楊超，陳宇，于可心，蘇鵬程，樊潤東

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

海洋蘊(yùn)藏著巨大的能量，與人類生活息息相關(guān)。隨著科技的發(fā)展，依靠科技創(chuàng)新探測(cè)海洋、驅(qū)動(dòng)海洋事業(yè)發(fā)展，已被列為國家戰(zhàn)略重點(diǎn)。海洋水色傳感器自1978年就應(yīng)運(yùn)而生，由NASA發(fā)射且運(yùn)行至今，被譽(yù)為衛(wèi)星海洋遙感的里程碑。中國首顆海洋衛(wèi)星“海洋一號(hào)A”2002年成功發(fā)射，標(biāo)志著中國海洋衛(wèi)星遙感與應(yīng)用邁入一個(gè)嶄新的階段，結(jié)束中國沒有海洋衛(wèi)星的歷史。相較于被動(dòng)的水色傳感器，星載激光雷達(dá)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，它可以精確、高效率地獲取目標(biāo)信息，在植被垂直分布測(cè)量、海面高度測(cè)量及特殊氣候監(jiān)測(cè)方面也能體現(xiàn)出長處。最重要的，它可以實(shí)現(xiàn)從二維平面觀測(cè)到垂直剖面觀測(cè)[1]。國內(nèi)海洋探測(cè)目前仍缺乏完善的星載激光雷達(dá)海洋探測(cè)系統(tǒng)，所以，激光雷達(dá)海洋探測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)研制都是十分必要而迫切的。

反射式結(jié)構(gòu)在空間光學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。2015年高鐸瑞等人[2]設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的易于加工、裝調(diào)的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，其焦距為1 000 mm，F(xiàn)數(shù)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(shè)計(jì)了一款大視場離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于空間相機(jī)。其光學(xué)系統(tǒng)焦距為2 000 mm，F(xiàn)數(shù)為12，視場角為35°×1°，系統(tǒng)能量集中度高，成像質(zhì)量接近衍射極限。其主鏡和三鏡采用X、Y多項(xiàng)式自由曲面設(shè)計(jì)，對(duì)加工難度提出了較高的要求。以上系統(tǒng)雖然像質(zhì)較好，但由于口徑較小，均難以實(shí)現(xiàn)長距離微弱信號(hào)接收。2018年孫永雪等人[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)大口徑離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，其口徑為500 mm，焦距為1 000 mm，視場角為1.1°×0.88°。該光學(xué)系統(tǒng)在奈奎斯特空間頻率17 lp/mm處，光學(xué)傳遞函數(shù)MTF大于0.75，像面采用紅外探測(cè)器接收。本文為了實(shí)現(xiàn)海洋中葉綠素濃度反演及水深探測(cè)等多項(xiàng)應(yīng)用，對(duì)星載激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)提出了長焦距、大孔徑及多路分光等要求。

本文設(shè)計(jì)的離軸三反接收系統(tǒng)的焦距為1 000 mm，F(xiàn)數(shù)為1。為便于后續(xù)分光，還在離軸三反系統(tǒng)后設(shè)計(jì)了準(zhǔn)直系統(tǒng)，使其出射平行光。利用ZEMAX中的多重結(jié)構(gòu)，在準(zhǔn)直系統(tǒng)后設(shè)計(jì)了7路分光系統(tǒng)，分別由一路探測(cè)器接收。本系統(tǒng)工作距離較遠(yuǎn)，且多路應(yīng)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(hào)的光能接收器。由于本系統(tǒng)屬于能量系統(tǒng)，所以在進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，宜采用點(diǎn)列圖而非MTF曲線。

1 系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)思路

完整的激光雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)該包含以下部分：多波長激光器、激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)等。其基本原理是：首先由激光發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生一束特定功率的激光束，經(jīng)過大氣傳播后到達(dá)海面，海面反射的回波信號(hào)經(jīng)過接收系統(tǒng)接收后進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)，將采集卡上獲取的信息錄入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過信號(hào)處理后提取到所需信息，最后經(jīng)過程序分析及計(jì)算，得到葉綠素濃度等應(yīng)用數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)接收系統(tǒng)時(shí)，考慮到空間領(lǐng)域的特殊應(yīng)用條件，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)具有體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。選取反射式光學(xué)系統(tǒng)，能夠使系統(tǒng)具有較大口徑，且不產(chǎn)生色差。常規(guī)的同軸反射系統(tǒng)，中心有遮攔，降低了系統(tǒng)對(duì)于微弱信號(hào)的探測(cè)能力[5]。本文的星載激光雷達(dá)接收系統(tǒng)選擇離軸三反結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其具有7個(gè)自由變量，能夠很好地校正像差。

離軸三反系統(tǒng)需要在共軸三反初始結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)行鏡片的離軸設(shè)置。在系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，若不進(jìn)行有效控制，結(jié)構(gòu)會(huì)趨向共軸化。在ZE?MAX中利用宏程序，或者使用組合操作數(shù)等手段，通過控制軸外點(diǎn)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(tǒng)的像面與準(zhǔn)直系統(tǒng)的物方焦平面相重合，兩者銜接要滿足光瞳拼接原則。經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)出射的平行光，經(jīng)分光反射鏡及分光棱鏡進(jìn)行多路分光，每支光路經(jīng)過透鏡組聚焦在各自像面上。由于從海水返回的激光信號(hào)極其微弱，因此利用可以實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的高靈敏度光電倍增管PMT及雪崩光電二極管APD，來檢測(cè)接收微弱光子，從而實(shí)現(xiàn)獲取葉綠素濃度、探測(cè)水深和獲取海面高度等應(yīng)用信息。

2 離軸三反望遠(yuǎn)接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

激光雷達(dá)系統(tǒng)中，還有一個(gè)與接收系統(tǒng)光軸平行的多波長激光發(fā)射系統(tǒng)（未在本文中設(shè)計(jì)）。衛(wèi)星低軌運(yùn)行時(shí)，激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)在距衛(wèi)星463 km的海面上的照射面積為40 m直徑的圓形區(qū)域（激光足印面積）。為確保接收系統(tǒng)能夠接收到足夠的回波信號(hào)，考慮到海面復(fù)雜的氣象環(huán)境，設(shè)接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收海面成像面積為3倍的激光足印面積。根據(jù)公式S=3π×202=πr2，得出，由此可計(jì)算出系統(tǒng)視場角為：

海洋激光雷達(dá)望遠(yuǎn)接收系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 接收望遠(yuǎn)鏡主要技術(shù)參數(shù)

2.2 離軸三反初始結(jié)構(gòu)獲取

離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)是在求解共軸三反系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用光闌離軸或視場離軸的方式得到的[6-8]。望遠(yuǎn)物鏡的共軸三反初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計(jì)算，需要使物體位于無窮遠(yuǎn)，且光闌位于主鏡或次鏡上。通過與輪廓尺寸有關(guān)系的參數(shù)（次鏡對(duì)主鏡的遮攔比α1、三鏡對(duì)次鏡的遮攔比α2、次鏡放大率β1和三鏡的放大率β2）和三級(jí)像差系數(shù)計(jì)算（球差SΙ、彗差SΙΙ和像散SΙΙΙ）便可推導(dǎo)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(shù)k1、k2、k3。

本文中，離軸三反系統(tǒng)屬于一次成像結(jié)構(gòu)，即像點(diǎn)位于三鏡前某位置，α1、α2、β1、β2均為正值。根據(jù)近軸光學(xué)理論及經(jīng)驗(yàn)公式可得出，α1≈ 0.394、α2≈ 1.17、β2≈ 0.164[9]。結(jié)合三級(jí)像差及輪廓尺寸相關(guān)公式，利用Matlab計(jì)算出共軸三反光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 共軸三反光學(xué)系統(tǒng)的初始構(gòu)參數(shù)

得到的共軸三反光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 共軸三反光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)

三鏡為凸面時(shí)，會(huì)由于主光線在三鏡上入射角的增大而導(dǎo)致像質(zhì)變差；而主、次鏡同為凸面，則會(huì)使系統(tǒng)的體積變大[10]。由圖1可知，本系統(tǒng)采用了凹凸凹反射面組合形式，避免了上述結(jié)構(gòu)的缺陷。

2.3 離軸三反望遠(yuǎn)接收系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

得到共軸三反光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)后，先進(jìn)行初步優(yōu)化，再進(jìn)行各鏡面離軸量的設(shè)計(jì)。將光闌放置在主鏡上，對(duì)主鏡Y方向的偏心值進(jìn)行逐步適當(dāng)調(diào)整并進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，直至消除系統(tǒng)的中心遮攔。如只設(shè)置偏軸量不能消除遮攔，則可以同時(shí)設(shè)置適當(dāng)偏視場量。在此過程中，為控制結(jié)構(gòu)不趨向同軸，使用宏程序控制邊緣光線與鏡片一側(cè)端點(diǎn)垂向距離輔助優(yōu)化。

為了使整個(gè)系統(tǒng)各視場點(diǎn)列圖能量集中，并降低準(zhǔn)直系統(tǒng)以及分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)難度，需使離軸三反光學(xué)系統(tǒng)各視場也具有較小的彌散斑，經(jīng)過優(yōu)化得到離軸三反光學(xué)系統(tǒng)各部分參數(shù)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(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

光學(xué)仿真結(jié)果圖如圖2所示，其中圖2（a）為離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖，圖2（b）為系統(tǒng)各視場點(diǎn)列圖。從圖2（a）中可以看出三片反射鏡均已實(shí)現(xiàn)離軸，外觀結(jié)構(gòu)合理。從圖2（b）中可以看出各視場點(diǎn)列圖的均方根半徑最大僅為18.691 μm，已具有較好像質(zhì)，可以進(jìn)行準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)及后續(xù)分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖2 離軸三反光學(xué)系統(tǒng)仿真圖

3 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)出射平行光，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用倒置設(shè)計(jì)方案，即：使準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)與離軸三反系統(tǒng)具有相同的像高。倒置后，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的像方孔徑角應(yīng)略大于離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的像方孔徑角，以保證在兩系統(tǒng)拼接時(shí)，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)具有足夠的口徑。準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)焦距要求并不嚴(yán)格，焦距越小，準(zhǔn)直系統(tǒng)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(huì)導(dǎo)致后續(xù)分光系統(tǒng)的口徑增大。本文中，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)焦距取f'=50 mm，經(jīng)其出射的平行光口徑約為47.6 mm，較為適宜。準(zhǔn)直系統(tǒng)的發(fā)散角ω為：

其中，y'為離軸三反像高。

根據(jù)公式（2），計(jì)算出系統(tǒng)發(fā)散角為0.208°，視場極小，光束平行性好。根據(jù)相對(duì)孔徑及焦距值，在zebase庫尋找合適的初始結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后，將系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)，得到準(zhǔn)直系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，系統(tǒng)的發(fā)散角如圖3（b）所示。

圖3 準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

由圖3（b）可以看出，系統(tǒng)各視場發(fā)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(tǒng)設(shè)計(jì)

與接收系統(tǒng)光軸平行的多波長激光發(fā)射系統(tǒng)可以發(fā)出450～520 nm（可調(diào)諧）、532 nm和1 064 nm的激光波長，其中，450～520 nm可調(diào)諧藍(lán)綠激光用于不同地理位置的水深測(cè)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(cè)。不同的激光波長有不同的應(yīng)用，在ZEMAX中利用多重結(jié)構(gòu)進(jìn)行多路分光設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。光束經(jīng)四個(gè)分光鏡及兩個(gè)分光棱鏡后，實(shí)現(xiàn)7路分光。每支光路設(shè)計(jì)都相當(dāng)于一個(gè)單波長激光光學(xué)系統(tǒng)，各支光路相互獨(dú)立、互不干擾。分光系統(tǒng)整體布局合理，為機(jī)械結(jié)構(gòu)、探測(cè)器及電路系統(tǒng)等預(yù)留了足夠空間。

圖4 多路光結(jié)構(gòu)圖

光路1和光路2分別用于實(shí)現(xiàn)650 nm的水拉曼散射信號(hào)和685 nm的葉綠素?zé)晒庑盘?hào)采集，進(jìn)行葉綠素濃度反演計(jì)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(hào)，并可根據(jù)不同海域的海水特性選擇最佳探測(cè)波長進(jìn)行水深測(cè)試；光路5和光路6用于接收532 nm的大氣回波信號(hào)，用作大氣氣溶膠檢測(cè)；光路7用于獲取1 064 nm海面激光回波信號(hào)，用于海面高度檢測(cè)和獲取大氣氣溶膠校正信號(hào)。

隨著分光次數(shù)的增多，后面的光路會(huì)損失較多的光能，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，按照不同波長的激光回波信號(hào)能量強(qiáng)弱順序，進(jìn)行光路布局，即較弱的光信號(hào)先接收，較強(qiáng)的光信號(hào)后接收。650 nm的拉曼信號(hào)和685 nm的熒光信號(hào)是被532 nm激光所激發(fā)出來的，信號(hào)能量較弱，所以設(shè)計(jì)時(shí)將這兩支路前置。其余支路均是按照接收信號(hào)能量從低到高依次排布。

由于是光能接收系統(tǒng)，除光路7外，均采用濱松型號(hào)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(hào)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(duì)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(jié)構(gòu)形式，圖5分別給出各組態(tài)下不同視場的點(diǎn)列圖。

圖5 不同組態(tài)下點(diǎn)列圖

從圖5中可以看出，每個(gè)組態(tài)中各視場的點(diǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于PMT探測(cè)器1 mm×1 mm的面元尺寸，系統(tǒng)容錯(cuò)性能優(yōu)異。將離軸三反系統(tǒng)、準(zhǔn)直系統(tǒng)以及分光系統(tǒng)進(jìn)行拼接，形成系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 總體結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的空間三維尺寸為1 000 mm×1 150 mm×1 300 mm，系統(tǒng)布局合理，空間利用率高，具有接收口徑大、探測(cè)靈敏度高、系統(tǒng)像差容錯(cuò)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了星載激光雷達(dá)的望遠(yuǎn)接收光學(xué)系統(tǒng)，其工作軌道高度為463 km，接收波段范圍為450～1 064 nm。該系統(tǒng)由離軸三反系統(tǒng)、準(zhǔn)直及分光光學(xué)系統(tǒng)組成。其中，通過解析法確定同軸三反光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)并進(jìn)行光闌離軸，得到離軸三反系統(tǒng)，其相對(duì)孔徑為1∶1，有效焦距為1 000 mm。經(jīng)光束口徑為47.6 mm、焦距為50 mm的準(zhǔn)直系統(tǒng)后，對(duì)出射的平行光束進(jìn)行7路分光。各支分光光路間互不干擾，由濱松的型號(hào)為S12571-015P、面元尺寸為1 mm×1 mm的高靈敏度PMT，及型號(hào)為S8890-10、感光面積為Φ1 mm的APD接收。整個(gè)系統(tǒng)三維尺寸為1 000 mm×1 150 mm×1 300 mm，無遮攔，結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、空間利用率高。該系統(tǒng)對(duì)葉綠素濃度反演、大氣氣溶膠及水深檢測(cè)等科研應(yīng)用具有重要參考意義，為建立適應(yīng)全球不同海洋環(huán)境的全天時(shí)、垂直分辨的海洋觀測(cè)能力奠定了基礎(chǔ)。