一种双振镜关联成像光学系统及成像方法

技术领域

本发明涉及一种关联成像光学系统及成像方法，特别涉及一种双振镜关联成像光学系统及成像方法。

背景技术

激光强度关联成像是一种结合光场空间涨落特性和现代信息论的全新成像体制，其成像效果和分辨率无关，由此可在探测时采用凝视成像模式捕获运动目标对其进行高分辨率成像探测。激光强度关联成像只需要一个无空间分辨率的单像素探测器接收目标的反射光，可极大的提升探测灵敏度；此外，在成像过程中运用先验约束，可突破奈奎斯特定理对采样次数的要求，大幅度提高信息获取率。

目前，真实大气环境下的激光强度关联成像光学系统中，多采用多次测量的凝视成像方法，其数据采集时间长，无法达到实时成像，所以目标与系统的相对运动会导致成像分辨率下降，成像模糊，进而在对动态目标跟踪过程中因成像模糊会带来编码光匹配及探测能力下降的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双振镜关联成像光学系统及成像方法，以解决采用现有激光强度关联成像光学系统在对动态目标跟踪过程中因成像模糊带来的编码光匹配及探测能力下降的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种双振镜关联成像光学系统，其特殊之处在于：

包括发射端和接收端；

所述发射端包括沿光路依次设置的汇聚镜组、编码板、第一分光镜、设置在第一分光镜透射光路上的参考成像镜组，以及依次设置在第一分光镜反射光路上的发射镜组和第一振镜；

所述编码板设置在汇聚镜组的像面位置处；

所述发射端用于实现：由所述汇聚镜组将入射的平行激光光束进行汇聚，照射到编码板上进行编码，然后将得到的编码激光经由第一分光镜分为两路，一路经所述参考成像镜组，用于成像到参考相机，得到参考相机像，另一路依次经所述发射镜组准直、第一振镜反射后，照射到目标上；

所述接收端包括沿光路依次设置的主光学系统、准直镜组、第二振镜、汇聚成像镜组以及第二分光镜；

所述第一振镜与第二振镜联动设置，以实现发射端与接收端持续共光轴，保证发射端中经所述第一振镜反射后的编码激光稳定照射在目标上；

所述第二分光镜位于汇聚成像镜组的像面前方处；

所述接收端用于实现：接收目标反射的太阳光和发射端照射到目标上经目标反射的编码激光；经由所述主光学系统汇聚，得到一次像；接着将得到的所述一次像经由准直镜组缩束准直为平行光；再依次经由所述第二振镜反射、汇聚成像镜组聚成像，得到二次像；将得到的所述二次像经由第二分光镜分为两路：一路为可见光像面，用于成像到可见光相机，得到可见光相机像，以对目标进行跟瞄；另一路为编码激光像面，用于成像到PMT相机，得到PMT相机像；该PMT相机像将和所述参考相机像匹配，实现编码关联成像。

进一步地，为了能够对光路进行折叠，使发射端尺寸较小，重量较轻，并且无中心遮拦，所述汇聚镜组为离轴两反汇聚镜组；

所述发射镜组为将所述汇聚镜组翻面，然后逆时针旋转90°得到的结构。

进一步地，为了不但能够得到良好的参考相机像，而且可以使发射端结构形式简单，并且能够实现无热化设计，消除温度变化对光学系统的影响，所述参考成像镜组为透射式参考成像镜组；

所述参考成像镜组包括沿光路依次设置的双凸正光焦度透镜和弯向像面的弯月正光焦度透镜。

进一步地，为了缩小发射端的横向尺寸，所述发射端还包括第一平面折轴反射镜；

所述第一平面折轴反射镜沿光路设置在所述参考成像镜组的出射光一侧，且所述第一平面折轴反射镜的反射面与所述参考成像镜组的光轴夹角为45°，以使参考成像镜组的出射光折轴90°后再成像到参考相机。

进一步地，为了使接收端尺寸紧凑，易于加工制造，后续成像性能良好，所述主光学系统包括沿光路依次设置的保护窗口和卡塞格林主光学镜组；

所述保护窗口为无光焦度的平面保护玻璃，用于将所述接收端密封；

所述卡塞格林主光学镜组包括凹抛物面主镜和凸双曲面次镜；

所述凹抛物面主镜为所述接收端的入瞳，用于将接收到的平行于光轴的目标反射的太阳光和发射端照射到目标上经目标反射的编码激光汇聚到自身焦点处；

所述凸双曲面次镜位于所述保护窗口和凹抛物面主镜之间，且凸双曲面次镜的一个焦点与凹抛物面主镜焦点重合；所述凸双曲面次镜用于将经凹抛物面主镜后的入射光汇聚到凸双曲面次镜的另一个焦点位置处，得到一次像。

进一步地，为了缩小接收端的横向尺寸和纵向尺寸，进而使接收端整体体积较小，所述接收端还包括第二平面折轴反射镜、第三平面折轴反射镜以及第四平面折轴反射镜；

所述第二平面折轴反射镜、第三平面折轴反射镜沿光路依次设置在所述主光学系统和准直镜组之间；所述第二平面折轴反射镜的反射面与所述主光学系统光轴夹角为45°；所述第三平面折轴反射镜的反射面与第二平面折轴反射镜的反射面相向设置，且两个反射面成90°夹角；所述第二平面折轴反射镜和第三平面折轴反射镜联合作用，用于使所述一次像折转到与主光学系统光轴平行的二层处，以压缩所述接收端的横向尺寸；

所述第四平面折轴反射镜沿光路设置在所述准直镜组和第二振镜之间，且其反射面与所述准直镜组光轴的夹角为45°；所述第四平面折轴反射镜和第二振镜联合作用，用于使第二振镜出射光的光轴平行于所述主光学系统的光轴，以压缩所述接收端的纵向尺寸。

进一步地，所述准直镜组包括沿光路依次设置的弯向像面的第一正光焦度弯月透镜、弯向物面的第一负光焦度弯月透镜、弯向物面的第二正光焦度弯月透镜以及弯向物面的第二负光焦度弯月透镜。

进一步地，为了既能实现功能，又使结构简单，所述汇聚成像镜组包括沿光路依次设置的弯向像面的第三正光焦度弯月透镜、弯向像面的第三负光焦度弯月透镜、弯向像面的第四负光焦度弯月透镜、弯向像面的第四正光焦度弯月透镜以及弯向像面的第五正光焦度弯月透镜。

进一步地，所述入射的平行激光光束的口径小于等于70mm，激光波段为1064nm波段。这样，可以采用光纤激光器获取入射到发射端的平行激光光束。

同时，本发明还提供了一种双振镜关联成像方法，其特殊之处在于：基于上述的双振镜关联成像光学系统，包括以下步骤：

步骤一：将平行激光光束入射到发射端；然后经由发射端中汇聚镜组汇聚，照射到编码板上进行编码，然后将得到的编码激光经由第一分光镜分为两路，一路经参考成像镜组，用于成像到参考相机，得到参考相机像，另一路依次经发射镜组准直、第一振镜反射后，照射到目标上；

步骤二：通过目标反射太阳光和步骤一中发射端照射到目标上的编码激光；

步骤三：采用接收端接收目标反射的太阳光和发射端照射到目标上经目标反射的编码激光；然后接收到的该太阳光和该编码激光经由接收端中主光学系统汇聚，得到一次像；接着得到的所述一次像经由准直镜组缩束准直为平行光；再然后依次经由第二振镜反射、汇聚成像镜组汇聚成像，得到二次像；得到的所述二次像经由第二分光镜分为两路：一路为可见光像面，用于成像到可见光相机，得到可见光相机像，以对目标进行跟瞄；另一路为编码激光像面，用于成像到PMT相机，得到PMT相机像；

步骤四：判断步骤三中得到的所述可见光相机像是否位于靶面中心，若是，则保持第二振镜和第一振镜的角度位置不变；若否，则调整第二振镜的角度位置使所述可见光相机像位于靶面中心，同时联动调整第一振镜的角度，使发射端与接收端共光轴；

步骤四：PMT相机获取PMT相机像；

步骤五：将步骤四中获取的所述PMT相机像与步骤一中得到的所述参考相机像匹配，实现编码关联成像，工作结束。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的双振镜关联成像光学系统，其发射端实现模块化的激光汇聚、激光编码、编码激光发射及编码激光经参考成像镜组二次成像，得到参考相机像，各模块结构紧凑，具有良好的成像质量；其接收端为可见光与激光双波段光学系统，亦采用模块化设计，保证第二振镜工作时依旧保持理想成像，通过第二振镜实现1″级高精度复合跟踪，通过第一振镜和第二振镜联动，实现发射端与接收端光轴指向一致，保证发射端中经第一振镜反射后的编码激光稳定照射在目标上，进而实现将发射端照射到目标上的编码激光像实时、良好的成像在PMT相机中心，得到实时、清晰的PMT相机像；后续将得到的实时、清晰的PMT相机像和参考相机像匹配，实现编码关联成像，使探测能力提高；因此，本发明解决了采用现有激光强度关联成像光学系统在对动态目标跟踪过程中因成像模糊带来的编码光匹配及探测能力下降的技术问题。本发明的双振镜关联成像光学系统，可用于对动态目标跟踪过程中的激光强度关联成像，提高了探测能力。

(2)本发明的双振镜关联成像光学系统中的发射端采用无热化设计，消除了温度变化对光学系统的影响。

(3)本发明的双振镜关联成像光学系统中的接收端中采用二次像设计，这样易于进行光瞳匹配，保证模块化设计，复杂系统可单独装调检测，便于实现各模块功能。

(4)本发明的双振镜关联成像光学系统中的发射端和接收端，均采用模块化设计、系统结构紧凑、易于装调、成像质量好；并且采用了多个平面折轴反射镜，以缩减发射端和接收端的横向和纵向尺寸，使发射端和接收端体积小，重量轻。

附图说明

图1是本发明实施例中发射端的光学系统光路图；

图2是本发明实施例中发射端的发射编码激光光路的波前差图；

图3是本发明实施例中发射端的编码激光经参考成像镜组二次成像光路的波前差图；

图4是本发明实施例中发射端的编码激光经参考成像镜组二次成像光路不同温度传递函数图，其中：

(a)是-20℃；

(b)是+60℃；

图5是本发明实施例中接收端的光学系统光路图；

图6是采用本发明实施例的双振镜关联成像光学系统，在空间频率为36lp/mm条件下，第二振镜零位时，可见光复合跟踪光路MTF曲线图；

图7是采用本发明实施例的双振镜关联成像光学系统，在空间频率为36lp/mm条件下，第二振镜角度5′时，可见光复合跟踪光路MTF曲线图；

图8是采用本发明实施例的双振镜关联成像光学系统，在入射到发射端的平行激光光束的波段为1064nm波段条件下，接收端中编码激光成像光路MTF曲线图。

图中各标号的说明如下：

01-汇聚镜组，1-第一离轴凹抛物面反射镜，2-第一离轴凸双曲面反射镜，3-编码板，4-第一分光镜，02-发射镜组，5-第二离轴凸双曲面反射镜，6-第二离轴凹抛物面反射镜，7-第一振镜，03-参考成像镜组，8-双凸正光焦度透镜，9-弯月正光焦度透镜，10-第一平面折轴反射镜，04-主光学系统，11-保护窗口，041-卡塞格林主光学镜组，12-凹抛物面主镜，13-凸双曲面次镜，0411-凹抛物面主镜内遮光罩，0412-凸双曲面次镜内遮光罩，14-第二平面折轴反射镜，15-第三平面折轴反射镜，05-准直镜组，16-第一正光焦度弯月透镜，17-第一负光焦度弯月透镜，18-第二正光焦度弯月透镜，19-第二负光焦度弯月透镜，20-第四平面折轴反射镜，21-第二振镜，06-汇聚成像镜组，22-第三正光焦度弯月透镜，23-第三负光焦度弯月透镜，24-第四负光焦度弯月透镜，25-第四正光焦度弯月透镜，26-第五正光焦度弯月透镜，27-第二分光镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1和图5，本发明一种双振镜关联成像光学系统，包括发射端和接收端。

参见图1，上述发射端包括沿光路依次设置的汇聚镜组01、编码板3、第一分光镜4、设置在第一分光镜4透射光路上的参考成像镜组03，以及依次设置在第一分光镜4反射光路上的发射镜组02和第一振镜7；上述编码板3设置在汇聚镜组01的像面位置处；上述发射端用于实现：由汇聚镜组01将入射的平行激光光束进行汇聚，照射到编码板3上进行编码，然后将得到的编码激光经由第一分光镜4分为两路，一路经参考成像镜组03，用于成像到参考相机，得到参考相机像，另一路依次经发射镜组02准直、第一振镜7反射后，照射到目标上。

参见图5，上述接收端包括沿光路依次设置的主光学系统04、准直镜组05、第二振镜21、汇聚成像镜组06以及第二分光镜27；上述第一振镜7与第二振镜21联动设置，以实现发射端与接收端持续共光轴，保证发射端中经第一振镜7反射后的编码激光稳定照射在目标上；上述第二分光镜27位于汇聚成像镜组06的像面前方处；上述接收端用于实现：接收目标反射的太阳光和发射端照射到目标上经目标反射的编码激光；经由主光学系统04汇聚，得到一次像；接着将得到的一次像经由准直镜组05缩束准直为平行光；再依次经由第二振镜21反射、汇聚成像镜组06汇聚成像，得到二次像；将得到的二次像经由第二分光镜27分为两路：一路为可见光像面，用于成像到可见光相机，得到可见光相机像，以对目标进行跟瞄；另一路为编码激光像面，用于成像到PMT相机，得到PMT相机像；该PMT相机像将和上述参考相机像匹配，实现编码关联成像。

本实施例中，上述入射的平行激光光束的口径小于等于70mm，激光波段为1064nm波段。之所以激光波段采用1064nm波段，是因为这样可以采用光纤激光器获取入射到发射端的平行激光光束，获取简便。

参见图1，为了能够对光路进行折叠，使发射端尺寸较小，重量较轻，并且无中心遮拦，本实施例中上述汇聚镜组01为离轴两反汇聚镜组；上述汇聚镜组01包括沿光路依次设置的第一离轴凹抛物面反射镜1和第一离轴凸双曲面反射镜2。入射的平行激光光束经由第一离轴凹抛物面反射镜1汇聚，然后再经由第一离轴凸双曲面反射镜2汇聚在一次像面位置处。上述发射镜组02为将汇聚镜组01翻面，然后逆时针旋转90°得到的结构。发射镜组02包括沿光路依次设置的第二离轴凸双曲面反射镜5和第二离轴凹抛物面反射镜6。本实施例的双振镜关联成像光学系统，其发射端中汇聚镜组01和发射镜组02均采用离轴两反设计，焦距为1800mm，口径为70mm。

参见图1，为了不但能够得到良好的参考相机像，而且可以使发射端结构形式简单，并且能够实现无热化设计，消除温度变化对光学系统的影响，本实施例中上述参考成像镜组03为透射式参考成像镜组；参考成像镜组03包括沿光路依次设置的双凸正光焦度透镜8和弯向像面的弯月正光焦度透镜9。本实施例中的双凸正光焦度透镜8和弯月正光焦度透镜9均为石英材质透镜。本实施例中参考成像镜组03的倍率为1.2倍，编码激光经参考成像镜组03后，将经汇聚镜组01汇聚得到的像放大了1.2倍。本实施例中，为了缩小发射端的横向尺寸，上述发射端还包括第一平面折轴反射镜10；第一平面折轴反射镜10沿光路设置在参考成像镜组03的出射光一侧，且第一平面折轴反射镜10的反射面与参考成像镜组03的光轴夹角为45°，以使参考成像镜组03的出射光折轴90°后再成像到参考相机。

如图2和图3所示，发射端两路光学系统，其中发射编码激光光路的波前差为0.0032λ，编码激光经参考成像镜组二次成像光路的波前差为0.0248λ，具有较好的成像质量，满足对激光编码发射的要求。如图4中(a)和(b)所示，发射端采用无热化设计，编码激光经参考成像镜组二次成像光路在空间频率为20lp/mm处，-20℃与+60℃的MTF曲线均接近衍射极限，温度适应性较好，系统性能不受温度变化影响。

图5是本发明实施例中接收端的光学系统光路图。本实施例中接收端为可见光及1064nm激光双波段共孔径接收端光学系统，采用二次像结构形式，模块化设计。

参见图5，本实施例中，为了使接收端尺寸紧凑，易于加工制造，后续成像性能良好，上述主光学系统04包括沿光路依次设置的保护窗口11和卡塞格林主光学镜组041；保护窗口11为无光焦度的平面保护玻璃，用于将接收端密封；卡塞格林主光学镜组041包括凹抛物面主镜12和凸双曲面次镜13；凹抛物面主镜12为接收端的入瞳，用于将接收到的平行于光轴的目标反射的太阳光和发射端照射到目标上经目标反射的编码激光汇聚到自身焦点处；凸双曲面次镜13位于保护窗口11和凹抛物面主镜12之间，且凸双曲面次镜13的一个焦点与凹抛物面主镜12焦点重合；凸双曲面次镜13用于将经凹抛物面主镜12后的入射光汇聚到凸双曲面次镜13的另一个焦点位置处，得到一次像。在上述凹抛物面主镜12和凸双曲面次镜13之间且位于凹抛物面主镜12一端的位置设置有凹抛物面主镜内遮光罩0411；在上述凹抛物面主镜12和凸双曲面次镜13之间且位于凸双曲面次镜13一端的位置设置有凸双曲面次镜内遮光罩0412。

本实施例中，为了缩小接收端的横向尺寸和纵向尺寸，进而使接收端整体体积较小，参见图5，上述接收端还包括第二平面折轴反射镜14、第三平面折轴反射镜15以及第四平面折轴反射镜20；第二平面折轴反射镜14、第三平面折轴反射镜15沿光路依次设置在上述主光学系统04和准直镜组05之间；第二平面折轴反射镜14的反射面与主光学系统04光轴夹角为45°；第三平面折轴反射镜15的反射面与第二平面折轴反射镜14的反射面相向设置，且两个反射面成90°夹角；第二平面折轴反射镜14和第三平面折轴反射镜15联合作用，用于使上述一次像折转到与主光学系统04光轴平行的二层处，以压缩接收端的横向尺寸；第四平面折轴反射镜20沿光路设置在上述准直镜组05和第二振镜21之间，且其反射面与准直镜组05光轴的夹角为45°；第四平面折轴反射镜20和第二振镜21联合作用，用于使第二振镜21出射光的光轴平行于上述主光学系统04的光轴，以压缩接收端的纵向尺寸。这样，接收端的总体体积减小。本实施例中，上述准直镜组05包括沿光路依次设置的弯向像面的第一正光焦度弯月透镜16、弯向物面的第一负光焦度弯月透镜17、弯向物面的第二正光焦度弯月透镜18以及弯向物面的第二负光焦度弯月透镜19。本实施例中，第一正光焦度弯月透镜16和第一负光焦度弯月透镜17的材料牌号均为HZF7，第二正光焦度弯月透镜18的材料牌号为HZK10，第二负光焦度弯月透镜19的材料牌号为HZF12。上述第四平面折轴反射镜为无光焦度平面反射镜；上述第二振镜为无光焦度平面振镜；上述第一振镜7与第二振镜21通过控制板联动设置。

参见图5，为了既能实现功能，又使结构简单，本实施例中上述汇聚成像镜组06包括沿光路依次设置的弯向像面的第三正光焦度弯月透镜22、弯向像面的第三负光焦度弯月透镜23、弯向像面的第四负光焦度弯月透镜24、弯向像面的第四正光焦度弯月透镜25以及弯向像面的第五正光焦度弯月透镜26。本实施例中，第三正光焦度弯月透镜22和第三负光焦度弯月透镜23的材料牌号均为HZF12，第四负光焦度弯月透镜24的材料牌号为HZK10，第四正光焦度弯月透镜25和第五正光焦度弯月透镜26的材料牌号均为HZF7。经由汇聚成像镜组06汇聚成像，得到的二次像经由第二分光镜27分为两路，一路为可见光像面，另一路为1064nm编码激光像面。

如图6所示，接收端在可见光波段，空间频率为36lp/mm条件下，第二振镜零位时，MTF优于0.43，接近衍射极限，具有较好的成像质量，满足对空间目标观测要求；如图7所示，接收端在可见光波段，空间频率为36lp/mm条件下，第二振镜角度5′时，对应的MTF曲线，与图6中第二振镜零位时的MTF曲线基本一致，采用模块化设计，第二振镜偏转不破坏像差平衡；如图8所示，接收端在1064nm激光波段，空间频率为36lp/mm条件下，第二振镜零位的MTF优于0.19，接近衍射极限，具有较好的成像质量，满足对编码成像需求。

本实施例的双振镜关联成像光学系统，其接收端采用可见光及1064nm激光双波段共孔径设计，焦距为3000mm，通光口径为300mm，适用于1280×1024、像元尺寸14μm×14μm的可见光相机及相同靶面尺寸的PMT相机。

下面是本实施例的光学系统参数，其中：表1是本实施例中发射端的光学系统参数；表2是本实施例中接收端的光学系统参数。

表1：

表2

同时，本发明还提供了一种双振镜关联成像方法，该方法基于上述的双振镜关联成像光学系统，包括以下步骤：

步骤一：将平行激光光束入射到发射端；然后经由发射端中汇聚镜组01汇聚，照射到编码板3上进行编码，然后将得到的编码激光经由第一分光镜4分为两路，一路经参考成像镜组03，用于成像到参考相机，得到参考相机像，另一路依次经发射镜组02准直、第一振镜7反射后，照射到目标上；

步骤二：通过目标反射太阳光和步骤一中发射端照射到目标上的编码激光；

步骤三：采用接收端接收目标反射的太阳光和发射端照射到目标上经目标反射的编码激光；然后接收到的该太阳光和该编码激光经由接收端中主光学系统04汇聚，得到一次像；接着得到的一次像经由准直镜组05缩束准直为平行光；再然后依次经由第二振镜21反射、汇聚成像镜组06汇聚成像，得到二次像；得到的二次像经由第二分光镜27分为两路：一路为可见光像面，用于成像到可见光相机，得到可见光相机像，以对目标进行跟瞄；另一路为编码激光像面，用于成像到PMT相机，得到PMT相机像；

步骤四：判断步骤三中得到的可见光相机像是否位于靶面中心，若是，则保持第二振镜21和第一振镜7的角度位置不变；若否，则调整第二振镜21的角度位置使可见光相机像位于靶面中心，同时联动调整第一振镜7的角度，使发射端与接收端共光轴；

步骤四：PMT相机获取PMT相机像；

步骤五：将步骤四中获取的PMT相机像与步骤一中得到的参考相机像匹配，实现编码关联成像，工作结束。

本发明的双振镜关联成像光学系统，可用于对动态目标跟踪过程中的激光强度关联成像，提高了探测能力。