光电经纬仪中激光测距装置光学系统的设计

1、 收稿日期 :2007-01-25. 光电技术应用光电经纬仪中激光测距装置光学系统的设计孙芳方 1,2, 陈 宁 1, 乔彦峰 1(1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 , 吉林 长春 130033; 2. 中国科学院研究生院 , 北京 100039摘 要 : 阐述了在光电经纬仪上应用激光测距装置的重要性 , 位置 。 分析了激光测距的原理及测距方程 , 统进行了设计 。关键词 : 光电经纬仪 ; 激光测距 ; ; 中图分类号 :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 引言光电经纬仪是用摄影测量或电视测量等方法来确定空间物体相对于地球上某一点位置的光学仪 器 。 早期的光电经纬仪不能实时地输出测量数据 , 只能事后用专用胶片判读仪判读出空间目标的方位 角和高低角 。 由于不能测量目标的距离 , 所以单台 光电经纬仪不能确定空间目标的实际位置 , 需要用 两台以上的光电经纬仪同时对同一目标测量 , 然

5、后 通过计算求出目标的实际位置 。 如果在经纬仪中加 装测距机 , 就可实现使用单台光电经纬仪即可确定 目标位置 。 而激光测距机由于作用距离远 、 测量精 度高 、 测量速度快 、 设备体积小 、 重量轻及抗干扰性 能好等优点 , 已广泛应用于各类型光电经纬仪中 。 这类经纬仪能以厘米级甚至更高精度测定地面和卫 星间的距离 , 可为精密定轨和星地时间同步提供精密观测数据 。 本文对加装在某型号的光电经纬仪上 的激光测距系统的光学系统进行了设计 。2 激光测距原理用激光进行测距是基于激光良好的方向性和单 色性 。 首先对准目标发射激光 , 在被测目标上形成 光斑 , 然后接收由目标反射回来的激

6、光 , 通过测量时 间来测量距离 。 激光测距可以分为连续波相位测距 和脉冲测距两种 。考虑到精度及成本等多方面因 素 , 在系统中采用脉冲测距来测量飞行目标的距离 。 激光脉冲测距是利用测量往返脉冲间隔时间获知距 离 , 测时方法是在确定时间起止点之间用时钟脉冲 填充计数 。设发射激光脉冲功率 、 发散角分别为 P t 和 t , 发射系统 、 接收系统光学透过率分别为 K t 和 K r , 目 标有效反射面积 、 反射率 、 反射光束发散角分别为 A s 、 和 B , 单程大气透过率为 T , 通常假设激光脉878 SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS

7、V ol. 28No. 6Dec. 2007冲能量在 t 内均匀分布 , 这时 , 当目标距离为 R 时 , 对应的接收功率为 P r , 测距方程为P r =222t 2B R 4如果激光为高斯光束 , 则当目标距离为 R , 目标和光 束中心夹角为 时对应的接收功率为 P r , 则测距方 程为P r =222t 2B R 4 exp (-22 t 3 光学系统设计本文设计的激光测距系统的光学系统由发射分 系统和接收分系统组成 , 系统工作时 ,地面上 , , ,望远系统的对正 ,要求 , 我们采用了发射与接收分光路的结构形式 。 3. 1 发射光学系统激光器是脉冲测距系统的光源 , 是测

8、距系统的 关键部件 , 其输出的单脉冲能量的大小 、 脉冲的宽窄 决定系统的测程和测距精度 。 本系统中采用单脉冲 调 Q 激光器 。激光器的光束直径 =12mm , 发散 角为 120" , 单脉冲能量 E 50mJ , 脉冲宽度 =10 15p s , 中心波长 0=0. 532m 。激光器发出的激光并不是绝对平行的 , 都有一 定的发散角 , 如不加任何光学系统向空间发射 , 到达 远处目标的光斑直径就很大 , 单位面积上的能量就 小 , 这样会影响接收装置的接收能量 , 从而影响测距 精度 。 例如 :发散角为 120" 时 , 光束到达 5km 处的 光斑直径 r

9、 为 5×103tan 120" 5×103×0. 6×10-3 =3m 。 若发散角为 240" , 则到达 5km 处的光斑直 径 r 1为 5×103×240" 5×103×1. 2×10-3=6m ,二者的光能量密度比为 :N =r 1×r 1× = 4。由此可见 , 发散角增大一倍 , 到达被测目标的光能量 密度减小 3/4。 所以要在激光器与被测目标之间加 上一个光学系统 , 以达到压缩激光束的发散角 , 缩小 目标处的光斑直径 。而且光学系统

10、的放大倍率越 大 , 光束的发散角越小 , 从而光斑直径越小 , 在反射 和面积一定的情况下 , 由于能量集中 , 单位面积上的 能量密度得到提高 , 反射到接收光学系统的能量就 强 , 测距系统的作用距离就远 。因此为了保证更多 的能量由接收望远镜系统接收 , 必须压缩激光光束 的发散角 , 减小照射到卫星上的激光光斑尺寸 。 在本系统中 , 经纬仪安装在地面上 , 激光器独立 安装在经纬仪的塔台下方 , 而接收系统整体安装在 四通上 , 通过调整垫片实现与主望远系统的对正 , 这 样 , 激光器射出的激光既要通过扩束系统压缩发散 角 , 又要在其间加入反射镜来转折光路 , 使激光器发 射出

11、的激光束经过经纬仪的垂直轴 、 水平轴进入到 接收系统的接收目镜中 。因此 , 我们根据对系统的 总体要求 , , 其中一级扩束系统 倍率为 2倍 , 12mm 扩束到 24 ,6从 24mm 增 加到 144。为了将一级扩束系统出射 , 需要在其间加入 反射镜来转折光路 , 即 Coude 光路 。一 、 二级扩束系统均有两种形式可供选择 :反射 式和透射式 。 采用反射式可以减少光学材料对激光 能量的吸收 , 及热变化对光学元件面形的影响 , 同时 为了不产生中心遮拦 , 必须采用离轴形式 , 这给加 工 、 装调带来了一定的难度 。透射式尽管存在光学 材料对激光能量的吸收及热变化的影响

12、, 但通过选 取低吸收系数和低线胀系数的光学材料 , 可以满足 要求 , 同时这种结构形式有利于加工 、 装调 , 保证精 度 , 且技术成熟 。因此 , 一 、 二级扩束系统均采用伽 利略型 。 发射系统光学系统框图如图 1所示 。图 1 发射系统光学系统框图3. 2 接收光学系统为了尽可能地将目标反射回来的激光能量汇聚 到探测器上 , 而且适当地限制接收视场 , 减小杂散光 的干涉 , 提高接收机的灵敏度和信噪比 , 以及测距系 统的测距精度和作用距离 , 需要在接收系统前加一 个光学系统 。 由于本系统探测距离较远 , 接收光学 系统的口径和焦距都比较大 , 为了使结构紧凑 , 采用 牛

13、顿式光学系统 。 激光回波接收小系统的光学系统 如图 2所示 。接收光学系统口径为 1000mm , 焦距为 10000 (回波接收小系统 , 视场 2w =6 。在接收装置中设计有一些特殊的光学元件 , 这 9 7 8半导体光电 2007年 12月第 28卷第 6期 孙芳方 等 : 光电经纬仪中激光测距装置光学系统的设计 些元件可以提高激光测距系统的性能 , 提高接收机 的灵敏度 , 增大作用距离 , 提高瞄准跟踪精度 , 扩大 增益范围 , 减小体积和增加设计的灵活性 。图 2 接收系统光学系统图在激光测距系统中 , 低以后 , 天空背景噪声将明显地显示出来 , 在白天更 为严重 。 特别

14、是在接收视场大的情况下 , 背景噪声 的影响将会使接收机处于无法工作的状态 。 在激光 测距系统中 , 利用激光信号单色性好的特点 , 可以在 接收机的光学系统中加入滤光片以滤除激光工作波 长以外的背景光 , 这样可以大大提高接收系统的信 噪比 , 因而可以提高测距系统的探测能力 。显然 , 为了尽量降低背景光的噪声 , 滤光片的带 宽越窄越好 , 可是滤光片的透过率也随带宽的减少 而减少 。 更严重的是 , 滤光片的中心波长随时间和 环境温度变化而漂移 。当滤光片带宽太窄时 , 由于 中心波长漂移使激光信号的透过率大大下降 , 甚至 完全不能透过 , 因此滤光片的带宽不宜太窄 。如图 2所示

15、 , 本系统接收光路中加入窄带滤光片和宽带 滤光片 , 以适应白天测距的要求 , 宽带滤光片 、 窄带 滤光片和切换反射镜筒一个整体放置在独立的恒温 场中 , 并能实现相对独立的切换 。图 2中 , 太阳快门置于分光棱镜前 , 利用探测器 自动感知进入系统的光线的强度 , 实现自动开关 ;ICCD 保护快门的作用是在系统不使用 ICCD 时 , 手动将保护快门关闭 ; 由于 C 2SPAD 的接收口径为 0. 2mm , 因此可变光阑的变化范围是 0. 28mm 连续电动变孔径 (手动切换 , 其起到空间滤波的作 用 , 干涉滤光片起到光谱滤波作用 。在它们的共同 作用下 , 杂散光被限制 ,

16、 主要让 532. 0nm 波长的激 光通过 , 因而大大减少天空背景噪声的影响 , 提高接 收系统的信噪比 ; C 2SPAD 保护快门的作用是在系 统不使用 C 2SPAD 时 , 手动将保护快门关闭 。其 中 , 太阳快门 ,ICCD 2SPAD 均采用直流 根据光电经纬仪对其测距系统的性能要求 , 设计了激光测距的光学系统 , 其光路紧凑 , 整个光学结 构简单 、 成像优良 , 能够满足某型号光电经纬仪的使 用要求 , 实现各种复杂条件下的激光测距 。 参考文献 :1 李田泽 , 戴金符 , 王振环 . 激光跟踪测距光学系统设计J.红外技术 , 2001,23(6 :12214.2 吴晗平 . 某高性能激光测距机总体设计与分析 J.现代防御技术 ,2005, 33(2 :65268.3 陈安健 , 郑 炜 . 一种集发射 、 接收与瞄准三共轴系统的光学结构 J.激光与红外 ,2005, 35(5 :