多路分光星载激光雷达接收光学系统设计

杨超，陈宇，于可心，苏鹏程，樊润东

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

海洋蕴藏着巨大的能量，与人类生活息息相关。随着科技的发展，依靠科技创新探测海洋、驱动海洋事业发展，已被列为国家战略重点。海洋水色传感器自1978年就应运而生，由NASA发射且运行至今，被誉为卫星海洋遥感的里程碑。中国首颗海洋卫星“海洋一号A”2002年成功发射，标志着中国海洋卫星遥感与应用迈入一个崭新的阶段，结束中国没有海洋卫星的历史。相较于被动的水色传感器，星载激光雷达具有得天独厚的优势，它可以精确、高效率地获取目标信息，在植被垂直分布测量、海面高度测量及特殊气候监测方面也能体现出长处。最重要的，它可以实现从二维平面观测到垂直剖面观测[1]。国内海洋探测目前仍缺乏完善的星载激光雷达海洋探测系统，所以，激光雷达海洋探测系统的开发研制都是十分必要而迫切的。

反射式结构在空间光学领域应用广泛。2015年高铎瑞等人[2]设计了一种改进的易于加工、装调的离轴三反光学系统，其焦距为1 000 mm，F数为 10，全视场 2°×0.4°，反射镜面型均为二次曲面。2018年李旭阳等人[3]设计了一款大视场离轴三反光学系统，该系统应用于空间相机。其光学系统焦距为2 000 mm，F数为12，视场角为35°×1°，系统能量集中度高，成像质量接近衍射极限。其主镜和三镜采用X、Y多项式自由曲面设计，对加工难度提出了较高的要求。以上系统虽然像质较好，但由于口径较小，均难以实现长距离微弱信号接收。2018年孙永雪等人[4]设计了一个大口径离轴三反光学系统，其口径为500 mm，焦距为1 000 mm，视场角为1.1°×0.88°。该光学系统在奈奎斯特空间频率17 lp/mm处，光学传递函数MTF大于0.75，像面采用红外探测器接收。本文为了实现海洋中叶绿素浓度反演及水深探测等多项应用，对星载激光雷达接收光学系统提出了长焦距、大孔径及多路分光等要求。

本文设计的离轴三反接收系统的焦距为1 000 mm，F数为1。为便于后续分光，还在离轴三反系统后设计了准直系统，使其出射平行光。利用ZEMAX中的多重结构，在准直系统后设计了7路分光系统，分别由一路探测器接收。本系统工作距离较远，且多路应用中无需成像，因此选择灵敏度较高的光电倍增管作为极微弱回波信号的光能接收器。由于本系统属于能量系统，所以在进行像质评价时，宜采用点列图而非MTF曲线。

1 系统工作原理及设计思路

完整的激光雷达系统应该包含以下部分：多波长激光器、激光发射系统、接收系统、信号处理系统以及显示系统等。其基本原理是：首先由激光发射系统产生一束特定功率的激光束，经过大气传播后到达海面，海面反射的回波信号经过接收系统接收后进入信号处理系统，将采集卡上获取的信息录入计算机，经过信号处理后提取到所需信息，最后经过程序分析及计算，得到叶绿素浓度等应用数据。

设计接收系统时，考虑到空间领域的特殊应用条件，设计的系统应具有体积小、质量轻等特点。选取反射式光学系统，能够使系统具有较大口径，且不产生色差。常规的同轴反射系统，中心有遮拦，降低了系统对于微弱信号的探测能力[5]。本文的星载激光雷达接收系统选择离轴三反结构进行设计，其具有7个自由变量，能够很好地校正像差。

离轴三反系统需要在共轴三反初始结构基础上，进行镜片的离轴设置。在系统优化时，若不进行有效控制，结构会趋向共轴化。在ZE⁃MAX中利用宏程序，或者使用组合操作数等手段，通过控制轴外点边缘光线在不同反射镜上的高度差，可以有效解决上述问题。使离轴三反系统的像面与准直系统的物方焦平面相重合，两者衔接要满足光瞳拼接原则。经准直系统出射的平行光，经分光反射镜及分光棱镜进行多路分光，每支光路经过透镜组聚焦在各自像面上。由于从海水返回的激光信号极其微弱，因此利用可以实现单光子探测的高灵敏度光电倍增管PMT及雪崩光电二极管APD，来检测接收微弱光子，从而实现获取叶绿素浓度、探测水深和获取海面高度等应用信息。

2 离轴三反望远接收光学系统设计

2.1 设计指标

激光雷达系统中，还有一个与接收系统光轴平行的多波长激光发射系统（未在本文中设计）。卫星低轨运行时，激光发射光学系统在距卫星463 km的海面上的照射面积为40 m直径的圆形区域（激光足印面积）。为确保接收系统能够接收到足够的回波信号，考虑到海面复杂的气象环境，设接收望远镜系统接收海面成像面积为3倍的激光足印面积。根据公式S=3π×202=πr2，得出，由此可计算出系统视场角为：

海洋激光雷达望远接收系统主要技术指标如表1所示。

表1 接收望远镜主要技术参数

2.2 离轴三反初始结构获取

离轴三反光学系统的初始结构是在求解共轴三反系统初始结构参数的基础上，采用光阑离轴或视场离轴的方式得到的[6-8]。望远物镜的共轴三反初始结构数据计算，需要使物体位于无穷远，且光阑位于主镜或次镜上。通过与轮廓尺寸有关系的参数（次镜对主镜的遮拦比α1、三镜对次镜的遮拦比α2、次镜放大率β1和三镜的放大率β2）和三级像差系数计算（球差SΙ、彗差SΙΙ和像散SΙΙΙ）便可推导出：轮廓尺寸（主镜、次镜和三镜的曲率半径R1、R2和R3；各镜面到下一面的间隔d1、d2和d3）和三片反射镜二次曲面系数k1、k2、k3。

本文中，离轴三反系统属于一次成像结构，即像点位于三镜前某位置，α1、α2、β1、β2均为正值。根据近轴光学理论及经验公式可得出，α1≈ 0.394、α2≈ 1.17、β2≈ 0.164[9]。结合三级像差及轮廓尺寸相关公式，利用Matlab计算出共轴三反光学系统的初始结构参数如表2所示。

表2 共轴三反光学系统的初始构参数

得到的共轴三反光学系统的初始结构如图1所示。

图1 共轴三反光学系统初始结构

三镜为凸面时，会由于主光线在三镜上入射角的增大而导致像质变差；而主、次镜同为凸面，则会使系统的体积变大[10]。由图1可知，本系统采用了凹凸凹反射面组合形式，避免了上述结构的缺陷。

2.3 离轴三反望远接收系统优化设计

得到共轴三反光学系统初始结构后，先进行初步优化，再进行各镜面离轴量的设计。将光阑放置在主镜上，对主镜Y方向的偏心值进行逐步适当调整并进行系统优化，直至消除系统的中心遮拦。如只设置偏轴量不能消除遮拦，则可以同时设置适当偏视场量。在此过程中，为控制结构不趋向同轴，使用宏程序控制边缘光线与镜片一侧端点垂向距离辅助优化。

为了使整个系统各视场点列图能量集中，并降低准直系统以及分光系统的结构复杂程度和设计难度，需使离轴三反光学系统各视场也具有较小的弥散斑，经过优化得到离轴三反光学系统各部分参数如表3所示。其中主镜、次镜面型均为椭球面，三镜面型为双曲面。

表3 离轴三反光学系统结构参数

光学仿真结果图如图2所示，其中图2（a）为离轴三反光学系统的光学结构图，图2（b）为系统各视场点列图。从图2（a）中可以看出三片反射镜均已实现离轴，外观结构合理。从图2（b）中可以看出各视场点列图的均方根半径最大仅为18.691 μm，已具有较好像质，可以进行准直光学系统及后续分光系统的设计。

图2 离轴三反光学系统仿真图

3 准直光学系统设计

由于准直光学系统出射平行光，因此在设计时采用倒置设计方案，即：使准直光学系统与离轴三反系统具有相同的像高。倒置后，准直光学系统的像方孔径角应略大于离轴三反光学系统的像方孔径角，以保证在两系统拼接时，准直光学系统具有足够的口径。准直光学系统的设计对焦距要求并不严格，焦距越小，准直系统出射光束的平行性越差，反之，则平行性越好。但焦距太长又会导致后续分光系统的口径增大。本文中，设计的准直光学系统焦距取f'=50 mm，经其出射的平行光口径约为47.6 mm，较为适宜。准直系统的发散角ω为：

其中，y'为离轴三反像高。

根据公式（2），计算出系统发散角为0.208°，视场极小，光束平行性好。根据相对孔径及焦距值，在zebase库寻找合适的初始结构，并对其进行优化。优化后，将系统翻转，得到准直系统的外形结构如图3（a）所示，系统的发散角如图3（b）所示。

图3 准直系统设计结果

由图3（b）可以看出，系统各视场发散角均极小，具有较好的光束平行度。

4 共孔径多路分光系统设计

与接收系统光轴平行的多波长激光发射系统可以发出450～520 nm（可调谐）、532 nm和1 064 nm的激光波长，其中，450～520 nm可调谐蓝绿激光用于不同地理位置的水深测试，532 nm激光用于叶绿素浓度反演，1 064 nm激光用于大气气溶胶检测。不同的激光波长有不同的应用，在ZEMAX中利用多重结构进行多路分光设计，设计结果如图4所示。光束经四个分光镜及两个分光棱镜后，实现7路分光。每支光路设计都相当于一个单波长激光光学系统，各支光路相互独立、互不干扰。分光系统整体布局合理，为机械结构、探测器及电路系统等预留了足够空间。

图4 多路光结构图

光路1和光路2分别用于实现650 nm的水拉曼散射信号和685 nm的叶绿素荧光信号采集，进行叶绿素浓度反演计算；光路3和光路4都可接收475 nm/486 nm的海洋水体回波信号，并可根据不同海域的海水特性选择最佳探测波长进行水深测试；光路5和光路6用于接收532 nm的大气回波信号，用作大气气溶胶检测；光路7用于获取1 064 nm海面激光回波信号，用于海面高度检测和获取大气气溶胶校正信号。

随着分光次数的增多，后面的光路会损失较多的光能，因此在设计时，按照不同波长的激光回波信号能量强弱顺序，进行光路布局，即较弱的光信号先接收，较强的光信号后接收。650 nm的拉曼信号和685 nm的荧光信号是被532 nm激光所激发出来的，信号能量较弱，所以设计时将这两支路前置。其余支路均是按照接收信号能量从低到高依次排布。

由于是光能接收系统，除光路7外，均采用滨松型号为S12571-015P的PMT接收，其成像面元为1 mm×1 mm。光路7采用滨松型号为S8890-10的APD接收，其感光面积为Φ1 mm。每支光路接收的光束口径均为48 mm，焦距为65 mm，相对孔径为1∶1.35。每支光路均采用一组双胶合和一片单透镜的结构形式，图5分别给出各组态下不同视场的点列图。

图5 不同组态下点列图

从图5中可以看出，每个组态中各视场的点列图的RMS半径最大值依次为：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仅为0.73 mm，远远小于PMT探测器1 mm×1 mm的面元尺寸，系统容错性能优异。将离轴三反系统、准直系统以及分光系统进行拼接，形成系统总体结构，如图6所示。

图6 总体结构图

整个光学系统的空间三维尺寸为1 000 mm×1 150 mm×1 300 mm，系统布局合理，空间利用率高，具有接收口径大、探测灵敏度高、系统像差容错性强等特点。

5 结论

本文设计了星载激光雷达的望远接收光学系统，其工作轨道高度为463 km，接收波段范围为450～1 064 nm。该系统由离轴三反系统、准直及分光光学系统组成。其中，通过解析法确定同轴三反光学系统参数并进行光阑离轴，得到离轴三反系统，其相对孔径为1∶1，有效焦距为1 000 mm。经光束口径为47.6 mm、焦距为50 mm的准直系统后，对出射的平行光束进行7路分光。各支分光光路间互不干扰，由滨松的型号为S12571-015P、面元尺寸为1 mm×1 mm的高灵敏度PMT，及型号为S8890-10、感光面积为Φ1 mm的APD接收。整个系统三维尺寸为1 000 mm×1 150 mm×1 300 mm，无遮拦，结构紧凑、布局合理、空间利用率高。该系统对叶绿素浓度反演、大气气溶胶及水深检测等科研应用具有重要参考意义，为建立适应全球不同海洋环境的全天时、垂直分辨的海洋观测能力奠定了基础。