相机结构，减小相机功耗提供了新的方法，也为更大口径、更长焦距的空间相机提供了技术途径。

发明内容

综上所述，如何将主动变形镜技术与大口径望远镜相结合来解决空间环境适应性的问题，为研究激光三维成像雷达提供一种新的技术手段。为此，本专利的目的是提供一种基于渐变厚度的平面变形镜技术。

本专利为具有实时波前补偿功能的激光三维成像系统，包括望远镜成像系统1、分束镜2、哈特曼传感器3、平面变形镜4和成像CCD相机5。

来自地物的400-800nm波长成像光束和1064nm波长检测光束分别经过望远镜成像系统1汇聚到分束镜2，1064nm波长检测光束经分束镜2透射后到哈特曼传感器3上，哈特曼传感器3分析并获取检测光束中的望远镜成像系统1波前畸变信息，将波前变形结果反馈给平面变形镜4的控制系统，由控制系统驱动平面变形镜4的压电PZT传感器使平面变形镜4产生镜面变形来实时改正望远镜成像系统1的波前畸变；同时400-800nm波长的地物成像光束由分束镜2反射至平面变形镜4，其成像畸变波前经平面变形镜4补偿后成像到成像CCD相机5上。