一种双波长凝视型成像光学接收系统的制作方法

本发明涉及一种双波长凝视型成像光学接收系统，属于激光成像雷达系统技术领域。

背景技术：

随着激光主动成像技术的发展，光源从单一波长逐渐向多波长发展，探测器从单像元向面阵发展。利用多光谱信息可提高目标识别与参数估计的可靠性，并且可降低对回波信息强度矫正效果的要求；采用面阵探测器可扩大瞬态视场并缩短成像时间。要实现远距离探测，多波长探测装置需求更高的激光能量及更多种类的探测器以适应不同波段的激光发射及探测，这导致激光器体积及重量增加、激光发射系统设计复杂度上升、探测光学系统体积增大，使得多波长探测方案在小平台应用潜力不足。

为适应小平台探测，提出采用双波长进行目标探测，双波长探测与多波长探测相比，系统体积及光学设计难度均降低了，同时仍然可用双光谱的反射特性实现目标探测和识别。目前，双波长激光雷达在大气监测、大气成分分析等方面应用比较成熟。近些年，双波长激光雷达逐渐向目标探测及基于成像的目标参数估计等研究发展，采用双波长进行探测可实现有效参数估计且降低回波强度信息矫正的精度要求，并在对地观测领域，例如森林中树枝与树干的有效区分、植被水分含量估算等方面得到了充分的可行性论证。未来双波长成像激光雷达在目标识别领域具有相当大的应用潜力，例如提高目标对比度、基于反射光谱特性的目标识别等。

目前所采用的双波长激光雷达大多数为扫描成像方案，鲜有凝视成像方案。且由于并非共口径接收，需利用两个激光器输出两波段激光，导致存在激光器体积较大、扫描体积大、扫描镜时间同步要求高、成像时间长及成像畸变的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种双波长凝视型成像光学接收系统，以解决现有的双波长激光雷达存在的问题。

一种双波长凝视型成像光学接收系统，所述系统包括：共口径接收光学系统、分光棱镜、1064nm光学接收支路和532nm光学接收支路，所述共口径接收光学系统、分光棱镜和1064nm光学接收支路同轴设置，所述532nm光学接收支路的接收端正对所述分光棱镜的反射光路。

进一步的，所述共口径接收光学系统包括三片同轴排列的光学透镜。

进一步的，所述分光棱镜，用于透射1064nm波长光至所述1064nm光学接收支路，反射532nm波长光至所述532nm光学接收支路，所述分光棱镜为40×40mm立方体分光棱镜。

进一步的，所述1064nm光学接收支路包括1064nm波段窄带滤光片、1064nm光路可变光阑、1064nm光路的光阑电机、三片光学透镜和gm-apd，所述1064nm波段窄带滤光片、1064nm光路可变光阑、三片光学透镜和gm-apd相对于所述分光棱镜的透射侧由近及远依次排列，所述1064nm光路的光阑电机安装在所述1064nm光路可变光阑上，用于调节所述1064nm光路可变光阑的大小。

进一步的，所述1064nm光路可变光阑的孔径为0.8mm～15mm，所述1064nm波段窄带滤光片的口径为25mm。

进一步的，所述gm-apd的分辨率为64×64，焦面尺寸为3.2mm×3.2mm。

进一步的，所述532nm光学接收支路包括532nm光路可变光阑、532nm波段窄带滤光片、532nm光路直角反射棱镜、iccd、532nm光路的光阑电机、第一光学透镜和第二光学透镜，所述532nm光路可变光阑、第一光学透镜、532nm波段窄带滤光片、第二光学透镜和532nm光路直角反射棱镜相对于所述分光棱镜的反射侧由近及远依次排列，所述iccd设置在所述532nm光路直角反射棱镜的反射侧，所述532nm光路的光阑电机安装在所述532nm光路可变光阑上，用于调节所述532nm光路可变光阑的大小。

进一步的，所述532nm光路直角反射棱镜为30×30mm直角棱镜，所述532nm光路可变光阑的孔径为0.8mm～25mm，所述532nm波段窄带滤光片的口径为30mm。

进一步的，所述iccd包括光电阴极、第一高压区、微通道板、第二高压区、荧光屏、光学变换器和ccd，所述光电阴极、第一高压区、微通道板、第二高压区、荧光屏、光学变换器和ccd依次连接，其中，所述微通道板的输出面和所述光学变换器的输入面距离小于1mm，所述光学变换器的输出面和所述ccd焦平面探测器的焦平面距离小于1mm。

进一步的，所述iccd的分辨率为960×720，焦面尺寸为ф15mm。

本发明的主要优点是：本发明设计的双波长凝视型成像光学接收系统，不仅可利用回波双光谱反射特性实现高可靠的目标识别及探测，而且系统体积小，视场大，实时性高，为小平台大视场激光成像应用提供有效的技术方案。

附图说明

图1为本发明的一种双波长凝视型成像光学接收系统的剖面图；

图2为本发明的一种双波长凝视型成像光学接收系统的三视图，其中，图2(a)为正视图；图2(b)为侧视图；图2(c)俯视图；

图3为iccd的结构示意图；

图4为本发明的一种双波长凝视型成像光学接收系统的实物图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1、图2和图4所示，一种双波长凝视型成像光学接收系统，所述系统包括：共口径接收光学系统、分光棱镜1、1064nm光学接收支路和532nm光学接收支路，所述共口径接收光学系统、分光棱镜1和1064nm光学接收支路同轴设置，所述532nm光学接收支路的接收端正对所述分光棱镜1的反射光路。

具体的，本发明选用共口径光学接收方案，主要考虑在分光探测接收后，能高精度实现空间配准，同时与分置独立系统相比，降低了同轴调整难度，但增加了光学设计难度，镜片数量会有所增加。

对接收光学系统进行光学设计，采用共口径和分光技术实现双波长光波探测接收。分光镜的透过波长为1064nm，反射波长为532nm，分光效率均可大于90％。

接收光学视场角为5°，1064nm波段采用64×64gm-apd探测，532nm波段采用960×720iccd进行探测，依据两个探测器焦面尺寸，距离选通焦面尺寸ф15mm@532nm，gm-apd焦面尺寸3.2mm×3.2mm，按照此参数，设计的光学焦距为f＝195mm@532nm，f＝52mm@1064nm。综合考虑了光学系统的聚光接收能力，双通道f数分别为2.5和1.5。设计的光学系统见图1所示。

1064nm/532nm双光路凝视成像光学接收系统工作在大气窗口内，可解决双波长探测大视场、远距离、实时性的需求，并且两波段可利用同一激光器输出，大大降低了激光发射系统体积。

在小型化体积约束下，整个光学接收系统的分光棱镜、偏振片、光阑、光阑电机、探测器等空间位置布局得到完美优化，适应小平台激光主动成像应用。

参照图1所示，所述共口径接收光学系统包括三片同轴排列的光学透镜。

参照图1所示，所述分光棱镜1，用于透射1064nm波长光至所述1064nm光学接收支路，反射532nm波长光至所述532nm光学接收支路，所述分光棱镜1为40×40mm立方体分光棱镜。

参照图1所示，所述1064nm光学接收支路包括1064nm波段窄带滤光片2、1064nm光路可变光阑3、1064nm光路的光阑电机4、三片光学透镜和gm-apd5，所述1064nm波段窄带滤光片2、1064nm光路可变光阑3、三片光学透镜和gm-apd5相对于所述分光棱镜1的透射侧由近及远依次排列，所述1064nm光路的光阑电机4安装在所述1064nm光路可变光阑3上，用于调节所述1064nm光路可变光阑3的大小。

所述1064nm光路可变光阑3的孔径为0.8mm～15mm，所述1064nm波段窄带滤光片2的口径为25mm。

所述gm-apd5的分辨率为64×64，焦面尺寸为3.2mm×3.2mm@1064nm。

具体的，对1064nm光学支路进行设计成像评价分析，见图4所示。评价结果表明，该波段成像质量良好，畸变小于2％，综合成像质量满足设计要求。

参照图1所示，所述532nm光学接收支路包括532nm光路可变光阑6、532nm波段窄带滤光片7、532nm光路直角反射棱镜8、iccd9、532nm光路的光阑电机10、第一光学透镜和第二光学透镜，所述532nm光路可变光阑6、第一光学透镜、532nm波段窄带滤光片7、第二光学透镜和532nm光路直角反射棱镜8相对于所述分光棱镜1的反射侧由近及远依次排列，所述iccd9设置在所述532nm光路直角反射棱镜8的反射侧，所述532nm光路的光阑电机10安装在所述532nm光路可变光阑6上，用于调节所述532nm光路可变光阑6的大小。

所述532nm光路直角反射棱镜8为30×30mm直角棱镜，所述532nm光路可变光阑6的孔径为0.8mm～25mm，所述532nm波段窄带滤光片7的口径为30mm。

具体的，对532nm光学支路进行设计成像评价分析。评价结果表明，该波段成像质量良好，畸变小于2％，综合成像质量满足设计要求。

532nm和1064nm两光路采用可变光阑用于消除镜筒内杂散光并可根据实际场景回波光特性进行回波回波强度及对比度调节，在结构上采用上位机控制的步进电机对光阑大小进行调节。整体结构体积为898.5cm³，重量可优化到2.44kg。

参照图3所示，所述iccd9包括光电阴极、第一高压区、微通道板、第二高压区、荧光屏、光学变换器和ccd，所述光电阴极、第一高压区、微通道板、第二高压区、荧光屏、光学变换器和ccd依次连接，其中，所述微通道板的输出面和所述光学变换器的输入面距离小于1mm，所述光学变换器的输出面和所述ccd焦平面探测器的焦平面距离小于1mm。

所述iccd9的分辨率为960×720，焦面尺寸为ф15mm。

具体的，gm-apd采用的单光子探测效率可达到15％。距离选通探测器iccd主要结构如图3所示，iccd微通道板的输出面与光学变换器的输入面相距不到1mm，光学变换器的输出面与ccd焦平面探测器的焦平面相距也不到1mm，使得整个器件结构紧凑，耦合效率高且成像质量高。

光电阴极灵敏度约为5×10⁴a/w；微通道板的增益为10⁶，动态范围超过2个数量级，增益可达到1×10⁶lm/m²/lx；荧光屏采用高性能荧光粉响应速度快，约为300ns；光学变换器的透过率达到60％，光纤芯径为6μm，分辨率可达到55个线对；ccd量子效率为60％，可实现56倍增益调节。iccd可实现高速、高灵敏度回波探测。gm-apd和iccd两探测器可保证25hz实时成像。

本发明的光学系统通过光学设计优化，实现双波段5°视场高成像质量探测，且两波段分别采用高灵敏度iccd和gm-apd探测，可在探测性能约束条件下，降低对激光发射能量的需求。

本发明用于双波长面阵探测的激光成像雷达系统，利用双波长回波信息可提高目标识别率及参数估计可靠性。采用共口径接收、分光棱镜在系统内分光的技术方案，在保证探测性能前提下进行整体装置布局及体积优化，缩小了系统的体积，提高了系统的集成度，为双波长成像探测系统小型化提供技术方案。此装置可用于小体积平台应用需求的激光成像探测方案。