CN118068350B - 一种远距离红外成像与测距装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电测量技术领域，具体提供一种远距离红外成像与测距装置，包括：主口径反射镜组、红外后成像单元、单光子后接收单元、分色镜和单光子发射单元，主口径反射镜组负责接收目标反射的单光子和红外波段光线，并将这些入射光线转换为平行光传输至分色镜，分色镜将红外成像波段的光线分离并导入红外后成像单元进行成像，同时将单光子光线导向单光子后接收单元以进行距离测量，此外，单光子发射单元负责发射测距激光。本发明解决了现有光测设备自动跟踪精度低导致的单光子测距准确性差的问题，具有测量精度高、作用距离远、体积小等特点，并将其安装在经纬仪上，通过单台光电经纬仪即可实现对远距离运动目标的精确跟踪、定位与测量。

Description

一种远距离红外成像与测距装置及其应用

技术领域

本发明涉及光电测量技术领域，具体提供一种远距离红外成像与测距装置及其应用。

背景技术

光电经纬仪利用光学成像采集飞行目标信息，是测量、记录各种机动目标飞行轨迹、瞬时位置、姿态变化的重要手段。传统光电经纬仪不能直接测量目标的距离，需要用两台及以上光电经纬仪同时对同一目标进行交汇测量。为了实现单台光电经纬仪对飞行目标的定位测量，经纬仪可以加装激光测距机，测距机可实时提供目标的距离信息，结合经纬仪测角数据经计算机处理后能够得到飞行目标的信息参数。但是，激光测距机作用距离较小，通常为十几公里以下，限制了单站光电经纬仪的应用范围。

近年来，单光子测距技术得到了快速发展，单光子探测器具备光子量级的探测灵敏度，探测能力明显提高。单光子测距雷达可在激光回波能量极低的条件下实现远距离目标的距离探测。单光子测距雷达与具有200mm以上通光口径的红外成像光电经纬仪结合使用，是实现单台光电经纬仪对百公里外飞行目标进行定位测量的有效途径。由于单光子测距雷达视场较小，一般为100~300微弧度，而经纬仪自动跟踪误差相对较大，为单光子激光雷达视场的1~3倍，这就导致单光子测距雷达发射出去的光子很难回到单光子探测器上，测距有效性不能保证；另外，受系统体积、重量的限制，单光子测距雷达的通光口径相比经纬仪的成像系统光学口径更小，无法与红外成像系统上百公里的探测距离相匹配，这是制约单光子测距技术应用到光电经纬仪上的重要因素。

因此，亟需研制一种适用于光电经纬仪、既能对远距离飞行目标（百公里以上）进行稳定跟踪，又能够精确测距和成像的装置。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种远距离红外成像与测距装置及其应用，采用独特的共口径分光结构，红外成像和单光子共用一套主光学系统，解决了单光子测距装置无法与红外成像系统上百公里的探测距离相匹配的问题，将其安装在光电经纬仪上，通过单台光电经纬仪实现了高精度、远距离远（≥100km）的目标探测。

本发明提供的远距离红外成像与测距装置，包括：

主口径反射镜组、红外后成像单元、单光子后接收单元、分色镜和单光子发射单元、第一快速反射镜、第二快速反射镜和精跟踪控制系统；

其中，主口径反射镜组为离轴反射式结构，用于接收单光子和红外成像波段的入射光线，并将入射光线处理为平行光线，平行光线沿光路传输至分色镜；分色镜用于将平行光线中红外成像波段光线射入红外后成像单元进行红外成像，将单光子光线射入单光子后接收单元进行单光子测距；

单光子发射单元用于发射测距激光；

所述第一快速反射镜设置在主口径反射镜组至分色镜的光路上，用于将平行光线反射至分色镜上；第一快速反射镜的偏转角度可调整；

第二快速反射镜设置在单光子发射单元发射的测距激光的光路上，用于将测距激光反射至目标，测距激光被第二快速反射镜反射后的光线光轴与主口径反射镜组通光孔径轴线在初始安装位置成0°夹角；第二快速反射镜的偏转角度可调整；

所述第二快速反射镜的偏转频率、偏转角度与第一快速反射镜的偏转频率、偏转角度相同；

精跟踪控制系统包括红外图像处理板、精跟踪控制板和驱动器；

其中，红外图像处理板用于提取红外后成像单元视场内目标的特征点或特征区域，根据目标的特征点或特征区域计算跟踪点坐标，并结合参考点坐标计算跟踪脱靶量；

精跟踪控制板依据跟踪脱靶量计算第一快速反射镜的偏转控制量，再通过驱动器控制第一快速反射镜和第二快速反射镜进行同步偏转。

优选的，主口径反射镜组的通光孔径大于或等于200毫米。

优选的，沿入射光线的光路，主口径反射镜组至少依次包括主反射镜、次级反射镜、三级反射镜和四级反射镜，主反射镜的反射面面型为凹面抛物面；次级反射镜的反射面面型为凸面双曲面；三级反射镜的反射面面型为平面；四级反射镜的反射面面型为凹面抛物面。

优选的，主反射镜的反射面中心到反射面焦点的连线与主口径反射镜组的通光口径轴线成夹角，且；次级反射镜的反射面中心到反射面焦点的连线与主口径反射镜组的通光口径轴线成夹角，且；三级反射镜的反射面法线与主口径反射镜组的通光口径轴线成夹角，且；四级反射镜的反射面中心到反射面焦点的连线与主口径反射镜组的通光口径轴线的垂线成夹角，且。

优选的，沿红外成像波段光线的光路，红外后成像单元依次包括二次成像镜组和第一探测器。

优选的，次级反射镜、三级反射镜和四级反射镜均放置在主反射镜的通光孔径所在圆外侧。

一种远距离红外成像与测距装置的应用，将远距离红外成像与测距装置安装在光电经纬仪、转台、光电望远镜或光电吊舱上，以实现对目标的跟踪、成像和测距。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明通过共口径分光结构实现了红外成像和单光子测距共用主光学系统（主口径反射镜组），提高了单光子探测的有效光学口径，并增加了单光子测距的作用距离，有效解决了现有技术中单光子测距装置的通光口径与光电经纬仪的探测距离不匹配的问题；此外，共口径设计可以有效保证单光子入射光的光轴和红外成像波段入射光的光轴具有极高的平行度。

本发明的主口径反射镜组采用离轴反射式三光合一的光学结构，通过折叠光路有效压缩了系统尺寸，提高了结构紧凑度；同时，离轴反射式系统有效解决了透射式系统共用多波段光学材料不足以及透镜尺寸过大的问题，又避免了传统同轴折反式光学系统的中心遮拦造成的能量损失。此外，离轴反射式系统在中间具有像面，更便于检测和装调，也能够有效压缩进入各光学单元的光束直径。

本发明设置有精跟踪控制系统，可以将其安装到光电经纬仪上，实现对远距离（≥100km）运动目标的稳定跟踪、实时成像和定位测量，大幅提高了现有光电经纬仪的使用效能；红外成像单元与单光子测距单元共用第一快速反射镜，单光子发射单元的第二快速反射镜通过与第一快速反射镜的同步控制，使单光子发射单元与单光子测距单元的光轴平行度始终能保持在100微弧度以内，有效保证了单光子测距单元回波探测的准确性。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的远距离红外成像与测距装置的外观结构图；

图2是根据本发明实施例提供的远距离红外成像与测距装置的光学结构图；

图3是根据本发明实施例提供的单光子发射单元的结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的精跟踪控制系统的控制原理图。

其中的附图标记包括：

主口径反射镜组1、主反射镜101、次级反射镜102、三级反射镜103、四级反射镜104、一次像面105、红外后成像单元2、单光子后接收单元3、第一快速反射镜4、分色镜5、反射镜6、单光子发射单元7、激光器701、扩束透镜组702、窗口玻璃703、第二快速反射镜8、箱体9。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1和2所示，本发明实施例提供了一种远距离红外成像与测距装置，包括安装在箱体9内部的主口径反射镜组1、红外后成像单元2、单光子后接收单元3、第一快速反射镜4、分色镜5、反射镜6、单光子发射单元7和第二快速反射镜8；其中，主口径反射镜组1为本发明装置的主光学系统，主口径反射镜组1采用离轴反射式光学结构，其通光孔径大于或等于200毫米，用于接收单光子和红外成像波段的入射光线。上述红外成像波段为3.7~4.8微米或7~9.5微米；单光子波长为1550纳米、1570纳米或1064纳米。主口径反射镜组1用于将接收到的入射光线进行多次反射处理成平行光线，优选设计为3次或4次反射，基于反射次数和对出射光线的要求，在本实施例中，沿入射光线的传输光路依次设置主反射镜101、次级反射镜102、三级反射镜103和四级反射镜104，组成主口径反射镜组1，从空间布局上看，从主反射镜101开始，按顺时针方向，依次设置三级反射镜103、次级反射镜102和四级反射镜104，入射光线由主反射镜101射入主口径反射镜组1，主反射镜101的反射面面型为凹面抛物面，主反射镜101的反射面中心到反射面焦点的连线与主口径反射镜组1的通光口径轴线成夹角，要求。入射光线被主反射镜101反射至次级反射镜102，次级反射镜102的反射面面型为凸面双曲面，其反射面同时朝向主反射镜101和三级反射镜103，次级反射镜102的反射面中心到反射面焦点的连线与主口径反射镜组1的通光口径轴线成夹角，要求。入射光线再被次级反射镜102反射至三级反射镜103，三级反射镜103的反射面面型为平面，其反射面同时朝向次级反射镜102和四级反射镜104，三级反射镜103的反射面的法线与主口径反射镜组1的通光口径轴线成夹角，要求，优选为45°。入射光线再被三级反射镜103反射至四级反射镜104，在三级反射镜103和四级反射镜104之间存在一次像面105，一次像面105的轴上点成完整像，该一次像面105在三级反射镜103至四级反射镜104的前半段或后半段光路上，需要一次像面105与三级反射镜103反射面中心之间存在一定距离。四级反射镜104的反射面面型为凹面抛物面，四级反射镜104的反射面中心到反射面焦点的连线与主口径反射镜组1的通光口径轴线的垂线成夹角，要求。此外，对于主反射镜101、次级反射镜102、三级反射镜103和四级反射镜104之间的距离，要求次级反射镜102、三级反射镜103和四级反射镜104均放置在主反射镜101的通光孔径所在圆的外侧。

入射光线经过主口径反射镜组1多次反射后变成平行光线，此时平行光线的光轴与入射光线射入主口径反射镜组1时的光轴相互垂直。平行光线由四级反射镜104反射至第一快速反射镜4，第一快速反射镜4设置在主口径反射镜组1至分色镜5的光路上，第一快速反射镜4连接有偏转机构、驱动电机和驱动器，通过偏转机构可以带动第一快速反射镜4在横向和纵向两个相互垂直的方向上做偏转运动，即绕除反射镜面的法线以外的其他两个坐标轴做偏转运动。第一快速反射镜4的反射面为平面，第一快速反射镜4的初始安装位置为倾斜45°，用于将平行光线反射至分色镜5上，分色镜5为平行平板玻璃，其在光学系统中的空间位置和角度是不变的，平行光线经过分色镜5后，其中的红外成像波段光线透射进入红外后成像单元2。

红外后成像单元2主要用于对目标进行实时的红外成像，沿红外成像波段光线的传播光路，依次设置有二次成像镜组和第一探测器。在本实施例中，二次成像镜组为透镜组，采用摄远二次成像结构，用于保证冷阑匹配，降低杂散辐射影响，此外，为了提高红外成像效果，二次成像镜组还包括现有的调焦机构、变倍机构和/或可变光阑等。

平行光线中的单光子光线被反射至反射镜6，反射镜6在光学系统中的空间位置和角度是不变的，反射镜6用于将单光子光线反射进入单光子后接收单元3，单光子后接收单元3主要用于对目标进行定位测距，单光子后接收单元3具体可采用常规的单光子测距装置即可，主要通过透镜组和第二探测器等装置对目标实现测距。

如图3所示，单光子发射单元7用于发射单光子测距所需的单光子激光，单光子发射单元7由激光器701、扩束透镜组702和窗口玻璃703组成，通过激光器701发射单光子激光，再经过扩束透镜组702进行扩束后形成平行光，该平行光先由第二快速反射镜8反射改变传播方向，再通过设置在箱体9的外壳上的窗口玻璃703射向目标。第二快速反射镜8反射面为平面，第二快速反射镜8初始安装位置为倾斜45°。经第二快速反射镜8反射后的光线光轴与主口径反射镜组1通光孔径轴线在初始安装位置成0°夹角。

第二快速反射镜8在结构上与第一快速反射镜4相同，也连接有一个单独的偏转机构、驱动电机和驱动器，通过该偏转机构可以带动第二快速反射镜8在横向和纵向两个相互垂直的方向上做偏转运动，即绕除反射镜面法线以外的其他两个坐标轴做偏转运动。第一快速反射镜4和第二快速反射镜8的偏转运动采用同步控制方法，以相同的偏转频率和偏转角度做偏转运动。

此外，本发明实施例的远距离红外成像与测距装置还包括精跟踪控制系统，精跟踪控制系统由红外图像处理板、精跟踪控制板和驱动器构成，如图4所示，结合红外成像和单光子测距过程，对精跟踪控制系统的控制过程进行描述如下：

首先，由单光子发射单元7发射用于测距的测距激光，测距激光射向目标，测距激光被目标反射，测距激光被目标反射的回波即为单光子入射光线，红外、单光子以及其他波段光线经主反射镜101射入主口径反射镜组1，经过主口径反射镜组1、第一快速反射镜4和分色镜5处理后，红外成像波段光线射入红外后成像单元2进行红外成像，红外图像处理板对红外后成像单元2视场内捕获的目标红外图像进行特征点或特征区域的提取，根据目标的特征点或特征区域计算跟踪点坐标，并计算其与参考点坐标之间的偏差形成脱靶量；精跟踪控制板接收图像处理板的目标脱靶量，再通过驱动器采集第一快速反射镜4和第二快速反射镜8的位置反馈信号，经过坐标变换、数据插值、闭环控制计算第一快速反射镜4的控制量，该控制量同时输出至第一快速反射镜4驱动器和第二快速反射镜8驱动器，两个驱动器分别驱动第一快速反射镜4和第二快速反射镜8的驱动电机，通过驱动电机带动偏转机构，使第一快速反射镜4和第二快速反射镜8按照一定频率和偏转角度偏转，第一快速反射镜4和第二快速反射镜8同时做偏转运动，且偏转频率和偏转角度相同。单光子光线经过主口径反射镜组1、第一快速反射镜4和分色镜5处理后，最后进入单光子后接收单元3，并通过单光子后接收单元3对目标进行单光子测距。

本发明实施例提供的远距离红外成像与测距装置具有测量精度高、作用距离远（≥100km）、体积小等特点，因此可以将其安装在光电经纬仪、转台、光电望远镜或光电吊舱上，以实现对目标的跟踪、成像和测距。在实际应用和测试过程中，将远距离红外成像与测距装置安装到光电经纬仪设备上使用时，既能实现精跟踪视场内目标成像稳定，又修正了经纬仪自动跟踪时带来的偏差，经测试最大跟踪误差600微弧度左右；并且由于红外成像和单光子测距共用主口径反射镜组1作为主光学系统，并且第一快速反射镜4和第二快速反射镜8采用同步控制方法，单光子回波进行测距的单光子光线的光轴稳定精度能够达到100微弧度以下，提高了单光子发射光路光轴与单光子回波光路光轴的平行度，有效提高了单光子激光回波探测的准确性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种远距离红外成像与测距装置，其特征在于，包括：主口径反射镜组、红外后成像单元、单光子后接收单元、分色镜、单光子发射单元、第一快速反射镜、第二快速反射镜和精跟踪控制系统；

其中，所述主口径反射镜组为离轴反射式结构，用于接收单光子和红外成像波段的入射光线，并将所述入射光线进行4次反射处理为平行光线，所述平行光线沿光路传输至所述分色镜；沿所述入射光线的光路，所述主口径反射镜组至少依次包括主反射镜、次级反射镜、三级反射镜和四级反射镜，所述次级反射镜、所述三级反射镜和所述四级反射镜均放置在所述主反射镜的通光孔径所在圆外侧，在三级反射镜和四级反射镜之间存在一次像面，一次像面的轴上点成完整像；所述分色镜用于将所述平行光线中的红外成像波段光线射入所述红外后成像单元进行红外成像，将单光子光线射入所述单光子后接收单元进行单光子测距；所述红外成像波段为3.7~4.8微米或7~9.5微米；

所述主反射镜的反射面面型为凹面抛物面；所述次级反射镜的反射面面型为凸面双曲面；所述三级反射镜的反射面面型为平面；所述四级反射镜的反射面面型为凹面抛物面；

所述主反射镜的反射面中心到反射面焦点的连线与所述主口径反射镜组的通光口径轴线成夹角，且；所述次级反射镜的反射面中心到反射面焦点的连线与所述主口径反射镜组的通光口径轴线成夹角，且；所述三级反射镜的反射面法线与所述主口径反射镜组的通光口径轴线成夹角，且；所述四级反射镜的反射面中心到反射面焦点的连线与所述主口径反射镜组的通光口径轴线的垂线成夹角，且；

所述单光子发射单元用于发射测距激光；

所述第一快速反射镜设置在所述主口径反射镜组至所述分色镜的光路上，用于将所述平行光线反射至所述分色镜上；所述第一快速反射镜的偏转角度可调整；

所述第二快速反射镜设置在所述单光子发射单元发射的测距激光的光路上，用于将测距激光反射至目标，测距激光被所述第二快速反射镜反射后的光线光轴与所述主口径反射镜组通光孔径轴线在初始安装位置成0°夹角；所述第二快速反射镜的偏转角度可调整；

所述第二快速反射镜的偏转频率、偏转角度与所述第一快速反射镜的偏转频率、偏转角度相同；

所述精跟踪控制系统包括红外图像处理板、精跟踪控制板和驱动器；

其中，所述红外图像处理板用于提取所述红外后成像单元视场内目标的特征点或特征区域，根据目标的特征点或特征区域计算跟踪点坐标，并结合参考点坐标计算跟踪脱靶量；

所述精跟踪控制板依据跟踪脱靶量计算所述第一快速反射镜的偏转控制量，再通过所述驱动器控制所述第一快速反射镜和所述第二快速反射镜进行同步偏转。

2.如权利要求1所述的远距离红外成像与测距装置，其特征在于，所述主口径反射镜组的通光孔径大于或等于200毫米。

3.如权利要求1所述的远距离红外成像与测距装置，其特征在于，沿红外成像波段光线的光路，所述红外后成像单元依次包括二次成像镜组和第一探测器。

4.一种远距离红外成像与测距装置的应用，其特征在于，将所述权利要求1至3任意一项所述的远距离红外成像与测距装置安装在光电经纬仪、转台、光电望远镜或光电吊舱上，以实现对目标的跟踪、成像和测距。