一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法及系统
阅读：36发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于激光测距技术领域，具体涉及一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法及系统。所述系统包括激光测距系统和设置于所述激光测距系统上的导 星系 统及光学逆向装置。引入导星系统，扩大了系统监测视场。结合激光衰减技术、距离 门 技术，利用光学逆向反射装置在发射光截取极少部分光作为参考光对视场中心 位置 进行调校，同时利用目标 跟踪 闭环法实现系统收发光轴平行性的实时自动检校。在单次激光测距过程中兼顾了自动调校系统的收发光轴功能，有效改善了激光测距系统的指向 精度 ，提高了系统回波率及工作效率，对激光测距技术迈向全自动时代具有重要意义。，下面是一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法及系统专利的具体信息内容。
1.一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法，其特征在于，所述方法执行以下步骤：
步骤1：进行收发光轴平行性的调校；
步骤2：根据轨道预报，先跟踪目标，再捕获目标；
步骤3：激光器产生激光脉冲，激光脉冲通过主波取样电路形成二路电脉冲，其中一路为主波脉冲，用来启动事件计时器；另一路用来从时间频率标准中取样，记录激光发射时刻Tmain—pulse；
步骤3：将激光脉冲发送至观测目标；
步骤4：使用光学逆向装置从激光脉冲中截取部分光作为参考光；参考光返回接收系统，利用激光衰减技术进行衰减后，成像至微光电视摄像机；
步骤5：控制计算机实时获取参考光成像位置(A1，E1)，与理想位置(A0，E0)进行照准差计算后获得参考光位置偏移量(ΔA，ΔE)，并发送至伺服系统修正参考光位置，完成视场中心位置的调校；
步骤6：微光电视摄像机对观测目标进行图像采集，控制计算机实时将观测目标位置偏差转换成测站坐标系下的实际脱靶量；送到伺服系统修正位置偏差，确保观测目标、激光光尖和视场中心位置在测距过程中保持重合，实现目标跟踪闭合，进而完成系统收发光轴的实时检校；
步骤7：光电探测器接收反射回来的回波光子，转换成电信号传送至事件计时器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔；根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，进行收发光轴平行性的调校的方法执行以下步骤：利用平行光管法，获取系统视场中心位置及参考光位置(A0，E0)，完成系统初始的接收光轴平行性的调校。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学逆向反射装置，用于从发射光中截取极少部分光进入接收系统；可以是角锥、光纤和/或转镜中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光衰减技术，可以是滤波技术、中性密度滤波片进行滤波和/或偏振片滤波中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器可以是1064nm固体或半导体激光器、1550nm固体或半导体激光器、532nm固体或半导体激光器和/或其他波长激光器；其重复频率范围为几Hz到上千Hz；能量大小的范围为几mJ到上百mJ。
6.一种基于权利要求1至5之一所述方法的激光测距系统收发光轴平行性检校系统，其特征在于，所述系统包括激光测距系统和设置于所述激光测距系统上的导星系统及光学逆向装置。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述激光测距系统包括：激光器；所述激光器产生激光脉冲；发射望远镜，用于发射激光脉冲；接收望远镜，用于接收反射激光脉冲；微光电视摄像机，用于对观测目标进行图像采集；主波取样电路，用于将激光脉冲进行处理，形成二路电脉冲，其中一路为主波脉冲，用来启动事件计时器；另一路用来从时间频率标准中取样，记录激光发射时刻Tmain-pulse；光电探测器，用于接收反射回来的回波光子；时间频率系统，用于提供系统运转的绝对时间坐标，将接收GPS卫星系统的秒脉冲和UTC时间输入至控制计算机中，并提供给一个10MHz信号；控制计算机，用于根据预报计算观测目标的实时位置，产生点火信号控制激光器发射脉冲，产生开门信号精确控制距离门，控制轴角编码器和伺服控制机架保证望远镜正常运转，采集观测数据，完成仪器指向误差修正、系统延时的校准、观测资料的预处理，并形成标准点数据文件。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光学逆向反射装置可以通过打通、加入横梁、粘贴和/或悬架任意一项的方式连接发射望远镜和接收望远镜。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述激光测距系统可以是：卫星激光测距系统、空间碎片激光测距系统或月球激光测距系统。
一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法及系统
技术领域
[0001] 本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种激光测距系统收发光轴平 行性检校方法及系统。
背景技术
[0002] 利用激光测距系统实现的空间探测技术是由激光、光电探测、自动控制、 电子通信、天文测量、卫星轨道等技术结合而成的多学科综合技术。与其他 大地空间测量技术不同，激光测距系统采用高重频、高峰值功率、窄脉冲激 光器，解决了传统雷达系统测距精度低、测程短、稳定性差、设备庞大等一 系列难题，突破了超声波测距及其他光学测距技术的局限，提供了一种具有 全天候、高精度、抗干扰、小型化等先进的空间探测手段。近年来，高性能 激光测距系统的研究逐渐从实验室走向现场试验，在空间探测和航天航空等 工程领域中得到了广泛的应用，展现出诱人的实用化前景。
[0003] 在远距离激光测距过程中，地面观测站根据观测目标预报引导望远镜跟 踪目标后，激光器发射激光脉冲至观测目标，并由观测目标表面反射回波光 子至地面观测站，同时利用接收望远镜将回波信号输送至时间测量分系统， 最后通过测出激光脉冲往返地球与观测目标间的时间Δt，获得地球与观测目 标间的距离R。根据观测目标的不同，激光测距系统分为卫星激光测距系统(SLR)、空间碎片激光测距系统(DLR)，月球激光测距系统(LLR)等。
[0004] 常规的激光测距系统主要包括：
[0005] (1)激光器及发射系统。激光器产生激光脉冲，脉冲经过折轴发射系统 的反射和准直。
[0006] (2)望远镜伺服跟踪系统，主要包括发射镜、接收镜和CCD三部分， 分别完成发射激光、接收激光和监视卫星跟踪状态等功能。
[0007] (3)光子探测系统，主要由接收望远镜、可变接收光阑、窄带干涉滤 波片、光电接收器件、鉴别器、时间间隔测量等装置组成。激光脉冲回波被 接收望远镜聚焦后，经过接收光阑、干涉滤光片、进入光电接收器件。经光 电器件产生电脉冲，通过鉴别器输出矩形脉冲，最后进入时间间隔计数器。
[0009] (5)计算机控制系统，主要功能如下：根据预报计算观测目标的实时 位置；通过点火信号控制激光器发射脉冲；通过开门信号精确控制距离门； 通过轴角编码器和伺服控制机架和望远镜运转；通过计算机结构采集观测数 据；进行仪器指向误差修正、系统延时的校准、观测资料的预处理和形成标 准点数据文件。
[0010] 激光测距的光学系统主要采用收发分离光路和共光路两种方式。相比于 收发分离光路的激光测距系统，采用共光路的系统对激光发射频率具有一定 限制，并对系统中采用的光学元件，如光学转镜等性能提出了更高的要求。 目前，国际上大多数测站采用收发分离光学系统，一般利用小于300mm小 口径望远镜作为发射激光望远镜，使用另一台较大口径的望远镜作为接收回 波望远镜。
[0011] 对于发射和接收光路分离的激光测距系统，激光收发光轴的平行性对系 统测距性能的发挥和测距精度的实现具有重要影响。为了保证系统收发光轴 具有较高的平行性，每隔一段时间将对系统进行调校与维护。然而随着时间 的推移，系统的收发光轴将受到温度、重力、风扰动等各种因素影响而发生 不同程度的变化。特别对于白天激光测距来说，由于昼夜温差较大，库德光 路和激光光束将发生严重偏移，系统收发光轴的平行性超出系统光轴平行性 的允许范围，导致激光测距系统测量范围和测距精度急剧下降。
[0012] 在激光测距系统的日常维护中，系统收发光轴平行性的检校方法主要包 括投影靶法，大口径平行光管法、小口径平行光管法、激光光轴仪法、五棱 镜法，以及分光路投射法等。尽管上述实验方法较为成熟，但实际操作十分 困难复杂，无法在测距过程中实现，不能适应外场测量时的各种环境变化， 无法满足常规测距过程中测试与检验的需要。
发明内容
[0013] 鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种激光测距系统收发光轴平行性 检校方法及系统，引入导星系统，扩大了系统监测视场。结合激光衰减技术、 距离门技术，利用光学逆向反射装置在发射光截取极少部分光作为参考光对 视场中心位置进行调校，同时利用目标跟踪闭环法实现系统收发光轴平行性 的实时自动检校。在单次激光测距过程中兼顾了自动调校系统的收发光轴功 能，有效改善了激光测距系统的指向精度，提高了系统回波率及工作效率， 对激光测距技术迈向全自动时代具有重要意义。
[0014] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0015] 一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法，所述方法执行以下步骤：
[0016] 步骤1：进行收发光轴平行性的调校；
[0017] 步骤2：根据轨道预报，先跟踪目标，再捕获目标；
[0018] 步骤3：激光器产生激光脉冲，激光脉冲通过主波取样电路形成二路电 脉冲，其中一路为主波脉冲，用来启动事件计时器；另一路用来从时间频率 标准中取样，记录激光发射时刻Tmain-pulse；
[0019] 步骤3：将激光脉冲发送至观测目标；
[0020] 步骤4：使用光学逆向装置从激光脉冲中截取部分光作为参考光；参考 光返回接收系统，利用激光衰减技术进行衰减后，成像至微光电视摄像机；
[0021] 步骤5：控制计算机实时获取参考光成像位置(A1，E1)，与理想位置 (A0，E0)进行Δ Δ照准差计算后获得参考光位置偏移量( A，E)，并发送 至伺服系统修正参考光位置，完成视场中心位置的调校；
[0022] 步骤6：微光电视摄像机对观测目标进行图像采集，控制计算机实时将 观测目标位置偏差转换成测站坐标系下的实际脱靶量；送到伺服系统修正位 置偏差，确保观测目标、激光光尖和视场中心位置在测距过程中保持重合， 实现目标跟踪闭合，进而完成系统收发光轴的实时检校；
[0023] 步骤7：光电探测器接收反射回来的回波光子，转换成电信号传送至事 件计时器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔；根据 s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
[0024] 进一步的，所述步骤1中，进行收发光轴平行性的调校的方法执行以下 步骤：利用平行光管法，获取系统视场中心位置及参考光位置(A0，E0)， 完成系统初始的接收光轴平行性的调校。
[0025] 进一步的，所述光学逆向反射装置，用于从发射光中截取极少部分光进 入接收系统；可以是角锥、光纤和/或转镜中的一种或几种。
[0026] 进一步的，所述激光衰减技术，可以是滤波技术、中性密度滤波片进行 滤波和/或偏振片滤波中的一种或几种。
[0027] 进一步的，所述激光器可以是1064nm固体或半导体激光器、1550nm固 体或半导体激光器、532nm固体或半导体激光器和/或其他波长激光器；其重 复频率范围为几Hz到上千Hz；能量大小的范围为为几mJ到上百mJ。
[0028] 一种激光测距系统收发光轴平行性检校系统，所述系统包括激光测距系 统和设置于所述激光测距系统上的导星系统和光学逆向装置。
[0029] 进一步的，所述激光测距系统包括：激光器；所述激光器产生激光脉冲； 发射望远镜，用于发射激光脉冲；接收望远镜，用于接收反射激光脉冲；微 光电视摄像机，用于对观测目标进行图像采集；主波取样电路，用于将激光 脉冲进行处理，形成二路电脉冲，其中一路为主波脉冲，用来启动事件计时 器；另一路用来从时间频率标准中取样，记录激光发射时刻Tmain-pulse； 光电探测器，用于接收反射回来的回波光子；时间频率系统，用于提供系统 运转的绝对时间坐标，将接收GPS卫星系统的秒脉冲和UTC时间输入至控 制计算机中，并提供给一个10MHz信号；控制计算机，用于根据预报计算 观测目标的实时位置，产生点火信号控制激光器发射脉冲，产生开门信号精 确控制距离门，控制轴角编码器和伺服控制机架保证望远镜正常运转，采集 观测数据，完成仪器指向误差修正、系统延时的校准、观测资料的预处理， 并形成标准点数据文件。
[0030] 进一步的，所述光学逆向反射装置可以通过打通、加入横梁、粘贴和/ 或悬架任一一项的方式连接发射望远镜和接收望远镜。
[0031] 进一步的，所述激光测距系统可以是：卫星激光测距系统、空间碎片激 光测距系统或月球激光测距系统。
[0032] 采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明通过光学、电子、 机械的设计，引入了导星望远镜，结合激光衰减技术、距离门技术，提出了 一种具有收发光轴平行性实时自动检校功能的大视场激光测距系统。通过引 入导星系统，增加了系统的接收视场，提高观测目标的搜索和捕获速度，降 低了收发光轴平行性调校难度。利用光学逆向装置，在发射光中截取极少部 分光作为参考光返回至SLR接收系统中的ICCD，代替了现有技术中的恒星 监视。通过实时获取参考光成像位置的偏差量对接收视场中心位置进行调整， 保证接收视场中心位置不变。同时，结合激光衰减技术、高精度距离门技术， 对参考光进行衰减，防止SPAD对参考光先行响应，规避了由此引起的系统 虚警率高等问题。另外，采用目标闭环跟踪方法，使观测目标、激光光尖、 视场中心位置在测距过程中保持高度重合，进而实现系统收发光轴实时、自 动地检校。附图说明
[0033] 图1是本发明实施例提供的具有收发光轴平行性实时自动检校功能的大 视场激光测距系统结构示意图；
[0034] 图2是本发明实施例提供的激光测距系统的结构示意图。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
[0036] 实施例1
[0037] 一种激光测距系统收发光轴平行性检校方法，所述方法执行以下步骤：
[0038] 步骤1：进行收发光轴平行性的调校；
[0039] 步骤2：根据轨道预报，先跟踪目标，再捕获目标；
[0040] 步骤3：激光器产生激光脉冲，激光脉冲通过主波取样电路形成二路电 脉冲，其中一路为主波脉冲，用来启动事件计时器；另一路用来从时间频率 标准中取样，记录激光发射时刻Tmain-pulse；
[0041] 步骤3：将激光脉冲发送至观测目标；
[0042] 步骤4：使用光学逆向装置从激光脉冲中截取部分光作为参考光；参考 光返回接收系统，利用激光衰减技术进行衰减后，成像至微光电视摄像机；
[0043] 步骤5：控制计算机实时获取参考光成像位置(A1，E1)，与理想位置 (A0，E0)进行照准差计算后获得参考光位置偏移量(ΔA，ΔE)，并发送 至伺服系统修正参考光位置，完成视场中心位置的调校；
[0044] 步骤6：微光电视摄像机对观测目标进行图像采集，控制计算机实时将 观测目标位置偏差转换成测站坐标系下的实际脱靶量；送到伺服系统修正位 置偏差，确保观测目标、激光光尖和视场中心位置在测距过程中保持重合， 实现目标跟踪闭合，进而完成系统收发光轴的实时检校；
[0045] 步骤7：光电探测器接收反射回来的回波光子，转换成电信号传送至事 件计时器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔；根据 s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
[0046] 具体的，由于现有技术中，恒星监视与激光观测不能同时进行，不利于 观测目标位置的搜索与捕获，极大的影响了系统的工作效率及性能。
[0047] 本发明兼顾了卫星激光测距与系统收发光轴检校两种功能，对提高系统 工作效率，增加系统使用寿命具有重要意义。
[0048] 为了准确地确定光轴之间的平行偏差，激光测距系统通常采用时角法进 行收发光轴的校验，即将无穷远处的恒星(通常为北极星)作为瞄准基准， 利用CCD成像采集到的恒星的弥散斑和光谱仪中的数据进行处理，检测望 远镜中恒星弥散斑的中心与视场位置的偏差量，完成对系统收发光轴的平行 性检校。具体步骤如下：
[0049] 首先，利用平行光管法确定接收系统的视场中心位置。通过天文年历计 算某颗恒星(北极星)相对于测站的视位置，利用系统瞄准该恒星，通过 CCD观测当前目标。当恒星出现在光阑孔中心时，即星象位于视场中央，对 其高度、方位、时刻采集，记录系统视场中心位置(A0，E0，T0)。其次， 利用激光系统发射激光，通过CCD对激光光束后向散射进行成像。最后， 通过调整光路使发射光光尖与恒星星象重合。此时，发射光路光轴与激光光 轴平行。
[0050] 若间隔一段时间后，由于观测环境、温度等因素影响，系统接收视场中 心位置改变(A1，E1，T1)，收发光轴平行性下降，则重复上述步骤。由于 恒星(北极星)相对测站位置不变，将以恒星(北极星)作为视场中心位置 基准，将望远镜再次指向上述恒星，通过手动或自动的方式调整接收光路， 使当前接收视场中心位置与恒星(北极星)位置重合，调整量为：
[0051] ΔA＝A1-A0
[0052] ΔE＝E1-E0
[0053] 最后，通过调整发射光路使使发射光光尖与恒星星象重合，进而完成对 系统收发光轴平行性的调校。
[0054] 上述方法在一段时间内保证了系统望远镜收发光轴的平行性，提高了系 统的指向精度。但是，上述方法在应用上存在相当大的局限性。首先，望远 镜收发光轴平行性随着观测目标轨迹实时发生变化，恒星监视只能定时定点 地对激光发射和接收光轴进行调校，无法满足系统实时性的要求。其次，恒 星监视与激光观测不能同时进行，极大的影响了系统的工作效率及性能。再 次，为了抑制噪声，现有的激光测距系统接收视场较小，不利于观测目标位 置的搜索与捕获，系统收发光轴的平行性的检校难度较大。最后，在现有技 术方法中，当获得系统视场中心偏移量后，通常采用手动方式进行光路调整， 其自动性及精度很难满足未来激光测距系统性能需求。
[0055] 另外，有专利指出，利用直角反射镜组合镜、声光调制器、可控小孔光 阑等器件实现激光光束实时高精度监视的装置。在激光监视过程中，通过声 光调制器控制小孔光阑，使光不能通过小孔光阑至探测器，避免探测器的损 坏。当激光回波反射至接收系统时，通过在声光调制器上加载响应的延时信 号，使小孔光阑不工作，回波透过小孔光阑、准直镜至探测器，实现对回波 的接收与探测。
[0056] 尽管上述方法可实现对发射激光光束的实时监视，但不能对系统的收发 光轴进行有效地校验与调整，无法满足系统对收发光轴平行性实时校准的需 要。同时，引入声光调制器及小孔光阑，增加了系统延迟误差，对系统测距 精度产生了不利影响。另外，在声光调制器上加载响应的延时信号控制小孔 光阑，将加大系统光学结构的设计难度，使原本简单的光路结构变得复杂， 并对时间频率系统、计算机控制系统提出了更高的要求。
[0057] 同时，有文献提出了将He-Ne红光与发射光重合，通过发射望远镜四面 体棱镜使He-Ne红光与发射激光重合，通过发射望远镜，采用组合四面体棱 镜He-Ne红光平行于发射激光反射至接收望远镜，通过CCD监视He-Ne红 光实现对发射激光的实时监视。
[0058] 同样的，上述方法实现了对发射激光光束的实时监视，但不能对系统的 收发光轴进行检校与调控。文献提到的两路不同颜色的光束重合具有一定的 难度，平行度很难调整到±15角秒以内。同时，为了避免眼镜及接收系统中 窄带滤光片及光电倍增管的损伤，采用了低功率的He-Ne红光进行监视。然 而，低功率激光束的方向与高功率激光的方向存在一定的偏差，反而增加了 发射时激光束的实时高精度监视的难度。
[0059] 实施例2
[0060] 在上一实施例的基础上，所述步骤1中，进行收发光轴平行性的调校的 方法执行以下步骤：利用平行光管法，获取系统视场中心位置及参考光位置 (A0，E0)，完成系统初始的接收光轴平行性的调校。
[0061] 具体的，平行光管是准直仪的一种，主要用于光学仪器的安装和调校， 它射出的平行光束用以代替远距离的目标，由物镜及置于物镜焦平面上的分 划板，光源以及为使分划板被均匀照亮而设置的毛玻璃组成。根据几何光学 原理，由于分划板置于物镜的焦平面上，当光源照亮分划板时，分划板每一 点发出的光经过透过经后，都成为一束平行光。
[0062] 平行光管校准接收视场中心位置的主要方法：将平行光管置于接收望远 镜筒内，发射平行光，通过调整SPAD调整架位置，确保置于SPAD前的小 孔光阑中心与SPAD灵敏区位置重合，即保证接收视场中心位置不变。
[0063] 系统误差和偶然误差：对于一台地平式望远镜而言，存在两大类误差： 系统误差和偶然误差。在偶然误差中有风对水平轴的影响，轴系无规则的晃 动，环境及温度变化引起的误差等，偶然误差具有随机性，不能修正，只能 通过测量数据的平滑处理，使其影响减小。系统误差中有垂直差、水平差、 重力作用下的机械变形带来的误差等，系统误差绝大多数可进行调整或修正， 但经调整或修正后仍留有残差。由于以上误差的存在导致望远镜标定的指向 位置与天空中的实际位置之间的偏离，产生了指向误差。
[0064] 光学仪器在生产和装配过程中，对仪器光轴之间的平行性有严格要求， 目标信息的获取与探测准确度很大程度上由光轴的一致性决定的，但是受到 仪器加工和安装条件的限制以及仪器使用和运输过程中，受到周围各种环境 条件的影响，仪器各个光轴之间的平行性将发生不同程度上的变化，同时为 了光电系统在日常使用过程中进行维护，需要对整个系统的光轴平行性进行 快速测试以便进行校准。目前，常用的光轴平行性检测方法主要由野外测量 与实验室测量两类，主要包括投影靶法，大口径平行光管法、小口径平行光 管法、激光光轴仪法、五棱镜法，以及分光路投射法等，其中实验室方法较 为成熟，但其难以适应外场测量中各种环境变化，以满足测试与检验的需要。
[0065] 实施例3
[0066] 在上一实施例的基础上，所述光学逆向反射装置，用于从发射光中截取 极少部分光进入接收系统；可以是角锥、光纤和/或转镜中的一种或几种。
[0067] 具体的，增加光学逆向装置，对系统视场中心进行实时调控。由于受系 统误差及观测环境的影响，望远镜接收视场中心位置将在一定程度上发生漂 移。本发明利用光学逆向反射装置从发射激光截取极少部分光作为参考光， 通过激光衰减技术对参考光进行衰减，并沿接收光路返回至接收望远镜，最 后传输到微光电视摄像机中成像。利用计算机对参考光成像位置(A，E) 实时采集，与参考光每一时刻T的理想位置(A′，T′)进行照准差计算。若 该位置与理想位置重合，则接收视场中心位置未发生偏移；若上述位置不重 合，则控制计算机计算参考光位置偏移量(ΔA，△E)。根据微光电视摄像 机成像的相对位置关系可Δ Δ知，视场中心位置的偏移量即为上述( A，E)。 同时，本发明采用距离门技术，根据参考光与激光回波飞行时间不同，精确 控制距离门开门/关门时刻，避免参考光被探测器接收，规避了由此引起的系 统虚警率高等问题，同时保护了系统具有高灵敏度的光电器件。
[0068] 另外，采用目标闭环跟踪方法，提高系统的自动性及瞄准精度。计算机 将上述视Δ Δ场中心的位置偏差( A，E)反馈给控制计算机，转换成测站实 际脱靶量(即经纬仪的方位、高度)送到伺服系统，完成视场中心位置的自 动修正，确保视场中心位置相对不变。同时，通过导星系统捕获观测目标， 重复上述目标闭环跟踪方法，精确求取激光光尖位置、观测目标位置与视场 中心的偏差量。通过发送上述偏差量至伺服系统，使观测目标、激光光尖、 视场中心位置在测距过程中保持高度重合，实现接收光束与发射光束光轴平 行性的自动检校。
[0069] 此外，增加导星系统，扩大系统监测视场。由于观测目标轨道精度低、 系统误差大、观测环境复杂等原因，观测目标有时不能进入望远镜接收灵敏 区，系统无法获取有效观测数据。为了解决上述问题，本发明在与镜筒平行 的方向上，接收望远镜的镜筒外安装了一个导星镜。进而扩大系统的监测视 场，提高了搜寻观测目标速度，减小了目标搜索时间，增加了目标观测时间， 提高了系统工作效率，对获取更多的观测数据十分有利。
[0070] 实施例4
[0071] 在上一实施例的基础上，所述激光衰减技术，可以是滤波技术、中性密 度滤波片进行滤波和/或偏振片滤波中的一种或几种。
[0072] 实施例5
[0073] 在上一实施例的基础上，所述激光器可以是1064nm固体或半导体激光 器、1550nm固体或半导体激光器、532nm固体或半导体激光器和/或其他波 长激光器；其重复频率范围为几Hz到上千Hz；能量大小的范围为几mJ到 上百mJ。
[0074] 实施例6
[0075] 一种激光测距系统收发光轴平行性检校系统，所述系统包括激光测距系 统和设置于所述激光测距系统上的导星系统及光学逆向装置。
[0076] 实施例7
[0077] 在上一实施例的基础上，所述激光测距系统包括：激光器；所述激光器 产生激光脉冲；发射望远镜，用于发射激光脉冲；接收望远镜，用于接收反 射激光脉冲；微光电视摄像机，用于对观测目标进行图像采集；主波取样电 路，用于将激光脉冲进行处理，形成二路电脉冲，其中一路为主波脉冲，用 来启动事件计时器；另一路用来从时间频率标准中取样，记录激光发射时刻 Tmain-pulse；光电探测器，用于接收反射回来的回波光子；时间频率系统， 用于提供系统运转的绝对时间坐标，将接收GPS卫星系统的秒脉冲和UTC 时间输入至控制计算机中，并提供给一个10MHz信号；控制计算机，用于 根据预报计算观测目标的实时位置，产生点火信号控制激光器发射脉冲，产 生开门信号精确控制距离门，控制轴角编码器和伺服控制机架保证望远镜正 常运转，采集观测数据，完成仪器指向误差修正、系统延时的校准、观测资 料的预处理并形成标准点数据文件。
[0078] 实施例8
[0079] 在上一实施例的基础上，所述光学逆向反射装置可以通过打通、加入横 梁、粘贴和/或悬架任意一项的方式连接发射望远镜和接收望远镜。
[0080] 实施例9
[0081] 在上一实施例的基础上，所述激光测距系统可以是：卫星激光测距系统、 空间碎片激光测距系统或月球激光测距系统。
[0082] 实施例10
[0083] 以长春站SLR系统为例，发射望远镜为口径21cm的望远镜，接收望远 镜为60cm望远镜，系统采用收发分离光路；激光单脉冲能量约为1mJ；发 射频率为1KHz；激光波长为532nm；激光发射系统的效率0.6；激光能量脉 宽为50ps；发射光束指向偏差，值为5”。
[0084] 根据本发明内容，我们将在该系统中加入光学逆向反射装置。将发射望 远镜与接收望远镜打通，并加入横梁，在其两端(发射望远镜镜筒、接收望 远镜镜筒内)各放置一角锥，在发射光中截取极少光作为参考光返回至接收 系统，采用激光衰减技术对其进行衰减，避免对系统内高灵敏度的光电器件 造成损坏。同时，由于参考光与激光回波飞行时间不同，采用距离门技术防 止SPAD对参考光进行响应，规避了由此引起的系统虚警率高等问题。
[0085] 以观测目标Compass-15进行举例说明。Compass-15是目前国际联测合 作目标中4
轨道最远的人造地球同步卫星，轨道高度约为3.6×10km，一圈观 测时间约为6～18个小时。由于单次观测时间较长，观测环境、温度、风速 等因素将影响系统收发光轴的平行性。
特别在白天激光测距时，望远镜被太 阳光照后，镜筒各个方向受热不均匀，将产生形变，造成接收视场中心位置 偏移，收发光轴平行度发生严重劣化。
轨道最远的人造地球同步卫星，轨道高度约为3.6×10km，一圈观 测时间约为6～18个小时。由于单次观测时间较长，观测环境、温度、风速 等因素将影响系统收发光轴的平行性。
特别在白天激光测距时，望远镜被太 阳光照后，镜筒各个方向受热不均匀，将产生形变，造成接收视场中心位置 偏移，收发光轴平行度发生严重劣化。
[0086] 具体的，由于在现有技术中，SLR系统通常采用恒星监视校准视场中心 位置、调校系统收发光轴平行性，但该方法只能在定时定点位置对其进行检 校，具有相当大的局限性。
[0087] 而本发明对观测时刻、观测位置、观测环境不限要求，满足了卫星激光 测距过程的实时性与随机性的需要。
[0088] 具体的，由于现有技术中，SLR系统接收视场较小，系统收发光轴的平 行性的检校难度较大。
[0089] 而本发明增大了系统的接收视场，降低了调校的难度系数，同时提高了 观测目标搜索与捕获的速度，提高了系统指向精度。
[0090] 现有技术中，采用声光调制器及小孔光阑防止参考光传输至探测器，但 新器件的引入将增加系统误差，降低测距精度，同时对控制系统、伺服系统、 光学结构设计提出了更高的要求。
[0091] 而本发明的采用了距离门技术有效避免了上述问题。
[0092] 现有技术中，采用红光对发射激光进行监视，然而两路不同颜色光束的 平行度难以保证，反而加大了对发射光束实时高精度监视的难度。
[0093] 而本发明利用光学逆向装置从原有光中截取极少部分光作为参考光，保 证了两束光的平行性、偏振度及指向精度。
[0094] 现有技术中，获得接收视场中心位置偏移量后，通常采用手动方式进行 光路调整，其自动性及精度很难满足激光测距系统性能需求。
[0095] 而本发明利用目标跟踪闭合的方法实现了接收视场中心位置偏移量的 实时自动计算、接收视场中心位置的实时自动校准，以及系统收发光轴平行 性的实时自动检校等功能，为后续SLR系统全面实现自动化提供了合理的 设计方案及思路。
[0096] 现有技术中，只能定时定点地对收发光轴偏移误差检校，无法实时、有 效、准确地对其标效与调整，具有相当大的局限性及难度。并且，由于伺服 系统只能引导望远镜指向观测目标或北极星，激光测距与光轴调校不能同时 进行，极大的影响了系统的工作效率及使用寿命。另外，系统获取接收视场 中心位置的偏移量后，通常采用手动方式进行光路调整，其自动性及精度很 难满足激光测距系统性能需求。
[0097] 为了解决上述问题，本发明通过光学、电子、机械的设计，引入了导星 望远镜，结合激光衰减技术、距离门技术，提出了一种具有收发光轴平行性 实时自动检校功能的大视场激光测距系统。通过引入导星系统，增加了系统 的接收视场，提高观测目标的搜索和捕获速度，降低了收发光轴平行性调校 难度。利用光学逆向装置，在发射光中截取极少部分光作为参考光返回至 SLR接收系统中的ICCD，代替了现有技术中的恒星监视。通过实时获取参 考光成像位置的偏差量对接收视场中心位置进行调整，保证接收视场中心位 置不变。同时，结合激光衰减技术、高精度距离门技术，对参考光进行衰减， 防止SPAD对参考光先行响应，规避了由此引起的系统虚警率高等问题。另 外，采用目标闭环跟踪方法，使观测目标、激光光尖、视场中心位置在测距 过程中保持高度重合，进而实现系统收发光轴实时、自动地检校。
[0098] 实施例11
[0099] 以长春站空间碎片激光测距(DLR)系统为例，发射望远镜为口径21cm 的望远镜，接收望远镜为60cm望远镜；激光单脉冲能量约为60mJ；发射频 率为500Hz；激光波长为532nm；发散角为04mrad；激光能量脉宽为10ns。
[0100] 根据本发明内容，我们将在该系统中加入光学逆向反射装置。将发射望 远镜与接收望远镜打通，并加入横梁，在其两端(发射望远镜镜筒、接收望 远镜镜筒内)各放置一角锥，在发射光中截取极少光作为参考光返回至接收 系统，采用激光衰减技术对其进行衰减，避免对系统内高灵敏度的光电器件 造成损坏。同时，由于参考光与激光回波飞行时间不同，采用距离门技术防 止SPAD对参考光进行响应，规避了由此引起的系统虚警率高等问题。
[0101] 以观测目标SL-12R/B进行举例说明。空间碎片SL-12R/B，轨道高度 约为10463km，反射截面RCS为0.7m2，回波指数为5.7，最大仰角为69°。 由于单次观测时间较长，观测环境、温度、风速等因素将影响系统收发光轴 的平行性。
[0102] 综上所述，本发明提出了一种具有收发光轴平行性实时自动检校功能的 大视场激光测距系统。与现有的激光测距系统不同，本发明引入导星系统， 扩大了系统监测视场。结合激光衰减技术、距离门技术，利用光学逆向反射 装置在发射光截取极少部分光作为参考光对视场中心位置进行调校，同时利 用目标跟踪闭环法实现系统收发光轴平行性的实时自动检校。在单次激光测 距过程中兼顾了自动调校系统的收发光轴功能，有效改善了激光测距系统的 指向精度，提高了系统回波率及工作效率，对激光测距技术迈向全自动时代 具有重要意义。
[0103] 所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上 述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对 应过程，在此不再赘述。
[0104] 需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进 行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能 模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如， 上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块， 以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步 骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
[0105] 所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上 述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方 法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0106] 本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各 示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、上位机7软件或者二者的结合来 实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、 只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬 盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介 质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照 功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软 件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人 员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实 现不应认为超出本发明的范围。
[0107] 术语″第一″、″第二″等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或 表示特定的顺序或先后次序。
[0108] 术语″包括″或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使 得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而 且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者 设备/装置所固有的要素。
[0109] 至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但 是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具 体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关 技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入 本发明的保护范围之内。
[0110] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护 范围。
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