阅读说明：本技术 一种基于梯形镜片的多指定高度ccd成像系统及方法 (Trapezoidal lens-based multi-designated-height CCD imaging system and method ) 是由 靖旭 谭逢富 侯再红 何枫 张巳龙 秦来安 王浩 于 2020-07-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及大气光学探测和光学成像领域,尤其涉及一种基于梯形镜片的多指定高度CCD成像系统及方法,系统包括激光发射器和接收装置,所述接收装置包括接收望远镜和CCD相机,所述接收望远镜包括梯形镜片；所述激光发射器发出的激光经过所述梯形镜片反射,反射光被所述CCD相机的探测端捕捉；所述梯形镜片由n片反射面镀有高反膜的矩形镜片组成,所述矩形镜片呈阶梯状设置,其中n大于或等于2。该发明解决了原先的DCIM探测方案中为了使得CCD探测面与对于高度形成的焦平面相重合,需要对CCD的探测面进行特定角度的倾斜放置时,角度精度难以准确保证的问题。(The invention relates to the field of atmospheric optical detection and optical imaging, in particular to a multi-designated-height CCD imaging system and a method based on a trapezoidal lens, wherein the system comprises a laser transmitter and a receiving device, the receiving device comprises a receiving telescope and a CCD camera, and the receiving telescope comprises a trapezoidal lens; laser emitted by the laser emitter is reflected by the trapezoidal lens, and reflected light is captured by a detection end of the CCD camera; the trapezoidal lens is composed of n rectangular lenses with reflection surfaces plated with high-reflection films, the rectangular lenses are arranged in a step shape, and n is greater than or equal to 2. The invention solves the problem that the angle precision is difficult to accurately ensure when the detection surface of the CCD needs to be obliquely arranged at a specific angle in order to ensure that the detection surface of the CCD is coincident with a focal plane formed by the height in the original DCIM detection scheme.)

一种基于梯形镜片的多指定高度CCD成像系统及方法

技术领域

本发明属于大气光学探测和光学成像领域，尤其涉及一种基于梯形镜片的多指定高度CCD成像系统及方法。

背景技术

激光在大气中传输中，在其传输路径上受大气湍流影响会发生随机起伏，会对光束产生闪烁、能量重分布、随机漂移等现象。大气相干长度的大小可以反应激光在传输路径上的传输过程中受到大气湍流影响的强弱，对激光大气传输研究有重要意义。

激光雷达等设备对大气相干长度进行实时测量是较为直接与方便的设备，激光雷达测量可对不同路径进行测量，并且受天气状况的影响较小，代表的有差分像移激光雷达(DIM)、差分光柱像运动激光雷达法(DCIM)等设备。DIM方法克服了仪器抖动对大气相干长度测量的干扰，但DIM雷达分时测量大气相干长度时易受地面湍流的扰动。DCIM雷达在DIM雷达的基础上改进而来，克服了DIM雷达的不足，能够同时获得一定高度范围内的大气相干长度信息，其工作方式发射激光器发射脉冲光，通过探测器的门控功能来确定DCIM雷达的起始探测高度，由于起始探测高度在焦平面成像时有锐利边缘，再根据此锐利边缘来标定信标高度与信标成像的位置关系，以确定其他成像点所对应的探测高度，以此获得大气相干长度数据。这种探测方法只适用于脉冲光，且探测器的门控存在误差的可能，如何确定连续激光的测量高度仍然是一个难题。

发明内容

为了解决原先的DCIM探测方案中，CCD的探测面倾斜放置时的角度精度难以准确保证，以及使用连续光时探测高度如何确定的问题，为此，本发明提供一种基于梯形镜片的多指定高度CCD成像系统及方法。本发明采用以下技术方案：

一种基于梯形镜片的多指定高度CCD成像系统，包括激光发射器和接收装置，所述接收装置包括接收望远镜和CCD相机，所述接收望远镜包括梯形镜片；

所述激光发射器发出的激光,在大气中传输产生的散射光接收后，经过所述梯形镜片反射，反射光被所述CCD相机的探测端捕捉；

所述梯形镜片由n片反射面镀有高反膜的矩形镜片组成，所述矩形镜片呈阶梯状设置，其中n大于或等于2。

使用上述一种基于梯形镜片的多指定高度CCD成像系统的方法，所述矩形镜片呈阶梯状设置，所述镜片的摆放相对高度与所成角度经预先计算，预先计算的步骤如下：

S1：预先确定成像点的数量和每个成像点相对于发射位置的相对高度；

S2：根据每个高度点的物象关系式，确定处每个成像点成像的实际像距；

S3：根据各个成像点的实际像距，计算确定梯形镜片的相对高度和角度，从而对不同高度的成像点的成像距离差做出补偿。

本发明的优点在于：

(1)解决了原先的DCIM探测方案中，为了使得CCD探测面与对于高度形成的焦平面相重合，需要对CCD的探测面进行特定角度的倾斜放置时，角度精度难以准确保证的问题。

(2)本发明解决了原先的DCIM探测方案中，由于缺乏对连续光的成像高度的分辨能力，只能使用脉冲光再结合探测器门控功能进行探测的问题，实现了对连续光探测高度的确定。

(3)本发明可实现对多个指定高度的同时探测，对实时分析大气湍流作用有着重要意义。

(4)本发明中CCD相机的探测面可竖直摆放，解决了以往CCD相机排放位置需要成一定角度，且这个角度的精确度很难保证的问题。

附图说明

图1为本发明适用的大气相干长度探测系统整体结构示意图；

图2为本发明适用的大气相干长度探测系统中的接收装置的剖面示意图；

图3为本发明适用的大气相干长度探测系统中单个子孔径的光路示意图；

图4为本发明适用的大气相干长度探测系统中CCD探测器靶面示意图。

图中标注符号的含义如下：

1-激光发射器2-发射扩束准直装置

3-接收装置31-楔形镜片32-遮挡盖板33-接收望远镜

34-子孔径35-支撑板36-弧形镜片37-反光镜38-CCD相机

39-梯形镜片4-处理计算机。

具体实施方式

实施例1

如图1-2所示，一种基于梯形镜片的多指定高度CCD成像系统，包括激光发射器1、发射扩束准直装置2、接收装置3和计算机4。所述激光发射器1为连续光激光发射器。

如图1所示，所述激光发射器1与所述接收装置3间隔一定距离，所述激光发射器1产生的激光经过所述发射扩束装置2形成一束准直光束发射到大气中，所述接收装置3通过两个子孔径接收所述准直光束所产生的回波光子并成像，所述接收装置3与所述处理计算机4连接，将成像数据输出到所述处理计算机4中，所述处理计算机4对成像数据进行加工处理，最后通过屏幕输出。

如图2所示，所述接收装置3包括楔形镜片31、遮挡盖板32和接收望远镜33。所述接收望远镜33为卡塞格林式望远镜，所述遮挡盖板32安装在所述接收望远镜33的主镜前侧，所述遮挡盖板32上设置两个子孔径34。优选的，两个子孔径34中心点的连线经过所述接收望远镜33的主镜圆心，并且两个所述子孔径34中心点的间距大于典型的湍流相干长度范围(4cm到10cm)，不易受地面湍流的扰动影响。两个所述子孔径34前端分别固定安装一个所述楔形镜片31，进一步的，所述两个楔形镜片31的中心点与各自相对应所述子孔径34的中心点的连接线与所述接收望远镜33的中轴线距离相等，且相互平行，两个所述楔形镜片31的楔角大小一致。

所述接收装置3还包括聚光组件，所述聚光组件设置在所述接收望远镜33内部，所述聚光组件包括支撑板35、弧形镜片36和反光镜37。所述支撑板35与所述接收望远镜33的主镜平行设置，所述支撑板35中部开设通光孔，所述反光镜37通过透光镜片固定在所述接收望远镜33的主镜与所述支撑板35之间，并且所述反光镜37与所述支撑板35保持平行，所述反光镜37位于所述通光孔的正上方，所述支撑板35两侧设置所述弧形镜片36，所述弧形镜片36下底面与所述支撑板35固定连接，上平面为弧形。

回波光子经过所述楔形镜片31透射后，穿过所述子孔径34，经所述弧形镜片36和所述反光镜37，反射到所述通光孔。

所述接收装置3还包括CCD相机38和梯形镜片39，所述CCD相机38和所述梯形镜片39设置在所述接收望远镜33内部，并且所述梯形镜片39在所述通光孔正下方，调节所述梯形镜片39的角度，使得通过所述通光孔的回波光子束反射到CCD相机38的探测面，所述CCD相机38与所述计算机4相连接。具体的，所述梯形镜片由n片反光面镀有高反膜的矩形镜片组成，其中n大于或等于2。

实施例2

使用实施例1所述的一种基于梯形镜片的多指定高度CCD成像系统的方法，其中所述矩形镜片呈阶梯状设置，所述镜片的摆放相对高度与所成角度经预先计算，预先计算的步骤如下：

1)预先确定成像点的数量和每个成像点相对于发射位置的相对高度。

2)根据每个高度点的物象关系式，确定处每个成像点成像的实际像距。

3)根据各个成像点的实际像距，计算确定梯形镜片的相对高度和角度，从而对不同高度的成像点的成像距离差做出补偿。

具体的，所述镀有高反膜的矩形镜片其高反膜的高反波段范围覆盖所述激光发射器1的激光波段。

如图3所示，从发射光上取n个指定高度(n大于或等于2)，本实施例中n＝3，即为图3中所述发射光上的ABC三点，接收到的回波光子经过所述楔形镜片31透射，通过所述子孔径进入所述接收望远镜33，所述回波光子经过所述梯形镜片39反射，在所述CCD相机38的探测面生成信号A₁、B₁、C₁。具体的，A点在所述CCD相机38的探测面上所形成的信号A₁并不是仅包含了A点的信息，而是包含了整个发射光上的信息，只是在CCD相机38的探测面上，只有系统所设计的指定点A成了实像A₁，其他位置上的散发光所生成的像由于焦点不在所述CCD相机38的探测面上，成像是离焦的，这种成像激励对B-B₁和C-C₁是同理的。

具体的，根据物象关系，有

其中Δ是所述发射激光器1与所述接收装置3的水平距离，一般不超过3m，h是所选取的指定高度的高度值，f是焦距，v是像距。可知不同高度的指定点的像距是不同的，所述梯形镜片39的作用就是将原本存在差异的多指定高度点所成的实像同时聚焦在所述CCD相机38的探测面上。以前为了使得CCD相机探测面与对于高度形成的焦平面相重合，必须将所述CCD相机摆放位置需要成一定角度，且这个角度的精确度很难保证。本发明通过调节所述梯形镜片39的角度，可以将所述CCD相机38的探测面竖直摆放。

如图4所示，通过所述双楔形镜片31的偏折作用，对于单个特定高度，回波信息在所述CCD相机35的探测靶面上形成的是一对有一定间距的双象，对双象质心进行差分运算反演即可获得特定高度的湍流数据。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。