【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光电探测，具体涉及一种大视场、结构紧凑的基于自由曲面的图谱协同探测系统及方法。
技术介绍
1、传统的光电探测系统基于光学成像，依据目标在探测器上所成像的形态学特征对目标的类型进行识别。随着探测系统的技术指标进一步提高，比如具有更远的探测识别距离，探测系统需要具备更大的通光口径，导致系统非常庞大而且笨重，很难满足载荷轻小化的需求。基于光学成像和光谱识别协同的探测系统是实现传统光电探测系统更远距离探测和识别的有效途径。授权公告号为cn105182436b的专利公开了一种全光学波段图谱协同探测动目标的装置和方法。申请公布号为cn105676305a的专利公开了一种共口径多视场图谱协同探测系统与方法。授权公告号为cn108152863b的专利公开了一种可大视场搜索的图谱协同探测系统及搜索方法。授权公告号为cn108415097b的专利公开了一种多波段红外成像的图谱协同探测系统和方法。上述专利公开的图谱协同探测方法和系统均使用回转对称的前置光学实现物方瞬时场景的收集，然后通过转动机构的扫描实现大视场。这种方法和系统限制了探测系统的瞬时视场，很难满足远距离多目标探测识别的应用需求。
2、与球面和非球面相比，自由曲面给光学系统设计提供了更多的设计自由度，因此具有更强的像差校正能力，特别适用于大视场紧凑型光电探测系统的设计。近年来，随着先进制造技术的不断发展，自由曲面在成像领域和照明领域均有许多成功的应用，也为自由曲面在图谱协同探测系统的运用上提供了很多可能。综上，将自由曲面应用到图谱协同探测系统的设计制造中具有非常重
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于自由曲面的图谱协同探测系统及方法。
2、本专利技术是这样实现的，一种基于自由曲面的图谱协同探测系统，该系统包括：
3、前置光学，该前置光学由三个反射镜组成，用于反射物方视场的光线，并会聚成像，会聚光线形成第一入射光线；
4、视场光阑，该视场光阑为中间开孔的平面反射镜，反射面将第一入射光线中的部分光线反射并形成第一视场光线，开孔部分将第一入射光线中的其余光线透过并形成第二视场光线；
5、中继光学，该中继光学用于透射第一视场光线，并缩小成像；
6、成像探测器，该成像探测器用于接收经过中继光学缩小的图像；
7、光谱获取模块，该光谱获取模块用于将第二视场光线进行分光，形成干涉；
8、光谱探测器，该光谱探测器用于接收光谱获取模块输出的干涉光的强度；
9、所述前置光学由沿着光线传输方向的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜组成，第一反射镜和第三反射镜的反射面均为自由曲面；第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜三者的几何中心不共轴，但其反射面的面型中心共轴，并且第一反射镜和第三反射镜互相接近，可加工在同一块基板上。
10、进一步，所述第一反射镜、第三反射镜的反射面均为由含有x的偶次项的5次xy多项式组成，该xy多项式自由曲面的表达方程为：
11、
12、进一步，所述第二反射镜的反射面为10阶偶次非球面，面型表达方程为：
13、
14、进一步，所述前置光学的工作波段为2.5～16.0μm。
15、进一步，所述视场光阑由薄金属平行平板组成，该视场光阑迎着光线入射的表面镀有反射膜；所述视场光阑的中间开孔，孔的形状和大小根据所述探测系统的指标要求进行设置。
16、进一步，所述前置光学、视场光阑、中继光学和成像探测器组成成像通道，该通道的工作波段为7.7～9.5μm。
17、进一步，所述中继光学由多个具有不同材料组合的正透镜、负透镜组成。
18、进一步，所述中继光学的透镜的面型为球面。
19、进一步，所述光谱获取模块由迈克尔逊干涉仪、准直反射镜和会聚反射镜组成。
20、进一步，所述光谱获取模块和光谱探测器组成光谱获取通道，该通道的工作波段为2.5～16.0μm。
21、进一步，所述探测系统的通光口径为100mm，其中成像通道的视场为2.75°×2.20°、光谱获取通道的视场为0.2°×0.2°。
22、本专利技术还提供了一种基于自由曲面的图谱协同探测方法，包括以下步骤：
23、步骤1：光线收集，通过前置光学由第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜组成的三反射镜系统反射物方视场光线，并会聚成第一入射光线，其中第一反射镜和第三反射镜的反射面为自由曲面，第一反射镜和第三反射镜加工在同一基板上；
24、步骤2：视场分离，通过视场光阑对第一入射光线进行分离，反射部分光线形成第一视场光线，透过部分光线形成第二视场光线；
25、步骤3：成像处理，利用中继光学对第一视场光线进行缩小成像，并将其投射到成像探测器上；
26、步骤4：光谱分光，通过光谱获取模块对第二视场光线进行分光和干涉处理，并利用光谱探测器记录干涉光的强度。
27、进一步，所述光线收集步骤中：
28、前置光学的工作波段为2.5～16.0μm；
29、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的面型中心共轴，几何中心不共轴，以降低光学装调的难度；
30、所述视场光阑为镀反射膜的薄金属平行平板，中间开孔的形状和大小根据探测系统的要求设定。
31、进一步，所述光谱分光步骤中：
32、光谱获取模块由迈克尔逊干涉仪、准直反射镜和会聚反射镜组成，分光过程中利用迈克尔逊干涉仪产生干涉图；
33、第二视场光线通过光谱获取模块后，被记录为宽谱段的干涉光强数据，并输出至光谱探测器；
34、光谱探测器的工作波段为2.5～16.0μm，用于接收并记录干涉光强度。
35、进一步，还包括以下步骤：
36、步骤5：视场调整，通过调节视场光阑的开孔大小和位置，实现成像通道和光谱获取通道视场的分离，其中成像通道的视场为2.75°×2.20°，光谱获取通道的视场为0.2°×0.2°；
37、步骤6：数据分析与输出，将成像探测器和光谱探测器获取的数据进行同步处理，结合图像信息和光谱信息生成协同探测结果。
38、结合上述技术方案和解决的技术问题，本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
39、与现有基于回转对称前置光学的图谱协同探测系统相比，本专利技术提供的基于自由曲面的图谱协同探测系统可取得更大的瞬时视场，而且保证结构的紧凑性，在大视场多目标的探测识别方面具有明显的优势。同时在该基于自由曲面的图谱协同探测系统的前置光学中，第一反射镜和第三反射镜在沿着z轴方向的位置非常接近而且近似连续，非常适合加工在同一块基板上，从而有利于探测系统的加工与装调。
40、本专利技术的技术方案针对现有技术中图谱协同探测系统存在瞬时视场狭小和协同探测效率低下的问题，通过创新的自由曲面光学设计和光线分离方法，显著提升了探本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于自由曲面的图谱协同探测系统，其特征在于，该系统包括：
2.如权利要求1所述的基于自由曲面的图谱协同探测系统，其特征在于：
3.如权利要求1所述的基于自由曲面的图谱协同探测系统，其特征在于：
4.如权利要求1所述的基于自由曲面的图谱协同探测系统，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的基于自由曲面的图谱协同探测系统，其特征在于，所述第一反射镜、第三反射镜的反射面均为由含有x的偶次项的5次xy多项式组成，该xy多项式自由曲面的表达方程为：
6.如权利要求1所述的基于自由曲面的图谱协同探测系统，其特征在于，所述第二反射镜的反射面为10阶偶次非球面，面型表达方程为：
7.一种基于自由曲面的图谱协同探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.如权利要求7所述的基于自由曲面的图谱协同探测方法，其特征在于，所述光线收集步骤中：
9.如权利要求7所述的基于自由曲面的图谱协同探测方法，其特征在于，所述光谱分光步骤中：
10.如权利要求7所述的基于自由曲面的图谱协同探测方法，其特征在于
...【技术特征摘要】
1.一种基于自由曲面的图谱协同探测系统，其特征在于，该系统包括：
2.如权利要求1所述的基于自由曲面的图谱协同探测系统，其特征在于：
3.如权利要求1所述的基于自由曲面的图谱协同探测系统，其特征在于：
4.如权利要求1所述的基于自由曲面的图谱协同探测系统，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的基于自由曲面的图谱协同探测系统，其特征在于，所述第一反射镜、第三反射镜的反射面均为由含有x的偶次项的5次xy多项式组成，该xy多项式自由曲面的表达方程为：
<...【专利技术属性】
技术研发人员：顾罗，何志平，杨秋杰，王翔，毛志远，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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