CN100443920C - 增益调制式脉冲成像激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

增益调制式脉冲成像激光雷达系统，它涉及激光雷达系统领域，它解决了采用连续波激光器发射正弦波在对目标成距离像时限制了激光器的瞬时功率从而严重影响成像质量和测量范围的问题。本发明所述成像装置的脉冲激光器(2)发射出的光束经光学发射天线(1)整形后照射到目标上，回波脉冲通过滤光片(5)入射到用于获得像的强度值与光脉冲的往返时间成正比的目标强度像的强度成像仪(7)的光输入端，高压调制器(6)的单调变化式调制信号输出端连接强度成像仪(7)的增益调制信号控制端，控制处理器(3)的曝光控制端连接强度成像仪(7)的开关控制端。本发明有效地提高了作用距离和成像质量，同时也降低了系统结构的复杂程度。

Description

增益调制式脉冲成像激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，具体是涉及一种用强度积分器件来对目标成距离像的激光雷达系统。
背景技术
目前在光电成像领域的一大难题就是如何用技术成熟的强度积分型器件(如CCD)来对目标成距离像。1990年，Marion W，Scott在美国专利局申请了名称为《距离成像激光雷达系统》的专利。此专利基于传统的位相法测距原理。在专利中首次提出采用对激光器和像增强器进行正弦调制，将像增强器输出的信号通过光纤耦合到CCD上利用CCD接收，通过距离处理器得到目标的距离像的方法。但由于这种办法中的发射装置也同样采用连续波调制，因此限制了激光器的瞬时功率，严重影响该装置的作用距离和成像质量。
发明内容
为了解决采用正弦波调制发射在对目标成距离像时限制了激光器的瞬时功率从而严重影响成像质量和测量范围的问题，本发明提供一种增益调制式脉冲成像激光雷达系统。
本发明的所述的成像激光雷达系统包括光学发射天线、脉冲激光器、控制处理器、光学接收天线、滤光片、高压调制器和强度成像仪，脉冲激光器发射出的光束经光学发射天线整形后照射到目标上，经目标反射的光束经光学接收天线整形和汇聚后到达滤光片的光输入端，从滤光片的光输出端输出的光束入射到强度成像仪的光输入端，强度成像仪获得像的强度值与光脉冲的往返时间成正比的目标强度像，强度成像仪的输出端与控制处理器的一个图像输入端相连，控制处理器的调制信号控制端与高压调制器的控制端相连，高压调制器的单调变化式调制信号输出端连接强度成像仪的增益调制信号控制端，控制处理器的光脉冲初始时间输入端与脉冲激光器的光发射同步信息的输出端相连，控制处理器的曝光控制端连接强度成像仪的开关控制端。
本发明采用大功率脉冲激光器取代了传统的连续波激光器，进行脉冲发射方式；本发明还采用单调变化式信号代替正弦波对强度成像仪进行增益控制。本发明有效地提高了作用距离和成像质量，同时也降低了系统结构的复杂程度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，图2为具体实施方式二的结构示意图，图3为具体实施方式二的时序图，波形A为发射脉冲，波形B为接收脉冲，波形C为栅极选通信号，波形D为微通道板调制增益信号。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1，本具体实施方式的增益调制式脉冲成像激光雷达系统由光学发射天线1、脉冲激光器2、控制处理器3、光学接收天线4、滤光片5、高压调制器6和强度成像仪7组成，脉冲激光器2发射出的光束经光学发射天线1整形后照射到目标上，经目标反射的光束经光学接收天线4整形和汇聚后到达滤光片5的光输入端，从滤光片5的光输出端输出的光束入射到强度成像仪7的光输入端，强度成像仪7获得像的强度值和光脉冲的往返时间成正比的目标强度像，强度成像仪7的输出端与控制处理器3的一个图像输入端相连，控制处理器3的调制信号控制端与高压调制器6的控制端相连，高压调制器6的单调变化式调制信号输出端连接强度成像仪7的增益调制信号控制端，控制处理器3的光脉冲初始时间输入端与脉冲激光器2的光发射同步信息的输出端相连，控制处理器3的曝光控制端连接强度成像仪7的开关控制端。
所述强度成像仪7由光电转换元件7-1、起开关作用的电流调节元件7-2、电子倍增元件7-3、电光转换元件7-4、光纤7-5和第一CCD成像仪7-6组成，从滤光片5的光输出端获得的光束入射到光电转换元件7-1的输入端，光电转换元件7-1的输出端连接电流调节元件7-2的输入端，电流调节元件7-2的输出端连接电子倍增元件7-3的输入端，电子倍增元件7-3的输出端连接电光转换元件7-4的输入端，从电光转换元件7-4的输出端获得的光束耦合进入光纤7-5后入射到第一CCD成像仪7-6的感光面上，第一CCD成像仪7-6的图像信息输出端连接控制处理器3的一个图像信息输入端，高压调制器6的单调变化式调制信号输出端连接电子倍增元件7-3的增益调制信号控制端，控制处理器3的曝光控制端连接电流调节元件7-2的控制端。所述电流调节元件7-2控制输入到电子倍增元件7-3的电流大小并起开关作用；所述电子倍增元件7-3用于将电流信号与单调变化式调制信号进行相乘混频。
在本具体实施方式中，所述脉冲激光器2输出的信号单脉冲能量高、脉冲宽度窄、脉冲线宽窄，其脉冲波长为0.4～2.0微米，脉冲能量为几毫焦到几百毫焦，脉冲宽度为几个纳秒到几十纳秒，脉冲线宽为0.1纳米到几个纳米；所述控制处理器3采用PC机或专用微处理器，其用于控制信号的输出和图像处理。本具体实施方式利用光学发射天线1与光学接收天线4使发射和接收视场达到几度到几十度。所述滤光片5的带宽在几个纳米以下，所述高压调制器6产生1000v左右的调制电压，带宽10MHz以上。
具体实施方式二：参见图1和图2，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述强度成像仪7选用选通型ICCD成像仪，该选通型ICCD成像仪包括由可用作光电转换元件7-1的光电阴极7-1-1、可用作电流调节元件7-2的栅极7-2-1、可用作电子倍增元件7-3的电压可调型微通道板7-3-1、可用作电光转换元件7-4的荧光屏7-4-1构成的像增强器7-7，从滤光片5的光输出端获得的光束入射到选通型ICCD成像仪的光电阴极7-1-1上，选通型ICCD成像仪的输出端连接控制处理器3的一个图像信息输入端，高压调制器6的单调变化式调制信号输出端连接选通型ICCD成像仪的电压可调型微通道板7-3-1的增益调制信号控制端，控制处理器3的曝光控制端连接选通型ICCD成像仪的栅极7-2-1的控制端。像增强器7-7、光纤7-5和第一CCD成像仪7-6构成选通型ICCD成像仪。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。选通型ICCD成像仪采用Hi-Tech electronics pte ltd的DiCam-PRO。
在本具体实施方式中，高压调制器6采用具有单调变化的锯齿波调制信号对微通道板7-3-1进行调制，如图3的波形D所示。脉冲激光器2在发射脉冲(如图3所示的波形A)的同时触发微通道板7-3-1的增益调制。由于采用锯齿波调制信号，所以回波脉冲(如图3所示的波形B)到达像增强器7-7的时刻所对应的增益和脉冲往返飞行时间成正比，最终在第一CCD成像仪7-6上获得像的强度值和脉冲的往返时间成正比，通过图像处理，可以将距离信息提取出来。从图3中可以看出，增益调制波形(即图3的波形D)可分为两个阶段：线性变化阶段和固定不变阶段。在增益处于线性变化阶段时，控制处理器3触发像增强器7-7的栅极7-2-1进行选通(选通信号的波形如图3所示的波形C)，等待接收回波光脉冲，当回波光脉冲到达时，经光电阴极7-1-1转化为电信号，通过微通道板7-3-1进行增益放大，再经过荧光屏7-4-1转化为光信号，通过光纤7-5耦合将光信号传送到第一CCD成像仪7-6的感光面上，第一CCD成像仪7-6并将图像传给控制处理器，这个过程相当于系统在增益变化阶段对目标成了一帧强度像，这幅图像包含了两种信息：(1)由于目标各点反射率不同而引起各点回波强度不同；(2)由于目标各点距离不同，导致各点回波到达接收器时所对应的增益不同，最终体现在CCD成像的灰度对比有所变化。在增益固定不变时，对目标再成一帧像，而这帧像中只含上述的第一种信息，两帧像作比，就得到了目标的距离像。本具体实施方利用一个CCD成像仪通过控制栅极的选通使得其在不同的时刻获得上述分别含有不同信息的像。
具体实施方式三：参见图1，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述成像激光雷达系统还包括分束片8和第二CCD成像仪9，从滤光片5的光输出端获得的光束经分束片8分束后，一部分光束入射到强度成像仪7的光输入端，另一部分光束入射到第二CCD成像仪9的光输入端，第二CCD成像仪9的图像输出端与控制处理器3的另一个图像输入端相连。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。本具体实施方式增加了一个CCD成像仪，用其去获得回波脉冲还未进入增强器之前的图像信息，与具体实施方式一相比，采用本具体实施方式可以能够实现同时获得上述含有不同信息的两帧像。本具体实施方式的这种双CCD结构克服了目标或成像平台运动所引起的图像畸变，成像质量和性能相比于具体实施方式一来说更优越，可以广泛的应用于军事领域。

Claims (4)

1、增益调制式脉冲成像激光雷达系统，其特征在于所述成像激光雷达系统包括光学发射天线(1)、脉冲激光器(2)、控制处理器(3)、光学接收天线(4)、滤光片(5)、高压调制器(6)和强度成像仪(7)，脉冲激光器(2)发射出的光束经光学发射天线(1)整形后照射到目标上，经目标反射的光束经光学接收天线(4)整形和汇聚后到达滤光片(5)的光输入端，从滤光片(5)的光输出端输出的光束入射到强度成像仪(7)的光输入端，强度成像仪(7)获得像的强度值与光脉冲的往返时间成正比的目标强度像，强度成像仪(7)的输出端与控制处理器(3)的一个图像输入端相连，控制处理器(3)的调制信号控制端与高压调制器(6)的控制端相连，高压调制器(6)的单调变化式调制信号输出端连接强度成像仪(7)的增益调制信号控制端，控制处理器(3)的光脉冲初始时间输入端与脉冲激光器(2)的光发射同步信息的输出端相连，控制处理器(3)的曝光控制端连接强度成像仪(7)的开关控制端。
2、根据权利要求1所述的增益调制式脉冲成像激光雷达系统，其特征在于所述强度成像仪(7)由光电转换元件(7-1)、起开关作用的电流调节元件(7-2)、电子倍增元件(7-3)、电光转换元件(7-4)、光纤(7-5)和第一CCD成像仪(7-6)组成，从滤光片(5)的光输出端获得的光束入射到光电转换元件(7-1)的输入端，光电转换元件(7-1)的输出端连接电流调节元件(7-2)的输入端，电流调节元件(7-2)的输出端连接电子倍增元件(7-3)的输入端，电子倍增元件(7-3)的输出端连接电光转换元件(7-4)的输入端，从电光转换元件(7-4)的输出端获得的光束耦合进入光纤(7-5)后入射到第一CCD成像仪(7-6)的感光面上，第一CCD成像仪(7-6)的图像信息输出端连接控制处理器(3)的一个图像信息输入端，高压调制器(6)的单调变化式调制信号输出端连接电子倍增元件(7-3)的增益调制信号控制端，控制处理器(3)的曝光控制端连接电流调节元件(7-2)的控制端。
3、根据权利要求1或2所述的增益调制式脉冲成像激光雷达系统，其特征在于所述成像激光雷达系统还包括分束片(8)和第二CCD成像仪(9)，从滤光片(5)的光输出端获得的光束经分束片(8)分束后，一部分光束入射到强度成像仪(7)的光输入端，另一部分光束入射到第二CCD成像仪(9)的光输入端，第二CCD成像仪(9)的图像输出端与控制处理器(3)的另一个图像输入端相连。
4、根据权利要求3所述的增益调制式脉冲成像激光雷达系统，其特征在于所述强度成像仪(7)选用选通型ICCD成像仪，该选通型ICCD成像仪包括由可用作光电转换元件(7-1)的光电阴极(7-1-1)、可用作电流调节元件(7-2)的栅极(7-2-1)、可用作电子倍增元件(7-3)的电压可调型微通道板(7-3-1)、可用作电光转换元件(7-4)的荧光屏(7-4-1)构成的像增强器(7-7)，从滤光片(5)的光输出端获得的光束入射到选通型ICCD成像仪的光电阴极(7-1-1)上，选通型ICCD成像仪的输出端连接控制处理器(3)的一个图像信息输入端，高压调制器(6)的单调变化式调制信号输出端连接选通型ICCD成像仪的电压可调型微通道板(7-3-1)的增益调制信号控制端，控制处理器(3)的曝光控制端连接选通型ICCD成像仪的栅极(7-2-1)的控制端。
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