光電經(jīng)緯儀中激光測距裝置光學系統(tǒng)的設計

1、 收稿日期 :2007-01-25. 光電技術應用光電經(jīng)緯儀中激光測距裝置光學系統(tǒng)的設計孫芳方 1,2, 陳 寧 1, 喬彥峰 1(1. 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 , 吉林 長春 130033; 2. 中國科學院研究生院 , 北京 100039摘 要 : 闡述了在光電經(jīng)緯儀上應用激光測距裝置的重要性 , 位置 。 分析了激光測距的原理及測距方程 , 統(tǒng)進行了設計 。關鍵詞 : 光電經(jīng)緯儀 ; 激光測距 ; ; 中圖分類號 :TN249:1001-5868(2007 06-0878-03Optical of Device of Laser R ange on Electro 2op

2、tical TheodoliteSUN Fang 2fang 1,2, CH EN Ning 1, Q IAO Yan 2feng 1(1. Changchun I nstitute of Optics , Fine Mechanics and Physics , Chinese Academy of Sciences , Ch angchun 130033, CHN;2. G radu ate School of the Chinese Academy of Sciences , B eijing 100039, CHN Abstract : The importance of using

3、laser range on t he elect ro 2optical t heodolite is described , which could measure t he po sition of target wit h only one t heodolite. The t heory and equation of laser range were analyzed , and at last , according to t he st ruct ure of elect ro 2optical t heodolite , t he optical system of lase

4、r range was designed.K ey w ords : electro 2optical t heodolite ; laser range ; emitting optical system ; receiving optical system1 引言光電經(jīng)緯儀是用攝影測量或電視測量等方法來確定空間物體相對于地球上某一點位置的光學儀 器 。 早期的光電經(jīng)緯儀不能實時地輸出測量數(shù)據(jù) , 只能事后用專用膠片判讀儀判讀出空間目標的方位 角和高低角 。 由于不能測量目標的距離 , 所以單臺 光電經(jīng)緯儀不能確定空間目標的實際位置 , 需要用 兩臺以上的光電經(jīng)緯儀同時對同一目標測量 , 然

5、后 通過計算求出目標的實際位置 。 如果在經(jīng)緯儀中加 裝測距機 , 就可實現(xiàn)使用單臺光電經(jīng)緯儀即可確定 目標位置 。 而激光測距機由于作用距離遠 、 測量精 度高 、 測量速度快 、 設備體積小 、 重量輕及抗干擾性 能好等優(yōu)點 , 已廣泛應用于各類型光電經(jīng)緯儀中 。 這類經(jīng)緯儀能以厘米級甚至更高精度測定地面和衛(wèi) 星間的距離 , 可為精密定軌和星地時間同步提供精密觀測數(shù)據(jù) 。 本文對加裝在某型號的光電經(jīng)緯儀上 的激光測距系統(tǒng)的光學系統(tǒng)進行了設計 。2 激光測距原理用激光進行測距是基于激光良好的方向性和單 色性 。 首先對準目標發(fā)射激光 , 在被測目標上形成 光斑 , 然后接收由目標反射回來的激

6、光 , 通過測量時 間來測量距離 。 激光測距可以分為連續(xù)波相位測距 和脈沖測距兩種 ?？紤]到精度及成本等多方面因 素 , 在系統(tǒng)中采用脈沖測距來測量飛行目標的距離 。 激光脈沖測距是利用測量往返脈沖間隔時間獲知距 離 , 測時方法是在確定時間起止點之間用時鐘脈沖 填充計數(shù) 。設發(fā)射激光脈沖功率 、 發(fā)散角分別為 P t 和 t , 發(fā)射系統(tǒng) 、 接收系統(tǒng)光學透過率分別為 K t 和 K r , 目 標有效反射面積 、 反射率 、 反射光束發(fā)散角分別為 A s 、 和 B , 單程大氣透過率為 T , 通常假設激光脈878 SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS

7、V ol. 28No. 6Dec. 2007沖能量在 t 內(nèi)均勻分布 , 這時 , 當目標距離為 R 時 , 對應的接收功率為 P r , 測距方程為P r =222t 2B R 4如果激光為高斯光束 , 則當目標距離為 R , 目標和光 束中心夾角為 時對應的接收功率為 P r , 則測距方 程為P r =222t 2B R 4 exp (-22 t 3 光學系統(tǒng)設計本文設計的激光測距系統(tǒng)的光學系統(tǒng)由發(fā)射分 系統(tǒng)和接收分系統(tǒng)組成 , 系統(tǒng)工作時 ,地面上 , , ,望遠系統(tǒng)的對正 ,要求 , 我們采用了發(fā)射與接收分光路的結構形式 。 3. 1 發(fā)射光學系統(tǒng)激光器是脈沖測距系統(tǒng)的光源 , 是測

8、距系統(tǒng)的 關鍵部件 , 其輸出的單脈沖能量的大小 、 脈沖的寬窄 決定系統(tǒng)的測程和測距精度 。 本系統(tǒng)中采用單脈沖 調(diào) Q 激光器 。激光器的光束直徑 =12mm , 發(fā)散 角為 120" , 單脈沖能量 E 50mJ , 脈沖寬度 =10 15p s , 中心波長 0=0. 532m 。激光器發(fā)出的激光并不是絕對平行的 , 都有一 定的發(fā)散角 , 如不加任何光學系統(tǒng)向空間發(fā)射 , 到達 遠處目標的光斑直徑就很大 , 單位面積上的能量就 小 , 這樣會影響接收裝置的接收能量 , 從而影響測距 精度 。 例如 :發(fā)散角為 120" 時 , 光束到達 5km 處的 光斑直徑 r

9、 為 5×103tan 120" 5×103×0. 6×10-3 =3m 。 若發(fā)散角為 240" , 則到達 5km 處的光斑直 徑 r 1為 5×103×240" 5×103×1. 2×10-3=6m ,二者的光能量密度比為 :N =r 1×r 1× = 4。由此可見 , 發(fā)散角增大一倍 , 到達被測目標的光能量 密度減小 3/4。 所以要在激光器與被測目標之間加 上一個光學系統(tǒng) , 以達到壓縮激光束的發(fā)散角 , 縮小 目標處的光斑直徑 。而且光學系統(tǒng)

10、的放大倍率越 大 , 光束的發(fā)散角越小 , 從而光斑直徑越小 , 在反射 和面積一定的情況下 , 由于能量集中 , 單位面積上的 能量密度得到提高 , 反射到接收光學系統(tǒng)的能量就 強 , 測距系統(tǒng)的作用距離就遠 。因此為了保證更多 的能量由接收望遠鏡系統(tǒng)接收 , 必須壓縮激光光束 的發(fā)散角 , 減小照射到衛(wèi)星上的激光光斑尺寸 。 在本系統(tǒng)中 , 經(jīng)緯儀安裝在地面上 , 激光器獨立 安裝在經(jīng)緯儀的塔臺下方 , 而接收系統(tǒng)整體安裝在 四通上 , 通過調(diào)整墊片實現(xiàn)與主望遠系統(tǒng)的對正 , 這 樣 , 激光器射出的激光既要通過擴束系統(tǒng)壓縮發(fā)散 角 , 又要在其間加入反射鏡來轉折光路 , 使激光器發(fā) 射出

11、的激光束經(jīng)過經(jīng)緯儀的垂直軸 、 水平軸進入到 接收系統(tǒng)的接收目鏡中 。因此 , 我們根據(jù)對系統(tǒng)的 總體要求 , , 其中一級擴束系統(tǒng) 倍率為 2倍 , 12mm 擴束到 24 ,6從 24mm 增 加到 144。為了將一級擴束系統(tǒng)出射 , 需要在其間加入 反射鏡來轉折光路 , 即 Coude 光路 。一 、 二級擴束系統(tǒng)均有兩種形式可供選擇 :反射 式和透射式 。 采用反射式可以減少光學材料對激光 能量的吸收 , 及熱變化對光學元件面形的影響 , 同時 為了不產(chǎn)生中心遮攔 , 必須采用離軸形式 , 這給加 工 、 裝調(diào)帶來了一定的難度 。透射式盡管存在光學 材料對激光能量的吸收及熱變化的影響

12、, 但通過選 取低吸收系數(shù)和低線脹系數(shù)的光學材料 , 可以滿足 要求 , 同時這種結構形式有利于加工 、 裝調(diào) , 保證精 度 , 且技術成熟 。因此 , 一 、 二級擴束系統(tǒng)均采用伽 利略型 。 發(fā)射系統(tǒng)光學系統(tǒng)框圖如圖 1所示 。圖 1 發(fā)射系統(tǒng)光學系統(tǒng)框圖3. 2 接收光學系統(tǒng)為了盡可能地將目標反射回來的激光能量匯聚 到探測器上 , 而且適當?shù)叵拗平邮找晥?, 減小雜散光 的干涉 , 提高接收機的靈敏度和信噪比 , 以及測距系 統(tǒng)的測距精度和作用距離 , 需要在接收系統(tǒng)前加一 個光學系統(tǒng) 。 由于本系統(tǒng)探測距離較遠 , 接收光學 系統(tǒng)的口徑和焦距都比較大 , 為了使結構緊湊 , 采用 牛

13、頓式光學系統(tǒng) 。 激光回波接收小系統(tǒng)的光學系統(tǒng) 如圖 2所示 。接收光學系統(tǒng)口徑為 1000mm , 焦距為 10000 (回波接收小系統(tǒng) , 視場 2w =6 。在接收裝置中設計有一些特殊的光學元件 , 這 9 7 8半導體光電 2007年 12月第 28卷第 6期 孫芳方 等 : 光電經(jīng)緯儀中激光測距裝置光學系統(tǒng)的設計 些元件可以提高激光測距系統(tǒng)的性能 , 提高接收機 的靈敏度 , 增大作用距離 , 提高瞄準跟蹤精度 , 擴大 增益范圍 , 減小體積和增加設計的靈活性 。圖 2 接收系統(tǒng)光學系統(tǒng)圖在激光測距系統(tǒng)中 , 低以后 , 天空背景噪聲將明顯地顯示出來 , 在白天更 為嚴重 。 特別

14、是在接收視場大的情況下 , 背景噪聲 的影響將會使接收機處于無法工作的狀態(tài) 。 在激光 測距系統(tǒng)中 , 利用激光信號單色性好的特點 , 可以在 接收機的光學系統(tǒng)中加入濾光片以濾除激光工作波 長以外的背景光 , 這樣可以大大提高接收系統(tǒng)的信 噪比 , 因而可以提高測距系統(tǒng)的探測能力 。顯然 , 為了盡量降低背景光的噪聲 , 濾光片的帶 寬越窄越好 , 可是濾光片的透過率也隨帶寬的減少 而減少 。 更嚴重的是 , 濾光片的中心波長隨時間和 環(huán)境溫度變化而漂移 。當濾光片帶寬太窄時 , 由于 中心波長漂移使激光信號的透過率大大下降 , 甚至 完全不能透過 , 因此濾光片的帶寬不宜太窄 。如圖 2所示

15、 , 本系統(tǒng)接收光路中加入窄帶濾光片和寬帶 濾光片 , 以適應白天測距的要求 , 寬帶濾光片 、 窄帶 濾光片和切換反射鏡筒一個整體放置在獨立的恒溫 場中 , 并能實現(xiàn)相對獨立的切換 。圖 2中 , 太陽快門置于分光棱鏡前 , 利用探測器 自動感知進入系統(tǒng)的光線的強度 , 實現(xiàn)自動開關 ;ICCD 保護快門的作用是在系統(tǒng)不使用 ICCD 時 , 手動將保護快門關閉 ; 由于 C 2SPAD 的接收口徑為 0. 2mm , 因此可變光闌的變化范圍是 0. 28mm 連續(xù)電動變孔徑 (手動切換 , 其起到空間濾波的作 用 , 干涉濾光片起到光譜濾波作用 。在它們的共同 作用下 , 雜散光被限制 ,

16、 主要讓 532. 0nm 波長的激 光通過 , 因而大大減少天空背景噪聲的影響 , 提高接 收系統(tǒng)的信噪比 ; C 2SPAD 保護快門的作用是在系 統(tǒng)不使用 C 2SPAD 時 , 手動將保護快門關閉 。其 中 , 太陽快門 ,ICCD 2SPAD 均采用直流 根據(jù)光電經(jīng)緯儀對其測距系統(tǒng)的性能要求 , 設計了激光測距的光學系統(tǒng) , 其光路緊湊 , 整個光學結 構簡單 、 成像優(yōu)良 , 能夠滿足某型號光電經(jīng)緯儀的使 用要求 , 實現(xiàn)各種復雜條件下的激光測距 。 參考文獻 :1 李田澤 , 戴金符 , 王振環(huán) . 激光跟蹤測距光學系統(tǒng)設計J.紅外技術 , 2001,23(6 :12214.2 吳晗平 . 某高性能激光測距機總體設計與分析 J.現(xiàn)代防御技術 ,2005, 33(2 :65268.3 陳安健 , 鄭 煒 . 一種集發(fā)射 、 接收與瞄準三共軸系統(tǒng)的光學結構 J.激光與紅外 ,2005, 35(5 :