CN102435995A

CN102435995A - 一种基于液晶相控阵和条纹管的激光三维成像系统

Info

Publication number: CN102435995A
Application number: CN2011102834998A
Authority: CN
Inventors: 李丽; 党二升; 刘丽; 吴磊; 李栋
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2012-05-02

Abstract

一种基于液晶相控阵和单狭缝条纹管的激光三维成像系统，它由发射分系统、接收分系统、同步控制电路、综合信息处理器组成。其位置关系是：发射分系统和接收分系统位于系统前端，同步控制电路和综合信息处理器位于系统后端。本激光三维成像系统将液晶相控阵和单狭缝条纹管有效的结合，能够灵巧控制出射激光的方向，避免机械扫描的同时提高了系统精度、作用距离、时间分辨率、空间分辨率、光谱范围和动态响应范围，并且系统进一步小型化。该系统构思科学、结构新颖，可用于测绘、航空航天和工业等领域。

Description

一种基于液晶相控阵和条纹管的激光三维成像系统

(一)技术领域

本发明涉及一种光、机、电一体化的激光三维成像系统，该系统是基于液晶相控阵和单狭缝条纹管的激光三维成像系统。该系统属于激光雷达成像技术领域。

(二)背景技术

激光雷达成像技术因为极高的频域、空域和时域分辨率而在目标探测、跟踪、瞄准和成像识别等方面广泛地应用于地形测绘、导航、航天领域。

目前的激光雷达多采用机械光束导向，即用两路伺服控制系统控制雷达支架或反射镜做方位和俯仰二维运动，机械偏转法的响应速度和控制精度很难满足高性能激光雷达的要求，并且由于是惯性扫描，灵活性受到很大的限制。系统通常需要的亚微弧量级的扫描精度对于现有的机械光束导向系统很难实现。

相控阵激光雷达，即采用光学相控阵技术的激光雷达，能够解决采用机械光束扫描技术所遇到的上述问题。相控阵激光雷达代表了一种非常有潜力的新型技术，它具备随机处理光束导向、可编程控制光束扇出、动态聚焦散焦等能力，且拥有非常高的稳定性。

本发明激光三维成像系统将液晶相控阵和单狭缝条纹管有效的结合，很好的克服了目前激光雷达采用机械光束导向而存在的机械稳定性等问题。它将一维Dammann光栅与一维液晶光学相控阵器件结合作为发射端，避免机械扫描的同时提高了系统精度、作用距离；将同一个一维液晶相控阵与单缝条纹管相匹配接收信号，使得条纹管无需机械扫描即可成像。条纹管的成像精度、帧频和灵敏度很高，其能够探测到微弱的回波光信号，可以做到大视场实时接收。由于条纹管的使用，使得系统时间分辨率、空间分辨率、光谱范围、动态响应范围得到提高，也使得系统进一步小型化。

(三)发明内容

1、目的：本发明提出一种基于液晶相控阵和单狭缝条纹管的激光三维成像系统，它可以实现激光三维成像。该系统克服以往激光雷达的机械扫描的问题，即机械偏转法的响应速度和控制精度很难满足高性能激光雷达的要求，灵活性受到很大的限制。该系统在系统精度、作用距离、光谱响应范围、空间分辨率等方面都有很大的提高。

2、技术方案：

如图1所示，本发明提出一种基于液晶相控阵和单狭缝条纹管的激光三维成像系统，它由发射分系统、接收分系统、同步控制电路、综合信息处理器组成。它们之间的位置关系是：发射分系统和接收分系统位于系统前端，同步控制电路和综合信息处理器位于系统后端。

所述发射分系统由脉冲激光器、准直发射透镜、一维Dammann光栅、发射-接收分光镜、一维液晶相控阵、可编程控制器和发射-接收透镜构成。

其中，准直发射透镜由一个平凸透镜和口径为D1的光阑组成，它与光轴垂直放置，并位于脉冲激光器前端，平凸透镜后端镀有高反膜，防止后向散射光干扰激光器正常工作；

其中，一维Dammann光栅与光轴垂直放置，位于准直发射透镜的前端。

其中，发射-接收分光镜为中间带一条狭缝的分光镜，经过一维Dammann光栅的衍射光斑能够通过此狭缝，它与光轴成45°角放置，位于一维Dammann光栅前端；从目标散射返回的回波光信号通过位于系统前端并在与光轴垂直放置的发射-接收透镜和一维液晶相控阵后，经发射-接收分光镜反射到接收分光镜上。

其中，一维液晶相控阵与光轴垂直放置，位于发射-接收分光镜前端。采用可编程控制器控制一维液晶相控阵实现发射激光束的空间扫描。

发射-接收透镜与光轴垂直放置，位于一维液晶相控阵前端。

所述接收分系统由接收分光镜、物镜、单狭缝、中继透镜、单狭缝条纹管、CCD、PIN光电二极管、延时器和斜坡电压发生器构成。

其中，接收分光镜的反射率为80％，透射率为20％，它与光轴成45°角放置，对接收到的回波光信号进行分光，其平行于发射-接收分光镜，且两者的中心连线与光轴垂直。

其中，物镜位于接收分光镜反射方向的后端且与光轴垂直，单狭缝、中继透镜和单狭缝条纹管依次垂直光轴放置，CCD位于单狭缝条纹管后端。PIN光电二极管位于接收分光镜透射方向的后端且与光轴垂直，延时器和斜坡电压发生器依次位于PIN光电二极管后端，斜坡电压发生器将信号传给单狭缝条纹管。

所述同步控制电路位于系统后端，控制脉冲激光器和单缝条纹管狭缝的工作时序，根据目标的距离范围控制激光器发射脉冲激光，同时设定单缝条纹管狭缝开启的延迟时间进行选通成像，以减少后向散射对成像带来的影响。

本发明的工作原理及流程是：同步控制电路控制脉冲激光器发射激光，激光通过准直发射透镜后再经一维Dammann光栅分束成多个衍射光斑，多个衍射光斑经一维液晶相控阵，再经过发射-接收透镜对目标进行空域扫描。

根据光路可逆原则，从目标散射返回的回波光信号经过发射-接收透镜，能够通过一维液晶相控阵，并经发射-接收分光镜和接收分光镜的分束后形成与接收分系统光轴保持水平的线阵列，它能通过单狭缝条纹管的单狭缝进入条纹管成像，然后，由条纹管后继电路和综合信息处理器组成的数据处理显示系统进行成像显示。

3、优点及功效：

激光三维成像技术具有测点精度高、测点密度大、信息量丰富、数据处理高度自动化、产品高度数字化等优点，能很容易地将地物、地貌植被等区分开来，并用数字进行描述，同时还能根据需求生成数字地形模型(DTM)、正射影像图、平断面数据等数字化产品。

该系统能够灵巧控制出射激光的方向，避免机械扫描的同时提高了系统精度、作用距离、时间分辨率、空间分辨率、光谱范围和动态响应范围，并且系统进一步小型化。

(四)附图说明

图1为基于液晶相控阵和单狭缝条纹管的激光三维成像系统的结构示意图

图中符号说明如下：

1综合信息处理器；2脉冲激光器；3准直发射透镜；4一维Dammann光栅；5发射-接收分光镜；6一维液晶相控阵；7CCD；8单狭缝条纹管；9中继透镜；10单狭缝；11物镜；12接收分光镜；13PIN光电二极管；14延时器；15斜坡电压发生器；16同步控制电路；17可编程控制器；18发射-接收透镜。

(五)具体实施方式

本发明给出了一种基于液晶相控阵和单狭缝条纹管的激光三维成像系统，它由综合信息处理器1、脉冲激光器2、准直发射透镜3、一维Dammann光栅4、发射-接收分光镜5、一维液晶相控阵6、CCD7、单狭缝条纹管8、中继透镜9、单狭缝10、物镜11、接收分光镜12、PIN光电二极管13、延时器14、斜坡电压发生器15、同步控制电路16、可编程控制器17、发射-接收透镜18组成。它们之间的位置关系是：发射分系统和接收分系统位于系统前端，同步控制电路和综合信息处理器位于系统后端。

所述发射分系统由脉冲激光器2、准直发射透镜3、一维Dammann光栅4、发射-接收分光镜5、一维液晶相控阵6、可编程控制器17和发射-接收透镜18组成。

其中，准直发射透镜3由一个平凸透镜和口径为D1的光阑组成，它与光轴垂直放置，并位于脉冲激光器2前端，根据激光器输出激光发散角选择透镜焦距，平凸透镜后端镀有高反膜，防止后向散射光干扰激光器正常工作；

其中，一维Dammann光栅4与光轴垂直放置，位于准直发射透镜3的前端。

其中，发射-接收分光镜5与光轴成45°角放置，位于一维Dammann光栅4前端；从目标散射返回的回波光信号通过位于系统前端并在与光轴垂直放置的发射-接收透镜18和一维液晶相控阵6后，经发射-接收分光镜5反射到接收分光镜12上。

其中，一维液晶相控阵6与光轴垂直放置，位于发射-接收分光镜5前端。采用可编程控制器17控制一维液晶相控阵6对目标扫描，避免了单缝条纹管8的机械运动。发射-接收透镜18与光轴垂直放置，位于一维液晶相控阵6前端。

所述接收分系统由CCD7、单狭缝条纹管8、中继透镜9、单狭缝10、物镜11、接收分光镜12、PIN光电二极管13、延时器14、斜坡电压发生器15构成。

其中，接收分光镜12的反射率为80％，透射率为20％，它与光轴成45°角放置，对接收到的回波光信号进行分光，其平行于发射-接收分光镜5，且两者的中心连线与光轴垂直。

其中，物镜11位于接收分光镜12反射方向的后端且与光轴垂直，单狭缝10、中继透镜9和单狭缝条纹管8依次垂直光轴放置，CCD7位于单狭缝条纹管8后端。PIN光电二极管13位于接收分光镜12透射方向的后端且与光轴垂直，延时器14和斜坡电压发生器15依次位于PIN光电二极管13后端，斜坡电压发生器15将信号传给单狭缝条纹管8。

所述同步控制电路16位于系统后端，控制脉冲激光器2和单缝条纹管8狭缝的工作时序，根据目标的距离范围控制激光器2发射脉冲激光，同时设定单缝条纹管8狭缝开启的延迟时间进行选通成像，以减少后向散射对成像带来的影响。

如图1所示为基于液晶相控阵和单狭缝条纹管的激光三维成像系统，同步控制电路16控制脉冲激光器2发射激光，激光通过准直发射透镜3后再经一维Dammann光栅4分束成多个衍射光斑，这多个衍射光斑经可编程控制器17控制的一维液晶相控阵5，再经过发射-接收透镜18对目标进行空域扫描。根据光路可逆原则，从目标散射返回的回波光信号经过发射-接收透镜18，能够通过一维液晶相控阵6，并经发射-接收分光镜5和接收分光镜12的分束后形成与接收分系统光轴保持水平的线阵列，它能通过单狭缝条纹管8的单狭缝进入条纹管成像子系统，然后，由条纹管8后继电路和综合信息处理器1组成的数据处理显示系统进行成像显示。

Claims

1.一种基于液晶相控阵和单狭缝条纹管的激光三维成像系统，其特征在于：它由发射分系统、接收分系统、同步控制电路、综合信息处理器组成。

所述发射分系统由脉冲激光器、准直发射透镜、一维Dammann光栅、发射-接收分光镜、一维液晶相控阵、可编程控制器和发射-接收透镜构成。其中，脉冲激光器和准直发射透镜垂直于光轴放置，激光通过准直发射透镜后再经一维Dammann光栅分束成多个衍射光斑，这多个衍射光斑经可编程控制器控制的一维液晶相控阵，再经过发射-接收透镜对目标进行空域扫描。

所述接收分系统的接收分光镜与光轴成45°角放置，对接收到的回波光信号进行分光，其平行于发射-接收分光镜，且两者的中心连线与光轴垂直。物镜位于接收分光镜反射方向的后端且与光轴垂直，单狭缝、中继透镜和单狭缝条纹管依次垂直光轴放置，CCD位于单狭缝条纹管后端。PIN光电二极管位于接收分光镜透射方向的后端且与光轴垂直，延时器和斜坡电压发生器依次位于PIN光电二极管后端。

根据光路可逆原则，从目标散射返回的回波光信号经过发射-接收透镜，能够通过一维液晶相控阵，并经发射-接收分光镜和接收分光镜的分束后形成与接收分系统光轴保持水平的线阵列，它能通过单狭缝条纹管的单狭缝进入条纹管成像。

所述同步控制电路位于系统后端，控制脉冲激光器和单缝条纹管狭缝的工作时序，同步控制电路控制激光器发射脉冲激光，同时根据目标的距离范围设定单狭缝条纹管狭缝开启的延迟时间进行选通成像，以减少后向散射对成像带来的影响。

2.根据权利要求1所述的一种基于液晶相控阵和单狭缝条纹管的激光三维成像系统，其特征在于：激光通过准直发射透镜后再经一维Dammann光栅分束成多个衍射光斑，这多个衍射光斑经可编程控制器控制的一维液晶相控阵，再经过发射-接收透镜对目标进行空域扫描；根据光路可逆原则，从目标散射返回的回波光信号被一维液晶相控阵接收。一维液晶相控阵既是系统的发射光束的扫描控制器件，又是接收光束的扫描控制器件。

3.根据权利要求1所述的一种基于液晶相控阵和单狭缝条纹管的激光三维成像系统，其特征在于：从目标散射返回的回波光信号经过一维液晶相控阵，经发射-接收分光镜和接收分光镜的分束后形成与接收分系统光轴保持水平的线阵列，通过单狭缝条纹管的单狭缝进入条纹管成像子系统。即采用一维液晶相控阵和单狭缝条纹管相结合实现三维成像。