汤天瑾 杨居奎 伏瑞敏 孙立 孙欣 王玉诏 宋志清
陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达光学系统设计
汤天瑾 杨居奎 伏瑞敏 孙立 孙欣 王玉诏 宋志清
（北京空间机电研究所，北京 100094）
为了最大限度地发挥大口径的优势，多波束激光雷达与高分辨率相机共孔径设计已成为激光雷达的发展趋势。文章基于陆地生态系统碳监测卫星的需求，分析了大口径共孔径成像系统的特点和设计要点，给出了一种米级口径大视场的可见光多光谱相机与多波束激光接收、高倍率压缩大气探测三通道共孔径成像光学系统的设计思路和设计结果。光学系统焦距8 000mm/2 667mm，大气探测实现40倍压缩并与后续的法布里-珀罗标准具衔接，光学系统结构紧凑，多光谱谱段在其耐奎斯特频率处的像质、大气平行光出射波前差、多波束激光能量集中度达到衍射极限。共用三镜调焦可以有效保证各通道像质均达到衍射极限，对于大气通道尤为有利。该设计方案不仅适用于多波束激光雷达多功能共孔径光学系统，也可用于其它大口径多通道共孔径光学系统中。
多波束 激光雷达 共孔径 大口径 能量集中度 陆地生态系统碳监测卫星 航天遥感
星载激光雷达作为一种主动探测的有效手段，可以实现全天时、高精度获取全球地表信息，同时利用全波形回波数据，可以进一步反演地表的房屋、树木等高度，获得大空间尺度持续的四维大气信息[1-2]。与大气探测激光雷达相结合，可以进一步获取精细的时空分辨率和高探测精度，常用于探测气溶胶、云、温度和大气密度等[3-4]。
目前已经成功在轨应用的激光雷达系统以中小口径单波束为主，为了满足密集采样的需求，多波束高密度采样激光测绘雷达将是激光测绘载荷未来的发展方向[5]。同时随着技术的不断进步，大口径共孔径多波束激光雷达作为一种极具优势和潜力的探测手段，逐渐成为国内外研究的热点[6-7]。激光雷达只能实现离散点的测量。而反演精度的提升，需要同时识别地面物体种类，应配以高分辨率相机[7]。激光雷达和相机分体实现，给卫星上的体积、质量等带来很大压力，而共用大口径实现多通道测量，发挥大口径光学的最大效益，已成为目前的主流方向。
陆地生态系统碳监测卫星激光雷达主要用于林业生态探测，附带气溶胶和云探测。激光雷达采用线性全波形测距方式，具有在轨调焦能力，0°相机成像通道具有拍摄星下点地物高分辨率影像的功能，可实现相机增益、积分级数调整；
对地高分辨率多光谱成像分辨率优于2m。同时具备激光发射和光轴指向在轨调整能力，能够记录5个激光指向，获取激光足印附近地物影像功能，并记录激光主波和回波波形，经数传分系统实时下传，在轨监测5个激光光束指向变化；
同时镜头兼顾大气子系统的激光接收功能。卫星轨道高度500km；
用于植被测量的激光发射机5台，工作波长1 064nm，激光工作频率40Hz，光斑大小25m。该系统采用了多通道共口径光学设计，根据激光接收能量需求进行设计，系统口径需要达到1m以上。
图1 光学镜头功能组成
多波束激光雷达的主要功能包括植被测量和大气探测两部分，其中植被测量又包括0°相机成像和五波束植被探测功能，功能如图1所示。
植被测量5个回波视场均匀分布在焦面上，各通道技术指标如表1所示。
表1 植被测量回波通道指标参数
五波束激光通过光纤导入中继光学系统，准直成平行光后通过滤光片实现窄带滤光再聚焦到雪崩光电二极管探测器件（Avalanche Photodiode，APD），指标参数如表2所示。
表2 五波束激光中继光学系统指标参数
大气532nm回波位置与大气回波1 064nm回波位置相同。在二次像位置设置有实光阑，设计时需要考虑保证相机在轨状态光阑位置无渐晕。该功能通道的设计要求如表3所示。
表3 大气回波光学系统指标参数
0º相机光学系统需要实现宽幅多光谱成像，其具体技术指标如表4所示。
表4 0°相机学系统指标参数
陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达相机需要同时实现高分辨率成像、激光回波探测和大气探测功能，激光回波探测通道在其像面处通过光纤接收能量，导出后与其中继成像系统连接，中继成像系统需放置窄带滤光片，因此光路需要实现准平行光设计；
大气通道为独立的探测视场，最终形成高倍率压缩的平行光路与后续元件相连接；
大气探测通道需严格控制视场范围，与二次像面处的视场光阑配合使用，由于视场光阑位置和大小不可调，因此设计时需要特别考虑在轨过程中如何保证视场光阑与光路最佳焦面始终一致的问题。如何以最简化的结构形式和最低的工程化代价实现大口径多通道一体化设计，是光学设计的重点和难点。
2.1 光学系统初始结构选择
相机光学系统结构形式一般有折射式、反射式和折反射式。由于大口径、高品质的透镜材料难于获取，且宽谱段色差不易消除，大口径折射式镜头难以实现；
反射式系统无色差，多波段系统可共用反射镜，但其轴外像差较大，一般多与折射式中继镜组相结合形成折反射式系统。多功能一体化光学系统主要有分孔径式和共孔径式两种，其组成原理如图2所示。对于分孔径的结构形式，需要利用两个独立的镜头实现不同谱段成像，其组成如图2（a）所示。共孔径结构形式又包括两种：共孔径共光路式如图2（b），两个波段共用所有的光学元件；
共孔径分光路式如图2（c），两通道共用部分光学元件，利用分光元件和中继镜组将不同波段的辐射光聚焦到两个不同的焦点处[8-10]。
图2 分孔径及共孔径式系统原理图
分孔径式由于采用两个镜头，其体积、质量大，且各镜头相对位置不易保证，难以满足遥感器小型、轻质和高稳定性的要求，尤其对于大口径系统劣势明显[11-15]。相比之下，共孔径式光机结构更加紧凑，采用折反射式还可以实现长焦距和大口径，特别适用于高精度高分辨率遥感器光学系统。
从陆地生态系统碳监测卫星激光雷达技术要求可以看出，光学系统需要实现米级口径入瞳下的共孔径多功能通道的一体化设计，同时要考虑大气探测通道的视场光阑需要始终与该位置的光束尺寸相匹配，实现工作过程始终无渐晕，设计构型如图3所示。
图3 折反式和全反式双三镜光路布局图
图3 的折反射式方案即图2（c）的构型，能够满足总体技术指标要求，同时可以实现各通道焦距分别调整；
其缺点在于各通道中继镜组放大倍率差异较大，大气探测通道二次像面位置放置的视场光阑调整没有量化依据，在轨环境下不易实现最优化调整。为了使大气回波通道视场光阑始终与光学最佳焦面相耦合，从而尽可能的减小渐晕，光学系统采用各通道共用主、次、分离三镜结构形式，并进行了优化设计。0°相机可见光多光谱通道采用偏视场设计，五波束植被测量通道与大气探测通道采用与相机通道相反的另一侧视场设计，通过调整各通道三镜，即可实现0°相机可见光多光谱通道与大气回波通道视场光阑始终处于最佳位置。通过各自的三镜参数调整，可以实现两个通道焦距的优化。但是采用分离三镜的结构形式，需要同时调整两个三镜，即需要两套调焦机构，并且需要为激光通道提供最佳焦面位置的判读，带来成本及布局等问题。
图4 全反射式共三镜光学系统构形图
为了尽量降低成本、提高工程可行性，考虑各通道共三镜方案，各通道分视场设计，通过各自独立的中继元件实现焦距调整、共最佳二次像面；
大气回波探测通道通过偏置中继透镜组的方式，实现平行光输出。以0°相机可见光多光谱像质最优作为判据，通过共用三镜调焦实现多光谱相机、多波束植被激光和大气探测激光通道的二次像同时处于各自最佳焦面位置，保证大气探测通道始终无渐晕且经过后续中继元件后出射平行光波前最优。光学系统构型如图4。
光学系统的植被激光通道、大气探测激光通道与0°相机可见光多光谱通道使用光轴同侧视场，此时植被激光通道与大气探测激光通道的偏场角进一步增大，但可以有效减小三镜尺寸，通过三镜调焦即可使0°相机、植被激光通道和大气探测激光通道同时处于最佳焦面位置。在五波束激光二次像面前增加透镜组实现焦距调整，透镜组由两片球面透镜组成，五个透镜中心轴与五波束激光各自中心视场主光线方向一致。多波束激光雷达光学系统各通道视场优化设置后如图5所示。
图5 光学系统各通道视场设置示意图
表5 三个反射镜系统初始结构参数
选择同轴三反系统作为多通道光学系统的共用光学元件，反射镜镀膜后可以在可见光和激光谱段范围内都实现高反射率，结构形式简单、外形体积小，通过优化设计合理分配后续光学元件的光焦度，实现各通道像质满足使用需求。
优化后的光学系统整体结构形式、激光光纤后中继镜组及大气回波探测通道平行光中继镜组如图6所示。
图6 光学系统及中继镜组结构图
2.2 光学系统像质评价
经过优化设计，光学系统0°相机各谱段在其耐奎斯特频率处的调制传递函数曲线如图7所示，计算时考虑次镜三个支撑杆和次镜引起的遮拦，多光谱各谱段传递函数平均值在耐奎斯特频率18线对/mm处大于0.69。
图7 各谱段光学系统MTF曲线
光学系统全视场畸变约为1.77%，单谱段各自视场内相对畸变约为1.5%，畸变网格如图8所示。
图8 0°相机全视场畸变网格
五波束植被激光测量通道各点在其二次像面最佳焦面上各归一化视场的能量集中度曲线如图9所示，各视场在直径90μm范围内能量集中度大于98%。
图9 五波束植被测量通道能量集中度曲线
光纤发出的光经过中继光学系统后汇聚至APD的光斑如图10所示，可以看出，在APD上汇聚的光斑直径大小约为0.474mm，满足相机设计指标要求。
图10 植被激光中继光学系统像面处光斑追迹图
大气回波探测激光通道二次像面处各视场点的能量集中度曲线如图11所示，能量集中度数值如表6所示，各视场在60μm范围内能量集中度平均值大于90%，满足相机设计指标要求。
图11 大气回波探测激光通道两个波长在二次像面处能量集中度曲线
大气回波通道平行光路的接收视场为200μrad，平行光路取中心视场点为（0.225°，–1.15°），点视场范围取±105μrad，各视场点能量集中度数值如表6所示。
表6 大气回波探测激光通道各视场点能量集中度数值
大气回波激光通道两个谱段在二次像面处的点列图如图12所示。出射平行光束各视场出射角度如表7所示。可以看出，两个波长出射角度较为接近，满足后续光学元件的入射角度要求。
图12 大气回波探测通道两个波长在二次像面处的点列图
表7 大气探测激光平行光出射角度
0°相机的焦深范围为±0.081mm（=632.8nm），次镜和三镜沿轴向调整时，对系统焦距和后截距都会产生影响。各通道共用主、次、三镜，三镜后形成二次像，三镜调焦以0°相机为基准，即可保证各波段和通道的二次像像质最佳。
基于ZEMAX和CODEV光学设计软件，结合目前加工装调能力，对各反射镜和透镜的灵敏度进行了分析，结合基于软件结构进行拓展宏功能开发，实现对各通道不同功能需求的工程化可实现性预估，表8给出了加工装调偏心、厚度及间隔、面形峰谷值（PV）、面形均方根（RMSE）、非球面系数公差[19]。
表8 光学件加工及装调灵敏度列表
基于上述加工及装调灵敏度，分析可以得到：可见光通道的最终MTF与设计值的比值能够达到0.85以上；
大气探测通道平行光出射角度90%概率小于0.36°；
植被测量回波接收五波束激光中继接收光学系统滤光片入射角度90%概率下小于0.55°，像面尺寸小于0.6mm。二次像面处的植被测量回波五波束激光和大气回波探测通道在各自视场内能量集中度变化较小，表9给出了分析结果。
表9 公差分析结果
镜头装调完成后，进行光学性能测试，测试结果可以定量的判断光学设计、加工和装调的可靠性[20]。主镜面形作为对系统像质影响最大的误差量，加工和测试过程都进行了严格把控，在反射镜镀膜前后均进行了测试，保证最终使用面形达到0.019（=632.8nm）。主次镜一次像系统的装调采用4D干涉仪进行测试，保证一次像残余像差与设计值一致。通过计算机辅助装调技术，精确保证各反射镜及透镜组件的优化补偿调整，实现各通道的像质最佳。0°相机的调制传递函数是最重要的测试指标，镜头采用干涉仪测试，测试波长为632.8nm。畸变测试则通过专用相机支架固定在二维转台上，靶标通过平行光管成像在被测相机焦面上，利用数据采集与处理系统计算靶标像的质心位移，通过转台度数测试被测相机转过的角度。分别利用公式计算主距和各个视场的畸变分布。
0°相机的镜头在耐奎斯特频率18线对/mm处的调制传递函数测试时各归一化视场波前及数值如表10所示。畸变调制传递函数测试结果如图13所示，经过分析计算，相对畸变约为1.55%。
表10 0°相机镜头各视场波前及调制传递函数
五波束激光经共孔径光学系统后在二次像面处汇聚，通过光纤导出与激光中继光学系统相连接，经中继光学系统后在APD处接收。经过精密装调后，在APD处接收到的光斑如图14所示，尺寸约占探测器90～100个像元，探测器像元尺寸5.55μm，故光斑尺寸为0.495mm。
图13 镜头畸变测试数据图
图14 五波束激光在APD上接收的光斑图
当APD处于离焦位置，光斑直径与APD离焦量如图15所示。当离焦量大于±0.2mm时，光斑直径>0.8mm，超出APD光敏面范围，此时，APD上的信号幅值会开始减弱，找到两侧信号开始减弱的点，装调测试时取中间值做为中继透镜像方焦点位置。
图15 光斑直径与离焦量之间的关系
大气中继透镜组采用传统透射式装调方式，装调完成后与大气视场光阑相连，使用632.8nm的干涉仪配合模拟焦面，利用“猫眼”条纹，测试该透镜组在632.8nm谱段下焦面的位置，然后将模拟焦面替换成光阑。大气通道出瞳光斑大小采用大面阵CCD放置在平行光出射口处，通过分析形成的圆光斑在CCD上占用的像元数目得到平行光光斑大小。除此之外，镜头焦距、口径、光学系统透过率、五波束激光二次像面处能量集中度等均进行了定量测试，测试结果如表11所示。
表11 镜头测试结果
陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达具有0°相机、五波束植被激光探测和大气激光探测功能，光学系统具有大口径共孔径成像、结构体积紧凑的特点，设计时综合考虑了各通道像质，同时兼顾了大气激光探测二次像焦面最佳位置利用0°多光谱相机进行辅助判读的途径。本文基于理论研究和多方案比较，给出了一种大口径大视场的可见光多光谱相机、植被激光接收、偏置高倍率压缩大气激光探测三通道共孔径光学系统设计结果，针对其各项指标要求和工程化可实现性进行了分析，最后给出了工程化测试结果，完全满足各项探测需求。为遥感卫星大口径主被动载荷一体化共孔径遥感器系统提供了一个有效技术途径，提升了体积、质量等资源的利用效益。
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Optical Design Used in Multi-beam LiDAR for Monitoring of TECIS
TANG Tianjin YANG Jukui FU Ruimin SUN Li SUN Xin WANG Yuzhao SONG Zhiqing
（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）
To exert the maximum benefit of large-diameter, common-aperture optical design of multi-beam LiDAR and high resolution camera has become a trend. Based on the request of monitoring satellite of carbon dioxideterrestrial biosphere, design key points and characteristics of common-aperture optics with large-aperture are analysed in this paper, optical design ideas and results for the three-channel common-aperture imaging system is given, which can realize high-resolution imaging, multi-beam laser reception and atmospheric detection with high rate compression. The optical system has the focal length of 8 000mm and 2 667mm, the compression rate is 40 for atmospheric detection, the parallel light will join to the Fabry-Perot Etalons. The optical system has the advantages of compact structure, diffraction limit for high resolution multispectral imaging, high-quality parallel light, diffraction encircled energy limit for multi-beam laser detection. The shared third mirror works as the shared focusing system, which can ensure the optimum quality for three channels especially the atmospheric detection with a fixed field diaphragm on the position of its secondary image. The optics proposed in this paper is not only suitable for the common-aperture optical system of multi-beam LiDAR, but also fit for other optics with large common aperture.
multi-beam; LiDAR; common-aperture; large-diameter; diffraction encircled energy; terrestrial ecosystem carbon inventory satellite; space remote sensing
0439
A
1009-8518(2022)06-0036-14
10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.004
2022-10-20
国家重大科技专项工程
汤天瑾, 杨居奎, 伏瑞敏, 等. 陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达光学系统设计[J]. 航天返回与遥感, 2022, 43(6): 36-49.
TANG Tianjin, YANG Jukui, FU Ruimin, et al. Optical Design Used in Multi-beam LiDAR for Monitoring of TECIS[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6): 36-49. (in Chinese)
汤天瑾，女，1979年生，2005年获浙江大学光学工程专业硕士学位，研究员。主要研究方向为空间光学系统设计及工程化研究。E-mail：**20100419@163.com。
（编辑：庞冰）
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