[发明专利]高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统

说明书

技术领域

本发明属于空间光学遥感器技术领域，涉及一种适用于可见光近红外谱段高分辨率相机和激光测距的侦测一体化相机光学成像系统的实现方法。

背景技术

航天遥感侦察及测绘技术是航天对地观测成像技术中的一个重要组成部分，也是军事航天作战保障系统的一个重要组成部分，是非常重要的一类对地成像观测卫星，并逐渐从军事作战航天保障体系的重要组成部分发展成为现代战争作战能力的重要组成部分；同时，在民用测绘技术领域，也是一种现代化高效的测绘技术。

航天对地观测载荷主要包括：可见光CCD相机、红外相机、合成孔径雷达，部分卫星平台装备了激光、微波测高仪等。可见光CCD相机是目前世界各国进行对地观测的主要技术手段，主要用于解决目标二维信息的获取，其平面定位精度较高，为了获得观测目标的高程信息，一般采取同轨、异轨重叠成像技术，相应地要求相机平台具有灵活的机动控制能力；星载激光三维成像雷达是上世纪90年代发展起来的一种主动成像观测技术，具备全天时工作能力，被认为是生成被测表面数字高程模型的最佳手段。作为激光雷达的一种，激光测距仪的发射频率低，通常作为图像平差的辅助手段，但其结构简单，体积重量小，发射成本及技术成本低，因此被广泛采用。

美国是航天遥感强国，在空间探测领域占有主导地位，美国高分辨率可见光成像侦察相机主要有KH-11、KH-12、Geoeye-1和WorldView II，借助卫星平台的姿态敏捷机动能力，通过同轨立体成像方式进行地表三维测绘，其不足是一次轨道运行中只能对特定区域进行三维测绘，观测范围有限。激光三维成像雷达比较有代表性的是美国2003年发射的对地观测的激光雷达探测卫星ICESat，配备了地球科学激光测高系统，采用“单波束无扫描”工作方式，利用卫星位置及姿态调整来获得覆盖一定面积的高程数据，作业效率较低。美国在2008年发射的月球侦察轨道器（LRO）卫星配备月球轨道器激光高度表(LOLA)，首次采用多波束的激光探测+多元阵列接收方式，大大提高了作业效率，使得更新测量周期从原来的三年缩短到一年。

目前成功应用的长焦距高分辨率侦测卫星通常采用多线阵高分辨率可见光CCD相机的总体布局，极少数的卫星采用高分辨率可见光成像系统与激光测距系统相结合的型式，但都是采用相互独立的两个光学系统来实现的。高分辨率可见光CCD相机光学系统主要采用两种结构型式，即同轴反射式三镜消像散系统TMA和离轴TMA系统，在相同焦距、孔径和视场角条件下，同轴TMA具有体积小、重量轻的优点，但无法实现大视场角、畸变大；离轴TMA往往使反射镜加工难度极大，反射镜加工、检测和装调都不能采用传统的方法，其突出缺点是体积重量大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，特别适合高分辨率可见光CCD相机和激光测距的侦察测绘一体化遥感器的成像光学系统，实现了对大范围地物的高分辨率、高精度侦察和立体测绘功能。

本发明的技术方案是：高分辨率立体测绘侦察一体化相机光学系统，包括两个或三个相同的相机光学系统；所述的相机光学系统包括高分辨率立体侦测之路和激光测距之路；所述的高分辨率立体侦测之路包括主镜、次镜、平面反射镜、三镜、四镜、高分辨率立体侦测焦面器件；激光测距支路包括主镜、主镜、中继透镜组和激光测距支路焦面接收器件；其中主镜和次镜同轴，主镜和次镜的光轴作为相机光学系统的主光轴；高分辨率立体侦测之路和激光测距之路不共视场，且共用主镜、次镜；高分辨率立体侦测支路利用轴外光束，激光测距支路使用轴上光束；来自高分辨率立体侦测支路视场内的光线经过主镜、次镜反射之后，透过通光孔到达平面反射镜；平面反射镜法线位于相机光学系统子午面内，与主光轴夹角为沿顺时针45°；由平面反射镜反射的高分辨率立体侦测支路光束经三镜和四镜到达高分辨率立体侦测支路焦面器件处成像；来自激光测距支路视场内的光束经过主镜、次镜反射之后，透过激光测距支路中继透镜组，汇聚至激光测距支路接收器件处成像；激光测距支路中继透镜组的光轴与主光轴重合，三镜和四镜光轴在子午面内，与主光轴垂直。

所述的相机光学系统入瞳位于主镜上，主镜、次镜的面形均为非球面反射镜；三镜和四镜为非球面反射镜。

所述的主镜、次镜的通光口径为圆对称面或者非圆对称面；高分辨率立体侦测支路光束三镜和四镜通光口径为矩形。

所述的主镜、次镜、平面反射镜的材料为碳化硅，或微晶玻璃，或熔石英。