本发明属于主被动复合光电探测技术领域，涉及一种应用于机载和星载平台的高精度激光主动探测/被动光电成像结合的复合探测系统，特别指一种可用于高精度主被动探测系统的光轴监测方法及装置。
背景技术：
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随着用户对激光测绘数据精度的要求越来越高，依靠单一的激光雷达测绘系统获取的数据由于无法与地面目标精确匹配，已经难以满足高精度测绘的要求。美国为了解决激光雷达测绘系统发射光束定位问题以实现激光束与地面目标的高精度匹配，在其研制的地球激光测高系统(GLAS)等高精度激光雷达测绘系统中采用了高精度姿态定位装置结合大量的地面定标控制点的方案，这不仅造成激光测绘系统自身和地面定标系统的复杂化，而且缺乏实时性，降低了激光测绘系统的效率。
解决激光雷达测绘系统中发射激光束与地面景物实时匹配问题的一个可行方案是将激光主动探测系统与传统的被动成像光电系统相结合的主被动复合探测系统，通过激光发射系统发射光束光轴与被动成像系统光轴之间的相对匹配关系即可实现发射激光束与地面景物的精确匹配。不过在实际工作过程中由于外界振动、重力变形、环境温度变化等因素可能会导致激光发射系统发射光轴与被动成像系统光轴之间的相对关系发生变化，从而影响发射激光束与地面景物之间的匹配精度。在贾建军等人的专利中提出了一种在激光量子通信中采用角锥棱镜反射以实现光轴自校准的方案(专利号CN102185659B)，该方案仅能对后续光路的小范围光轴稳定情况进行监测，且只能用于激光发射与接收系统共光路的情况，不能监测收发旁轴系统的光轴变化情况和望远镜自身的光轴变化情况。
技术实现要素：
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为解决高精度多光轴主被动复合探测系统中激光发射光轴与被动成像系统光轴之间相对关系的实时监测问题，本发明提出了一种用于高精度主被动探测系统的光轴监测方法及装置，通过在系统中引入光轴分离组件和光轴监测相机等手段建立起激光发射光轴和被动成像系统光轴之间的相对关系，便于在高精度主被动探测系统工作过程中实时对各光轴变化情况进行监测。
本发明采取的技术方案是：一种用于高精度主被动探测系统的光轴监测方法及装置，由激光发射系统1、光轴分离组件2、共用望远镜3、分色片4、被动成像系统5、激光接收系统6和光轴监测相机7等部分组成。所述的激光发射系统1发射的激光束被光轴分离组件2的入射镜2-1分成两束，第一束激光1-1透射后打到地面目标上，被目标漫反射后回波信号被共用望远镜3接收后透过分色片4进入激光接收系统6，同时地面目标自身辐射的信号也被共用望远镜3收集，经分色片4反射后进入被动成像系统5成像。第二束激光1-2被光轴分离组件2的出射镜2-2前后表面反射后形成两束光束1-3和1-4入射至共用望远镜3，分别被光轴监测相机7和被动成像系统5接收。
所述的激光发射系统1发射的激光束被光轴分离组件2折转后形成的光束1-3被光轴监测相机7接收，形成的光斑用于监测激光发射系统1和共用望远镜3的光轴变化，光束1-4由被动成像系统5接收，形成的光斑用于监测激光发射系统1、共用望远镜3和被动成像系统5之间的光轴相对变化。
所述的激光发射系统1经入射镜2-1后的发射光束1-1的光轴与共用望远镜3的光轴成θ角，共用望远镜3为被动成像系统5、激光接收系统6和光轴监测相机7的共用光路部分，其中光轴监测相机7的光轴与共用望远镜3的光轴重合，被动成像系统5和激光接收系统6的光轴与共用望远镜3的光轴成θ角，被动成像系统5和激光接收系统6光路通过分色片4进行分离；
所述的光轴分离组件2由入射镜2-1、出射镜2-2和结构框架2-3组成，入射镜2-1和出射镜2-2安装于一个一体化的结构框架2-3内，结构框架2-3的材料可以为钛合金、殷钢等低膨胀系数材料，其中入射镜2-1和出射镜2-2的前表面法线与共用望远镜1的光轴分别成45°和-45°，入射镜2-1的后表面相对前表面有一个楔角ω1，满足以下关系：
其中n为入射镜(2-1)材料折射率，I和I’分别为光束在前表面的入射角和折射角，单位为角度。
出射镜2-2的后表面相对前表面有一个楔角ω2，满足以下关系：
n·sin(I'+2ω2)＝sin(I+θ)，sinI＝n·sinI'
其中n为出射镜2-2材料折射率，I和I’分别为光束在前表面的入射角和折射角，单位为角度。
所述的光轴分离组件2中的入射镜2-1位于激光发射系统1的发射光路中，出射镜2-2位于共用望远镜3的接收口径范围内。
所述的光轴分离组件2中的入射镜2-1前表面镀特定比例的分光膜，后表面镀对应激光发射系统波长的增透膜，出射镜2-2前表面镀特定比例的分光膜，后表面镀对应激光发射系统波长的内反射膜。
所述的光轴监测方法中，光轴变化量可如下计算：令a1和a2分别为光轴监测相机7和被动成像系统5的探测器上检测到的光斑偏移量，f1和f2分别为精确标定的光轴监测相机7和被动成像系统5的焦距，则对应的光轴变化量分别为：
通过和之间的大小和方向关系即可对系统光轴变化情况进行分析和判断。
本发明的优点在于：在高精度多光轴主被动复合探测系统中建立起了激光发射光轴和被动成像系统光轴之间的相对关系，可实现在高精度主被动探测系统工作过程中实时对各光轴变化情况进行监测，具有光轴监测灵敏度高、自身光轴稳定性好、加工装调工艺成熟等特点，可广泛应用于机载和星载高精度主被动复合探测光电系统中。
附图说明：
图1是所述的光轴监测装置光路示意图。
图2是实施例中的光学系统总光路示意图。
图3是实施例中的光轴分离组件三维等轴测图。
图4(a)是实施例中的光轴分离组件入射镜2-1光路图
图4(b)是实施例中的光轴分离组件出射镜2-2光路图
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
如图2所示，本实施例所述的为采用了本发明的一种可对激光足印景物成像的双波束激光测高仪光学系统设计方案，包括共用望远镜、可见/近红外分色片、被动成像相机、激光接收系统、光轴监测相机、光轴分离组件和激光发射系统。系统中包含两套完全相同的组件以共用望远镜的光轴为对称轴呈轴对称分布，被动成像相机、激光接收系统和光轴监测相机共用无焦望远镜，被动成像相机和激光接收系统利用共用望远镜的轴外视场，光轴监测相机利用共用望远镜的轴上视场，被动成像相机和激光接收系统通过可见/近红外分色片进行光路分离，两套光轴分离组件和激光发射系统位于望远镜光路两侧，其光轴分别与两套被动成像相机的光轴平行。激光发射系统发射的激光束被光轴分离组件的入射镜分成两束，第一束激光透射后打到地面目标上，被地面目标漫反射后回波信号被共用望远镜接收后透过可见/近红外分色片进入激光接收系统，同时地面目标自身辐射的可见光信号也被共用望远镜收集，经可见/近红外分色片反射后进入被动成像相机成像。第二束激光被光轴分离组件的出射镜反射后形成两束光束并入射至共用望远镜，分别被被动成像相机和光轴监测相机接收。
本实施例中的共用望远镜、被动成像相机、激光接收系统和光轴监测相机等各部分的系统参数如下表所示。
本实施例中的θ＝0.7°，光轴分离组件的入射镜后表面与前表面之间的楔角ω1＝0.88°，出射镜后表面与前表面之间的楔角为ω2＝0.19°，入射镜与出射镜的材料均为熔石英，在1064nm处的折射率为1.45，结构框架的材料为殷钢。
本实施例中被动成像相机和光轴监测相机的探测器像素尺寸均为6um，焦距均为2600mm，当光斑在探测器上偏移了一个象元时，光轴稳定性监测灵敏度为若采用光斑质心算法对像素细分则灵敏度可进一步提高。