[发明专利]一种搜索与跟踪一体化相机

说明书

本发明公开了一种搜索与跟踪一体化相机。该相机具有广域搜索和重点跟踪两种工作模式，广域搜索工作模式的子光学系统与重点跟踪工作模式的子光学系统的大口径光学元件共用，使用复杂曲面共体可移动的光学元件切换工作模式，并保证两种工作模式子光学系统的像质，为广域搜索与重点跟踪一体化相机提供一种设计方案，相比目前广域搜索与重点跟踪探测成像系统采用多相机匹配组合的设计方案，本发明设计方案可以降低搜索与跟踪探测成像系统仪器体积重量。

技术领域

本发明属于光学系统设计领域，为搜索与跟踪成像光学系统提供一种新型的设计思路。

背景技术

天基搜索与跟踪成像系统在精确制导、目标跟踪等方面起着重要作用。为了实现目标广域搜索探测，用于探测目标的搜索相机的工作视场需要足够大；为了实现目标跟踪与识别，需要对目标进行较高分辨率的成像探测，以观测到目标更多细节。基于传统单孔径成像技术的广域探测与跟踪系统一般利用多个相机匹配合作，其中包括一个大视场相机和一个或多个跟踪相机，实现多目标的搜索与跟踪。大视场相机扫描探测目标，高分辨率相机通过移动或调整焦距对目标实现高分辨率成像。多个相机匹配工作会存在搜索与跟踪成像系统体积大、相机间位置标定精度高、各相机目标匹配与相机协同控制等困难。

天基搜索与跟踪系统的搜索相机可采用离轴三反式光学系统一维光学成像加一维运动机构的扫描成像，从而实现一个大视场的搜索。因其工作视场大，该搜索相机至少包含两片比较大的光学反射镜。而跟踪相机因其目标跟踪与识别的应用需求，要求其分辨率比搜索相机分辨率高。根据光学分辨率与光学口径成反比的理论公式，跟踪相机的分辨率比搜索相机分辨率高多少倍，跟踪相机的光学口径就要比搜索相机的口径大多少倍，因此，跟踪相机的光学口径比搜索相机的光学口径大。采用多相机匹配组合的方案实现广域搜索与重点跟踪探测成像系统具有体积大重量大的问题。

发明内容

本发明在研究大视场搜索相机和高分辨跟踪相机的基础上，巧妙利用两种功能相机光学系统的结构特点，将两者合二为一，形成搜索与跟踪成像一体化相机的光学系统，从而降低广域搜索与重点跟踪探测成像系统的体积和重量。

本发明公开一种搜索与跟踪一体化相机，该相机具有广域搜索和重点跟踪两种工作模式；广域搜索工作模式的子光学系统与重点跟踪工作模式的子光学系统的大口径光学元件共用，且两种工作模式下的子光学系统的光路交叠；使用复杂曲面共体可运动的光学元件切换工作模式，保证两种工作模式光学系统的像质。

广域搜索工作模式的子光学系统采用COOK型一维大视场离轴三反射光学结构形式，如图1所示，目标光束经A反射镜1、B元件的B1反射镜2.1和C反射镜3汇聚于长线列焦平面4。A反射镜1、B元件的B1反射镜2.1和C反射镜3依次为三反光学系统的主镜、次镜和三镜，其中，A元件1和C元件3是两个大口径光学反射镜元件。在该模式，A元件1是目标光束能量收集元件。

重点跟踪工作模式的子光学系统基于的是两反系统加后光路系统的类似R-C系统的同轴光学结构，如图1所示，包含A反射镜1、B元件的B2反射镜2.2和B3反射镜2.3、C反射镜3和光学元件5，重点跟踪区域目标光束经A元件1和C元件3能量收集后被光学系统汇聚于面阵焦平面6，其中这里A元件1和C元件3是该工作模式光学系统的主镜系统。由于A元件1和C元件3并非一定是同面形的光学反射镜元件，因此与其匹配的次镜系统是包括两种复杂面形的B2反射镜2.2和B3反射镜2.3的复杂光学反射元件，具有多个自由度。

B元件是包括B1反射镜(2.1)、B2反射镜(2.2)、B3反射镜(2.3)和运动机构(2.4)的多个复杂曲面面形共体的光学元件，A反射镜1、B元件2和C反射镜3两两元件之间的物理空间是两种工作模式光学系统的共用空间区域，即重点跟踪工作模式的光学系统与广域搜索工作模式的光学系统光路交叠。