机载激光雷达双光楔扫描系统设计与实现

介绍了作为大型机载激光雷达关键部件的双光楔扫描系统的模型建立、设计实现以及实验验证。为实现双光楔扫描系统的大尺寸、宽视场和高精度指向,设计了16楔角、320 mm直径的成对光楔,以及对应的高精度PID双轴扫描控制模块,分析了系统误差来源和误差控制方法。在45 m距离的地面测试中,通过每个3.6转动楔镜,累计100次与真值测量比对进行检校和验证,扫描指向误差小于50 rad,通过搭载集成后的机载激光雷达飞行实验,实测扫描视场为32.03,进一步验证了双光楔扫描系统的有效性。     

像方扫描机制的红外成像制导光学系统设计

提出了一种新型的像方扫描机制的红外成像制导光学系统设计构型。该扫描系统体积小、结构简单,具有大视场搜索和小视场分辨的特点。设计了一个红外光学系统实例,工作波段为3.7~4.8 μm,焦距为80 mm,扫描视场为±15°,瞬时视场为5°。系统全视场MTF在17 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根直径小于30 μm,满足光学系统的成像要求。     

激光三维成像中双光楔扫描参数的确定及优化

在激光三维成像雷达中,双光楔扫描是一种常用的扫描方式,具有能耗小、精度高、抗震性好等优点,并可有效减小系统的体积。但其扫描轨迹复杂,扫描点存在较大的冗余。首先基于一级近似公式研究了扫描轨迹的规律,随后分析了扫描轨迹间距和扫描点间距的变化特征,最终确定了全视场覆盖时的双光楔扫描参数,并由轨迹分布特征给出了降低冗余的方案。结果表明,全视场覆盖时,反向旋转和同向旋转具有相同的最小冗余2π,除旋转方向外,其他扫描参数完全相同。有效扫描视场和分辨率一定时,特定转速对下,部分覆盖的反向旋转可减小1/4的冗余;半周期的同向旋转可减小1/2的冗余。冗余降低的同时提升了成像的帧频。     

基于全光纤光子计数激光雷达的高分辨率三维成像

为了实现全天时、高分辨率三维成像探测,文中提出了一种工作波长为1064 nm的光子计数激光雷达系统。其中,光学系统采用全光纤结构,增强了系统稳定性。雷达通过整机扫描方式对远距离目标进行成像探测,扩大扫描视场,水平方向达到360°,俯仰方向达到±30°,同时避免了由摆镜扫描引起的几何畸变;结合亚像素扫描方法,提高空间分辨率。最后通过自适应噪声阈值的多距离重建算法实现了目标的三维重建。实验结果表明,此系统在白天成功实现了3.1 km以外目标的三维重建,重建图像目标特征清晰,距离精度为0.11 m,空间分辨率为0.11 m,超过光学系统衍射极限。     

基于微悬臂梁阵列的凝视型激光告警系统的设计与实现

设计并实现了一种基于微悬臂梁焦平面阵列的凝视型激光告警系统。该系统通过微悬臂梁焦平面阵列及成像CCD来实现对入射激光的精确定向。入射激光通过红外镜头辐射到微悬臂梁焦平面阵列时会使微悬臂梁发生变形,通过光读出系统将这种变化成像在CCD上就可以判断出激光的入射方向。实验结果表明:镜头焦距为60mm、微悬臂梁面元为80μm×100μm时,告警系统的视场角为±15°,分辨率可达到0.5°。此告警系统视场角大、定向精度高,并且避免了激光对CCD的干扰及损坏。     

激光/红外双模环形孔径导引头光学系统设计

为了实现激光/红外双模导引头成像系统的小型化,简化光学系统结构,设计了四次反射的双模共光路环形孔径超薄成像系统,研究了该系统的分光路设计原理,给出了遮拦比与视场角的关系,实现了仅有单一光学元件的长波红外7.7～9.5μm和激光1.064μm双模导引头成像系统。双模环形孔径系统在长波红外波段的焦距为70 mm、等效F数为1.3、全视场为8°、空间频率为41.7 lp/mm时各视场MTF值均大于0.136。双模环形孔径系统在激光波长的焦距为53.8 mm、等效F数为1、全视场为10°、全视场范围内的光斑分布均匀。在环境温度范围为-40～80℃时,长波红外波段各视场MTF值均大于0.13,激光波长的弥散斑形状和能量分布基本不变,实现了光学被动无热化。通过公差分析可知双模环形孔径系统具备可加工性。     

多谱段共孔径跟踪/引导系统光学设计

共孔径光学结构可以充分利用长焦距、大孔径光学系统高分辨率的特点,是光学系统发展的重要方向之一。文中设计了一套可见光成像、激光成像和激光测高共孔径的跟踪引导系统。共孔径设计结合了高分辨率的可见光系统与高测量精度的激光系统,使系统既可以获得目标的高清图像,又可以得到目标的相对位置信息。同时,共孔径光学结构可以压缩系统尺寸,降低光学系统在跟踪过程中的转动惯量,有利于系统的整体实现。可见光子系统的焦距1 200 mm,F数6,视场1.2;1 064 nm激光成像子系统焦距1 500 mm,F数7.5。各系统的成像质量均接近衍射极限,并通过公差分析验证了系统的公差分配结果。     

多孔径分布式视场部分重叠仿生热成像理论与技术

热成像系统视场与空间分辨率(作用距离)的矛盾是常规成像模式难以解决的问题。多孔径热成像技术主要分为低重叠率、高重叠率和中度重叠率部分重叠成像模式。文中研究了一种视场部分重叠仿生热成像理论,利用4组红外物镜及IRFPA机芯构成了中心变分辨率4孔径分布式热成像系统,各子孔径的“并集”视场构成系统成像大视场,“交集”视场特别是中心重叠视场具有超分辨能力,从而构成空间变分辨率视觉模式,可减缓传统单孔径热成像问题;利用重叠视场可构成4目和2目近场目标场景的体视成像;通过子孔径检偏偏振片,中心视场可构成全偏振热成像模式;对角探测器分别采用长波或中波红外焦平面探测器,则可构成双色热成像模式。分析表明:这种多孔径分布式视场部分重叠仿生热成像具有仿生智能的特性,可针对感兴趣目标进行智能观测,提高复杂背景条件下的目标探测和识别能力,具有广泛的应用前景。     

基于盖革APD阵列的微扫描激光成像技术

盖革APD阵列探测的激光成像雷达具有高灵敏度、高帧频、宽视场、坚固、体积小等优点,成为了激光成像雷达发展的趋势。但目前APD阵列像元填充比低,器件阵列少,无法满足高分辨率激光成像的要求。为了解决该问题文中提出采用激光点阵发射的方法与APD阵列像元一一对应,采用拼接技术提高成像分辨率,采用微扫描技术提高激光成像视场。通过构建实验系统,完成了室外试验,成像效果良好,使用现有APD探测器（3232）将系统空间分辨率提高了四倍（6464）,提高了激光三维成像能力。     

一种激光雷达复合式扫描方法及试验

传统激光雷达系统中,固态激光光源的重复频率和扫描系统的扫描带宽、精度均制约着系统成像。为提高激光雷达的成像精度,首先,在激光光源上采用经EDFA放大后的DFB高重频激光光源。其次,提出了一种PZT与振镜相结合的两级复合式激光扫描方法,利用PZT对小视场范围进行精细扫描,利用振镜对PZT的扫描视场和接收视场进行偏转完成粗扫描,在提高激光雷达扫描精度的同时拥有较大的扫描视场。最后,经试验所设计的复合式扫描激光雷达的方位角为99 mrad,俯仰角为49.5 mrad,角分辨率达到0.1 mrad,测距精度达到0.159 m。     

采用相位板的中波红外共形光学系统设计

为了满足现代军事装备中的侦查需求,提出了一种新型的红外共形成像光学系统,在消除光学头罩引入的复杂像差过程中,采用一对轴向移动的相位板来实现像差动态校正.给出了一个红外共形成像光学系统设计实例,其工作谱段为3.7μm～4.8μm,焦距为40mm,长径比为1.0,瞬时视场为2°,扫描视场为±15°.结果表明,在奈奎斯特频率...     

激光大尺度3维动态聚焦扫描加工系统研究

为了满足激光3维微加工不断提高的精度要求、不断增大的加工尺寸范围,以及加工效率的上升需求,采用理论分析和计算结合的方法,研制出由动态聚焦镜和2维扫描振镜组合的动态聚焦系统,与高精度X-Y-Z 3维高精度工作台集成为一台激光大尺度3维动态聚焦扫描加工设备。设计了焦距为100mm、视场角15、光阑口径7mm、后工作距137mm、相对畸变小于0.5%的远心f-镜和入光口径8mm、光学杠杆比1:8、后工作距800mm40mm的动态聚焦镜系统,并使用ZEMAX软件对系统关键光学部件动态聚焦镜和远心f-镜进行光学设计及系统性能评价。结果表明,通过工艺控制软件分层拼接,实现了460mm310mm50mm大尺度3维动态聚焦的高精度紫外激光微加工功能,在该3维扫描范围内,激光聚焦光斑直径始终保持小于10m,从而满足大尺度激光3维精密微加工需求。     

小型化复合孔径双波段观瞄系统设计

针对单一波段生物复眼孔径小、视距短、接收光谱窄等不足,设计了一种大孔径接收可见光、中波红外仿生复眼光学系统。由于集成光路体积大,子眼系统选择共光路的结构形式。基于入射窗和出射窗的物像共轭关系建立了子眼系统拼接的几何模型。通过设计中继转像系统,将子眼阵列所成的曲面像转换成平面像,解决了平面探测器接收曲面像的问题。整个复眼由37个子眼构成,子眼的焦距为30 mm,视场为20°,入瞳为10 mm,相邻子眼光轴夹角为16°,合并后的视场为116°。相对微透镜阵列式的复眼系统而言,该曲面仿生复眼系统探测距离更远、获取目标信息更全。子眼系统和接收系统的成像质量良好,在?40~+60 ℃温度范围内无热差影响。     

成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计

高分辨率成像光谱仪要求光学系统在宽视场和宽波段范围内具有高的空间分辨率和光谱分辨率。根据同轴三反光学系统初级像差理论计算初始结构,并分别将孔径光阑置于主镜、次镜和三镜焦点,通过光阑和视场离轴,设计了无中心遮拦的离轴反射式光学系统。其光谱范围为1.0~2.5 m,焦距f=1 600 mm,相对孔径为1/ 5,视场角为6.861.48,满足成像光谱仪宽视场、大相对孔径离轴三反消象散光学系统的设计指标。     

基于自由曲面双波段离轴三反光学系统的优化设计

在航空遥感领域中,双波段光学系统是最具代表性的光学系统。与单一波段光学系统相比,双波段系统可以同时探测到背景信号和目标信号,从而获得更准确的信息。采用离轴反射系统这一方案与折射系统相比,在满足更长焦距的同时,又能实现光学系统小型化的目标。本文提出一种基于自由曲面的反射系统作为设计蓝本,能够获得如下优点:视场角更大,光路容易折叠,系统成像质量高,能够达到高分辨率成像以及系统的轻量化设计。本文采用动态光学理论对系统初始结构进行求解并通过对系统元件的倾斜与偏移计算获得离轴系统,系统引入自由曲面获得更加优质的成像质量。系统参数如下:焦距为2000 mm,相对孔径为1/2,视场角为6°×1°,工作波段为3~5 μm与8~12 μm,选用法国Sofradir公司生产的红外双色焦平面阵列非制冷型探测器;设计结果表明,加入自由曲面后系统的成像质量得到了明显改善,系统在整个工作波段内MTF值在14 lp≥0.3。     

应用六阶波像差理论的鱼眼镜头系统设计

鱼眼镜头系统具有平面对称、超大视场、大孔径成像等特点,使得其设计十分复杂。波像差理论是研究光学系统的重要手段,由于鱼眼镜头系统具有平面对称的成像特性,赛德尔初级像差和基于轴对称光学系统发展的高阶像差理论不再适用于鱼眼镜头系统的像差分析和设计。介绍了六阶波像差理论,包括六阶本征波像差、五阶像差、衍生波像差及孔径光线二阶精度对波像差的影响,给出六阶波像差理论设计鱼眼镜头系统的流程图,应用六阶波像差理论设计鱼眼镜头前光组,由其前光组与后光组像差平衡设计了后光组。最后得到一成像质量良好的鱼眼镜头系统,该镜头的焦距为5.989 mm,视场角为180°,相对孔径为1/3.2。设计结果表明,该鱼眼镜头系统的调制传递函数（MTF）数值在空间频率为60 lp/mm时均不低于0.56,具有较好的成像质量。     

激光/红外共孔径无热化紧凑型光学系统设计

基于激光测距和红外目标探测需求,设计了激光/红外共孔径无热化紧凑型光学系统。系统参数设计如下:工作波段为1.064mm激光和7.7~9.3mm长波红外,入瞳直径均为120 mm;激光焦距为800 mm;长波红外焦距为240 mm,F数为2,视场为2.29°×1.83°。选择带有Ritchey-Chretien(RC)反射系统的折反式光学布局,缩短系统纵向尺寸。光学系统共用主镜和次镜,利用次镜实现激光和红外分光。长波红外采用二次成像结构,达到100%冷光阑效率。通过选择合适的光学材料、结构材料和合理分配光焦度,实现了光学被动式消热差。在-50℃^+70℃范围内,激光接收能量集中度高,长波红外成像质量良好,满足实际使用需求。     

薄膜衍射消热差红外光学系统设计

设计了一种薄膜衍射消热差红外光学系统.此光学系统口径为200 mm,焦距为200 mm,相对孔径为1,全视场角为3°,工作波段为10.7～10.9mm.该系统采用薄膜衍射镜作为主镜,厚度为微米量级,具有口径大、重量轻的优点,解决了现有红外光学系统重量和口径无法调和的矛盾.利用含有衍射面的折衍混合透镜进行校正主镜带来的强...