多路分光星載激光雷達接收光學系統設計

楊超，陳宇，于可心，蘇鵬程，樊潤東

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

海洋蘊藏著巨大的能量，與人類生活息息相關。隨著科技的發展，依靠科技創新探測海洋、驅動海洋事業發展，已被列為國家戰略重點。海洋水色傳感器自1978年就應運而生，由NASA發射且運行至今，被譽為衛星海洋遙感的里程碑。中國首顆海洋衛星“海洋一號A”2002年成功發射，標志著中國海洋衛星遙感與應用邁入一個嶄新的階段，結束中國沒有海洋衛星的歷史。相較于被動的水色傳感器，星載激光雷達具有得天獨厚的優勢，它可以精確、高效率地獲取目標信息，在植被垂直分布測量、海面高度測量及特殊氣候監測方面也能體現出長處。最重要的，它可以實現從二維平面觀測到垂直剖面觀測[1]。國內海洋探測目前仍缺乏完善的星載激光雷達海洋探測系統，所以，激光雷達海洋探測系統的開發研制都是十分必要而迫切的。

反射式結構在空間光學領域應用廣泛。2015年高鐸瑞等人[2]設計了一種改進的易于加工、裝調的離軸三反光學系統，其焦距為1 000 mm，F數為 10，全視場 2°×0.4°，反射鏡面型均為二次曲面。2018年李旭陽等人[3]設計了一款大視場離軸三反光學系統，該系統應用于空間相機。其光學系統焦距為2 000 mm，F數為12，視場角為35°×1°，系統能量集中度高，成像質量接近衍射極限。其主鏡和三鏡采用X、Y多項式自由曲面設計，對加工難度提出了較高的要求。以上系統雖然像質較好，但由于口徑較小，均難以實現長距離微弱信號接收。2018年孫永雪等人[4]設計了一個大口徑離軸三反光學系統，其口徑為500 mm，焦距為1 000 mm，視場角為1.1°×0.88°。該光學系統在奈奎斯特空間頻率17 lp/mm處，光學傳遞函數MTF大于0.75，像面采用紅外探測器接收。本文為了實現海洋中葉綠素濃度反演及水深探測等多項應用，對星載激光雷達接收光學系統提出了長焦距、大孔徑及多路分光等要求。

本文設計的離軸三反接收系統的焦距為1 000 mm，F數為1。為便于后續分光，還在離軸三反系統后設計了準直系統，使其出射平行光。利用ZEMAX中的多重結構，在準直系統后設計了7路分光系統，分別由一路探測器接收。本系統工作距離較遠，且多路應用中無需成像，因此選擇靈敏度較高的光電倍增管作為極微弱回波信號的光能接收器。由于本系統屬于能量系統，所以在進行像質評價時，宜采用點列圖而非MTF曲線。

1 系統工作原理及設計思路

完整的激光雷達系統應該包含以下部分：多波長激光器、激光發射系統、接收系統、信號處理系統以及顯示系統等。其基本原理是：首先由激光發射系統產生一束特定功率的激光束，經過大氣傳播后到達海面，海面反射的回波信號經過接收系統接收后進入信號處理系統，將采集卡上獲取的信息錄入計算機，經過信號處理后提取到所需信息，最后經過程序分析及計算，得到葉綠素濃度等應用數據。

設計接收系統時，考慮到空間領域的特殊應用條件，設計的系統應具有體積小、質量輕等特點。選取反射式光學系統，能夠使系統具有較大口徑，且不產生色差。常規的同軸反射系統，中心有遮攔，降低了系統對于微弱信號的探測能力[5]。本文的星載激光雷達接收系統選擇離軸三反結構進行設計，其具有7個自由變量，能夠很好地校正像差。

離軸三反系統需要在共軸三反初始結構基礎上，進行鏡片的離軸設置。在系統優化時，若不進行有效控制，結構會趨向共軸化。在ZE?MAX中利用宏程序，或者使用組合操作數等手段，通過控制軸外點邊緣光線在不同反射鏡上的高度差，可以有效解決上述問題。使離軸三反系統的像面與準直系統的物方焦平面相重合，兩者銜接要滿足光瞳拼接原則。經準直系統出射的平行光，經分光反射鏡及分光棱鏡進行多路分光，每支光路經過透鏡組聚焦在各自像面上。由于從海水返回的激光信號極其微弱，因此利用可以實現單光子探測的高靈敏度光電倍增管PMT及雪崩光電二極管APD，來檢測接收微弱光子，從而實現獲取葉綠素濃度、探測水深和獲取海面高度等應用信息。

2 離軸三反望遠接收光學系統設計

2.1 設計指標

激光雷達系統中，還有一個與接收系統光軸平行的多波長激光發射系統（未在本文中設計）。衛星低軌運行時，激光發射光學系統在距衛星463 km的海面上的照射面積為40 m直徑的圓形區域（激光足印面積）。為確保接收系統能夠接收到足夠的回波信號，考慮到海面復雜的氣象環境，設接收望遠鏡系統接收海面成像面積為3倍的激光足印面積。根據公式S=3π×202=πr2，得出，由此可計算出系統視場角為：

海洋激光雷達望遠接收系統主要技術指標如表1所示。

表1 接收望遠鏡主要技術參數

2.2 離軸三反初始結構獲取

離軸三反光學系統的初始結構是在求解共軸三反系統初始結構參數的基礎上，采用光闌離軸或視場離軸的方式得到的[6-8]。望遠物鏡的共軸三反初始結構數據計算，需要使物體位于無窮遠，且光闌位于主鏡或次鏡上。通過與輪廓尺寸有關系的參數（次鏡對主鏡的遮攔比α1、三鏡對次鏡的遮攔比α2、次鏡放大率β1和三鏡的放大率β2）和三級像差系數計算（球差SΙ、彗差SΙΙ和像散SΙΙΙ）便可推導出：輪廓尺寸（主鏡、次鏡和三鏡的曲率半徑R1、R2和R3；各鏡面到下一面的間隔d1、d2和d3）和三片反射鏡二次曲面系數k1、k2、k3。

本文中，離軸三反系統屬于一次成像結構，即像點位于三鏡前某位置，α1、α2、β1、β2均為正值。根據近軸光學理論及經驗公式可得出，α1≈ 0.394、α2≈ 1.17、β2≈ 0.164[9]。結合三級像差及輪廓尺寸相關公式，利用Matlab計算出共軸三反光學系統的初始結構參數如表2所示。

表2 共軸三反光學系統的初始構參數

得到的共軸三反光學系統的初始結構如圖1所示。

圖1 共軸三反光學系統初始結構

三鏡為凸面時，會由于主光線在三鏡上入射角的增大而導致像質變差；而主、次鏡同為凸面，則會使系統的體積變大[10]。由圖1可知，本系統采用了凹凸凹反射面組合形式，避免了上述結構的缺陷。

2.3 離軸三反望遠接收系統優化設計

得到共軸三反光學系統初始結構后，先進行初步優化，再進行各鏡面離軸量的設計。將光闌放置在主鏡上，對主鏡Y方向的偏心值進行逐步適當調整并進行系統優化，直至消除系統的中心遮攔。如只設置偏軸量不能消除遮攔，則可以同時設置適當偏視場量。在此過程中，為控制結構不趨向同軸，使用宏程序控制邊緣光線與鏡片一側端點垂向距離輔助優化。

為了使整個系統各視場點列圖能量集中，并降低準直系統以及分光系統的結構復雜程度和設計難度，需使離軸三反光學系統各視場也具有較小的彌散斑，經過優化得到離軸三反光學系統各部分參數如表3所示。其中主鏡、次鏡面型均為橢球面，三鏡面型為雙曲面。

表3 離軸三反光學系統結構參數

光學仿真結果圖如圖2所示，其中圖2（a）為離軸三反光學系統的光學結構圖，圖2（b）為系統各視場點列圖。從圖2（a）中可以看出三片反射鏡均已實現離軸，外觀結構合理。從圖2（b）中可以看出各視場點列圖的均方根半徑最大僅為18.691 μm，已具有較好像質，可以進行準直光學系統及后續分光系統的設計。

圖2 離軸三反光學系統仿真圖

3 準直光學系統設計

由于準直光學系統出射平行光，因此在設計時采用倒置設計方案，即：使準直光學系統與離軸三反系統具有相同的像高。倒置后，準直光學系統的像方孔徑角應略大于離軸三反光學系統的像方孔徑角，以保證在兩系統拼接時，準直光學系統具有足夠的口徑。準直光學系統的設計對焦距要求并不嚴格，焦距越小，準直系統出射光束的平行性越差，反之，則平行性越好。但焦距太長又會導致后續分光系統的口徑增大。本文中，設計的準直光學系統焦距取f'=50 mm，經其出射的平行光口徑約為47.6 mm，較為適宜。準直系統的發散角ω為：

其中，y'為離軸三反像高。

根據公式（2），計算出系統發散角為0.208°，視場極小，光束平行性好。根據相對孔徑及焦距值，在zebase庫尋找合適的初始結構，并對其進行優化。優化后，將系統翻轉，得到準直系統的外形結構如圖3（a）所示，系統的發散角如圖3（b）所示。

圖3 準直系統設計結果

由圖3（b）可以看出，系統各視場發散角均極小，具有較好的光束平行度。

4 共孔徑多路分光系統設計

與接收系統光軸平行的多波長激光發射系統可以發出450～520 nm（可調諧）、532 nm和1 064 nm的激光波長，其中，450～520 nm可調諧藍綠激光用于不同地理位置的水深測試，532 nm激光用于葉綠素濃度反演，1 064 nm激光用于大氣氣溶膠檢測。不同的激光波長有不同的應用，在ZEMAX中利用多重結構進行多路分光設計，設計結果如圖4所示。光束經四個分光鏡及兩個分光棱鏡后，實現7路分光。每支光路設計都相當于一個單波長激光光學系統，各支光路相互獨立、互不干擾。分光系統整體布局合理，為機械結構、探測器及電路系統等預留了足夠空間。

圖4 多路光結構圖

光路1和光路2分別用于實現650 nm的水拉曼散射信號和685 nm的葉綠素熒光信號采集，進行葉綠素濃度反演計算；光路3和光路4都可接收475 nm/486 nm的海洋水體回波信號，并可根據不同海域的海水特性選擇最佳探測波長進行水深測試；光路5和光路6用于接收532 nm的大氣回波信號，用作大氣氣溶膠檢測；光路7用于獲取1 064 nm海面激光回波信號，用于海面高度檢測和獲取大氣氣溶膠校正信號。

隨著分光次數的增多，后面的光路會損失較多的光能，因此在設計時，按照不同波長的激光回波信號能量強弱順序，進行光路布局，即較弱的光信號先接收，較強的光信號后接收。650 nm的拉曼信號和685 nm的熒光信號是被532 nm激光所激發出來的，信號能量較弱，所以設計時將這兩支路前置。其余支路均是按照接收信號能量從低到高依次排布。

由于是光能接收系統，除光路7外，均采用濱松型號為S12571-015P的PMT接收，其成像面元為1 mm×1 mm。光路7采用濱松型號為S8890-10的APD接收，其感光面積為Φ1 mm。每支光路接收的光束口徑均為48 mm，焦距為65 mm，相對孔徑為1∶1.35。每支光路均采用一組雙膠合和一片單透鏡的結構形式，圖5分別給出各組態下不同視場的點列圖。

圖5 不同組態下點列圖

從圖5中可以看出，每個組態中各視場的點列圖的RMS半徑最大值依次為：85.381 μm、90.579 μ m 、59.094 μ m 、58.988 μ m 、71.486 μ m 、73.008 μm、93.992 μm。各支光路最大的像面尺寸僅為0.73 mm，遠遠小于PMT探測器1 mm×1 mm的面元尺寸，系統容錯性能優異。將離軸三反系統、準直系統以及分光系統進行拼接，形成系統總體結構，如圖6所示。

圖6 總體結構圖

整個光學系統的空間三維尺寸為1 000 mm×1 150 mm×1 300 mm，系統布局合理，空間利用率高，具有接收口徑大、探測靈敏度高、系統像差容錯性強等特點。

5 結論

本文設計了星載激光雷達的望遠接收光學系統，其工作軌道高度為463 km，接收波段范圍為450～1 064 nm。該系統由離軸三反系統、準直及分光光學系統組成。其中，通過解析法確定同軸三反光學系統參數并進行光闌離軸，得到離軸三反系統，其相對孔徑為1∶1，有效焦距為1 000 mm。經光束口徑為47.6 mm、焦距為50 mm的準直系統后，對出射的平行光束進行7路分光。各支分光光路間互不干擾，由濱松的型號為S12571-015P、面元尺寸為1 mm×1 mm的高靈敏度PMT，及型號為S8890-10、感光面積為Φ1 mm的APD接收。整個系統三維尺寸為1 000 mm×1 150 mm×1 300 mm，無遮攔，結構緊湊、布局合理、空間利用率高。該系統對葉綠素濃度反演、大氣氣溶膠及水深檢測等科研應用具有重要參考意義，為建立適應全球不同海洋環境的全天時、垂直分辨的海洋觀測能力奠定了基礎。