CN101487896A

CN101487896A - 指数增益调制距离成像器

Info

Publication number: CN101487896A
Application number: CNA2009100714284A
Authority: CN
Inventors: 孙秀冬; 靳辰飞; 赵远; 刘丽萍; 张勇; 张宇; 何姜
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2029-02-23
Also published as: CN101487896B

Abstract

指数增益调制距离成像器，它涉及光电成像领域。本发明解决了现有获取高速运动目标的距离像的装置瞬时功率低、需要长时间曝光导致对高速运动目标距离获取能力低的问题。指数增益调制距离成像器，脉冲激光器输出的光束经第一分光片分成第一反射光和第一透射光，第一反射光入射至光电探测器的感光端，第一透射光经发射光学整形系统、接收光学系统后由第二分光片分成两束并分别入射至第一ICCD成像仪和第二ICCD成像仪的光输入端。高压调制电源的调制信号输出端与第一ICCD成像仪的微通道板连接，高压直流电源的电流信号输出端与第二ICCD成像仪的微通道板连接。本发明可用于远距离主动遥感技术、目标识别技术、机器人视觉技术等领域。

Description

指数增益调制距离成像器

技术领域

本发明涉及光电成像领域。

背景技术

目前在光电成像领域的一大难题就是如何获取高速运动目标的距离像。美国桑地亚实验室研制的无扫描距离成像器(SRI)是目前横向分辨率和距离分辨率最好的距离成像器。它采用对激光器和ICCD进行正弦调制，将回波与ICCD的增益进行混频获得两者的相位差，从而得到目标的距离信息。但由于这种办法采用连续波照明，瞬时功率低，需要长时间曝光，这就限制了其对高速运动目标距离获取的能力。

发明内容

本发明的目的是解决现有获取高速运动目标的距离像的装置瞬时功率低、需要长时间曝光导致对高速运动目标距离获取能力低的问题，从而提供一种指数增益调制距离成像器。

指数增益调制距离成像器，它由脉冲激光器、第一分光片、发射光学整形系统、高压直流电源、延时发生器、光电探测器、控制处理器、高压调制电源、选通电源、第一ICCD成像仪、第二ICCD成像仪、第二分光器和接收光学系统组成，脉冲激光器输出的光束经第一分光片分成第一反射光和第一透射光，所述第一反射光入射至光电探测器的感光端，第一透射光入射至发射光学整形系统的输入端，经发射光学整形系统的发射端发射至接收光学系统的接收端，接收光学系统的输出端将第一透射光传输到第二分光片上，第二分光片将第一透射光分成第二透射光和第二反射光，所述第二透射光输入至第一ICCD成像仪的光输入端，第二反射光输入至第二ICCD成像仪的光输入端；光电探测器的电信号输出端与延时发生器的电信号输入端连接，延时发生器的两个延时信号输出端分别与高压调制电源的延时信号输入端和选通电源的延时信号输入端连接，所述高压调制电源的调制信号输出端与第一ICCD成像仪的微通道板连接，选通电源的两个电流信号输出端分别与第一ICCD成像仪的栅极和第二ICCD成像仪的栅极连接，高压直流电源的电流信号输出端与第二ICCD成像仪的微通道板连接，第一ICCD成像仪的图像信息输出端与控制处理器的一个图像信息输入端连接，第二ICCD成像仪的图像信息输出端与控制处理器的另一个图像信息输入连接，控制处理器的调制信号输出端与高压调制电源的控制信号输入端连接，控制处理器的延迟信号输出端与延时发生器的延迟信号输入端连接，控制处理器的光脉冲初始时间输出端与脉冲激光器的光发射同步信息的输入端连接。

有益效果：本发明可在极短的曝光时间内对远距离的高速运动目标一次曝光获取距离像；并且瞬时功率高，对高速运动目标距离获取能力强。本发明获取运动目标速度可达1000m/s以上，距离可达几公里，并且将曝光时间由ms级缩短到us级，比现有成像器的曝光时间缩短了数百倍。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是具体实施方式六的工作时序图，(其中曲线按从上至下的顺序依此为激光强度曲线、曝光时间曲线、接收机的增益曲线)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本具体实施方式，指数增益调制距离成像器，它由脉冲激光器1、第一分光片2、发射光学整形系统3、高压直流电源5、延时发生器6、光电探测器7、控制处理器8、高压调制电源9、选通电源10、第一ICCD成像仪11、第二ICCD成像仪4、第二分光器12和接收光学系统13组成，脉冲激光器1输出的光束经第一分光片2分成第一反射光和第一透射光，所述第一反射光入射至光电探测器7的感光端，第一透射光入射至发射光学整形系统3的输入端，经发射光学整形系统3的发射端发射至接收光学系统13的接收端，接收光学系统13的输出端将第一透射光传输到第二分光片12上，第二分光片12将第一透射光分成第二透射光和第二反射光，所述第二透射光输入至第一ICCD成像仪11的光输入端，第二反射光输入至第二ICCD成像仪4的光输入端；光电探测器7的电信号输出端与延时发生器6的电信号输入端连接，延时发生器6的两个延时信号输出端分别与高压调制电源9的延时信号输入端和选通电源10的延时信号输入端连接，所述高压调制电源9的调制信号输出端与第一ICCD成像仪11的微通道板连接，选通电源10的两个电流信号输出端分别与第一ICCD成像仪11的栅极和第二ICCD成像仪4的栅极连接，高压直流电源5的电流信号输出端与第二ICCD成像仪4的微通道板连接，第一ICCD成像仪11的图像信息输出端与控制处理器8的一个图像信息输入端连接，第二ICCD成像仪4的图像信息输出端与控制处理器8的另一个图像信息输入连接，控制处理器8的调制信号输出端与高压调制电源9的控制信号输入端连接，控制处理器8的延迟信号输出端与延时发生器6的延迟信号输入端连接，控制处理器8的光脉冲初始时间输出端与脉冲激光器1的光发射同步信息的输入端连接。

工作原理：本发明分为发射和接收两大部分，发射部分主要是大功率、窄线宽、窄脉宽的脉冲激光器，接收系统主要是双ICCD结构。本发明采用大功率脉冲激光器进行脉冲发射方式，采用指数函数对微通道板进行增益调制。激光器发射脉冲的同时，触发ICCD的微通道板的增益调制，回波脉冲被接收光学系统接收，再经第二分光器12分为两束，分别进入两个ICCD成像仪。光信号到达第一ICCD成像仪11时对应的增益是脉冲往返时间的指数函数，获得的图像中包含了两种信息：1、回波本身的强度信息。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，最终体现在第一ICCD成像仪11的CCD上所成像的灰度对比有所变化。光信号到达第二ICCD2成像仪4时对应的增益是常数，获得的图像中只包含光强信息：通过对两幅图像处理，可以将距离信息提取出来。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。两帧图像作比，即得到了目标的距离像。

具体实施方式二：本具体实施方式与具体实施方式一所述的指数增益调制距离成像器的区别在于脉冲激光器1是功率为1KW～100MW、线宽为0.01nm～10nm、脉宽为1ns～1000ns的脉冲激光器。

具体实施方式三：本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的指数增益调制距离成像器的区别在于，高压直流电源5的电压范围是500V-1100V。

具体实施方式四：本具体实施方式与具体实施方式三所述的指数增益调制距离成像器的区别在于，控制处理器8采用DSP微处理器。

具体实施方式五：本具体实施方式与具体实施方式一、二或四所述的指数增益调制距离成像器的区别在于，高压调制电源9的电压范围是500V-1100V。

具体实施方式六：结合图2说明本具体实施方式，本具体实施方式使用具体实施方式一所述的成像器再选定如下参数：

本实施方式的激光器参数：脉冲能量1mJ、脉宽10ns、线宽1nm；接收系统参数：延时1000ns、曝光时间250ns、指数调制的时间因子17ns；根据激光雷达公式：

E = \frac{γexp (- αz)}{z^{2}} &Integral; p (t) g (t + \frac{2 z}{c}) dt

E—接收光脉冲能量；γ—目标反射率；Z—目标到发射机的距离；α—大气衰减系数；p(t)—激光强度；g(t)—接收机的增益；

对目标进行瞬间成像。

光信号到达第一ICCD成像仪11时对应的指数调制增益为：

g_m(t)＝G_mexp[(t-2z₀/c)/τ_e]Rect[(t-2z₀/c)/T]

g_m(t)—指数调制增益；G_m—调制初始值；t—任意时刻；Z₀—起始点距离；c—光速脉冲；τ_e—时间常数；T—曝光时间；

在指数调制增益下的接收脉冲能量为：

E_{m} = G_{m} \exp (\frac{2 (z - z_{0})}{c τ_{e}}) \frac{γexp (- αz)}{z^{2}} &Integral; p (t) \exp (\frac{t}{τ_{e}}) dt

E_m—指数增益调制下的接收脉冲能量；Z—任意点的距离；

在常数增益下的接收脉冲能量：

E_{c} = \frac{γexp (- αz)}{z^{2}} G_{c} &Integral; p (t) dt

Gc—常数增益；

根据已有参数计算出常数：

β = \frac{G_{m} &Integral; p (t) \exp (\frac{t}{τ_{e}}) dt}{G_{c} &Integral; p (t) dt}

通过得到指数增益下的接受脉冲能量值和常数增益下的接受脉冲能量值解算目标的距离：

z = z_{0} + \frac{c τ_{e}}{2} \ln (\frac{E_{m}}{β E_{c}})

本实施方式与已有装置的曝光时间与测量距离之间的对应关系如下表所述：

测量距离	本发明的曝光时间	已有装置曝光时间
测量距离	本发明的曝光时间	已有装置曝光时间	100m	0.67us	1.08ms
200m	1.33us	2.23ms	100m	0.67us	1.08ms
200m	1.33us	2.23ms	500m	3.33us	4.09ms

Claims

1、指数增益调制距离成像器，其特征是：它由脉冲激光器(1)、第一分光片(2)、发射光学整形系统(3)、高压直流电源(5)、延时发生器(6)、光电探测器(7)、控制处理器(8)、高压调制电源(9)、选通电源(10)、第一ICCD成像仪(11)、第二ICCD成像仪(4)、第二分光器(12)和接收光学系统(13)组成，脉冲激光器(1)输出的光束经第一分光片(2)分成第一反射光和第一透射光，所述第一反射光入射至光电探测器(7)的感光端，第一透射光入射至发射光学整形系统(3)的输入端，经发射光学整形系统(3)的发射端发射至接收光学系统(13)的接收端，接收光学系统(13)的输出端将第一透射光传输到第二分光片(12)上，第二分光片(12)将第一透射光分成第二透射光和第二反射光，所述第二透射光输入至第一ICCD成像仪(11)的光输入端，第二反射光输入至第二ICCD成像仪(4)的光输入端；光电探测器(7)的电信号输出端与延时发生器(6)的电信号输入端连接，延时发生器(6)的两个延时信号输出端分别与高压调制电源(9)的延时信号输入端和选通电源(10)的延时信号输入端连接，所述高压调制电源(9)的调制信号输出端与第一ICCD成像仪(11)的微通道板连接，选通电源(10)的两个电流信号输出端分别与第一ICCD成像仪(11)的栅极和第二ICCD成像仪(4)的栅极连接，高压直流电源(5)的电流信号输出端与第二ICCD成像仪(4)的微通道板连接，第一ICCD成像仪(11)的图像信息输出端与控制处理器(8)的一个图像信息输入端连接，第二ICCD成像仪(4)的图像信息输出端与控制处理器(8)的另一个图像信息输入连接，控制处理器(8)的调制信号输出端与高压调制电源(9)的控制信号输入端连接，控制处理器(8)的延迟信号输出端与延时发生器(6)的延迟信号输入端连接，控制处理器(8)的光脉冲初始时间输出端与脉冲激光器(1)的光发射同步信息的输入端连接。

2、根据权利要求1所述的指数增益调制距离成像器，其特征在于脉冲激光器(1)是功率为1KW～100MW、线宽为0.01nm～10nm、脉宽为1ns～1000ns的脉冲激光器。

3、根据权利要求1或2所述的指数增益调制距离成像器，其特征在于高压直流电源(5)的电压范围是500V-1100V。

4、根据权利要求3所述的指数增益调制距离成像器，其特征在于控制处理器(8)采用DSP微处理器。

5、根据权利要求1、2或4所述的指数增益调制距离成像器，其特征在于高压调制电源(9)的电压范围是500V-1100V。