CN102508224A - 一种提高多狭缝条纹管成像激光雷达景深的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高多狭缝条纹管成像激光雷达景深的装置，是一种激光三维成像装置，属于光电成像技术领域。该装置包括接收望远镜、光纤变换器、光锥、条纹管、CCD相机和同步电路；光纤变换器由32*32根等长的光纤组成，光纤变换器的接收输入端以32*32的阵列A方式排布，光纤变换器的两个输出端A和输出端B分别以128*4的阵列A1和A2方式排列。本发明将光纤变换器的图像两个输出端进行重新排列组合，输出为两路，每条狭缝所对应的纵向成像区域变为原来的2倍，即探测系统的景深增大为原来的2倍；根据光纤图像输出端的特定的排列方式，对两幅图像进行特定算法的重构，便能恢复出目标的三维图像。

Description

一种提高多狭缝条纹管成像激光雷达景深的装置

技术领域

本发明涉及一种提高多狭缝条纹管成像激光雷达景深的装置，是一种激光三维成像装置，属于光电成像技术领域。

背景技术

多狭缝条纹管成像激光雷达技术是一种面阵三维成像技术，相对于其他扫描成像体制技术，有着成像帧频高，视场角大，距离分辨率高等优点，在军事、航天等领域有着巨大的应用潜力。在基于多狭缝条纹管的成像激光雷达系统中，空间分辨率由接收系统中的光纤变换器的光纤数来决定，即光纤数越多，系统的空间分辨率越高；而系统可探测的距离深度(景深)由条纹管荧光屏上每条狭缝所对应的纵向扫描成像区域来决定，如图5所示；若要增加每条狭缝所对应的纵向扫描成像区域，则要增加光电阴极处的狭缝之间的间隔。由于其接收系统中的光纤变换器以及条纹管光电阴极工艺的限制，其面积不可能做的很大，即若要增加狭缝之间的间隔，必须减少狭缝的数目，即减少其所对应的光纤数，这样势必会造成空间分辨率的下降。在许多实际目标探测的场合下，不但要求系统有较大的空间分辨率，而且要有足够的景深，这样才能对目标进行完整的成像，实现对目标的探测与识别。因此，在不改变装置内部工艺和结构的前提下，研究改进的多狭缝条纹管激光雷达装置，以期实现更大景深及更高空间分辨率的成像显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种提高多狭缝条纹管成像激光雷达景深的装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种提高多狭缝条纹管成像激光雷达景深的装置，此装置通过改变光纤变换器的排列方式，保持输入端排列方式不变，但使其图像输出端分奇偶两路分别耦合在两台条纹相机对应的隔行狭缝上，使得每条狭缝所对应的荧光屏的纵向成像区域扩大了两倍，并分别被后续的两台CCD数字相机捕获图像，可以利用特定的算法对其进行重构；该装置包括接收望远镜1、光纤变换器2、光锥3、条纹管4、CCD相机5和同步电路6；光纤变换器2由32*32根等长的光纤组成，光纤变换器2的接收输入端2-1以32*32的阵列A方式排布，光纤变换器2的两个输出端A2-2和输出端B2-3分别以128*4的阵列A1和A2方式排列，阵列中的下标表示光纤位置所对应的行和列；A输入阵列方式为，

$A=\left|\begin{array}{c}{a}_{1-1},a_{1-2},......a_{1-32}\\ a_{2-1},a_{2-2},......a_{2-32}\\ ..........................\\ a_{32-1},a_{32-2},......a_{32-32}\end{array}\right|$

A1阵列排列方式为，

$A1=\left|\begin{array}{c}{a}_{1-1},a_{1-2},...a_{1-32},......a_{4-1},a_{4-2},...a_{4-32}\\ a_{9-1},a_{9-2},...a_{9-32},......a_{12-1},a_{12-2},...a_{12-32}\\ a_{17-1},a_{17-2},...a_{17-32},......a_{20-1},a_{20-2},...a_{20-32}\\ a_{25-1},a_{25-2},...a_{25-32},......a_{28-1},a_{28-2},...a_{28-32}\end{array}\right|$

A2的输出阵列排列方式为，

$A2=\left|\begin{array}{c}{a}_{5-1},a_{5-2},...a_{5-32},......a_{8-1},a_{8-2},...a_{8-32}\\ a_{13-1},a_{13-2},...a_{13-32},......a_{16-1},a_{16-2},...a_{16-32}\\ a_{21-1},a_{21-2},...a_{21-32},......a_{24-1},a_{24-2},...a_{24-32}\\ a_{29-1},a_{29-2},...a_{29-32},......a_{32-1},a_{32-2},...a_{32-32}\end{array}\right|$

光锥3由光锥A和光锥B组成，其放大比例完全相同；条纹管4由条纹管A和条纹管B组成，型号完全相同，其光电阴极分别附有八条狭缝；光锥A的一端耦合于光纤变换器2的输出端A2-2，光锥A的另一端耦合于条纹管A的光电阴极面；光锥B的一端耦合于光纤变换器2的输出端B2-3，光锥B的另一端耦合于条纹管B的光电阴极面；CCD相机5由CCD相机A和CCD相机B组成，型号完全相同，CCD相机A与条纹管A的荧光屏相耦合，CCD相机B与条纹管B的荧光屏相耦合。

工作过程为：回波激光束经接收望远镜1接收并聚焦于光纤变换器2的接收输入端2-1，光束通过光纤变换器2变为离散的图像，并在输出端A2-2和输出端B2-3分为A1和A2所示排列方式的两路，然后其中一路通过耦合的光锥A与条纹管A光电阴极面的奇行数或偶行数的狭缝相对应，另一路通过耦合的光锥B与条纹管B光电阴极面的偶行数或奇行数的狭缝相对应，这样条纹管A和条纹管B只有奇数行或偶数行狭缝才会有对应的光束进入，每条狭缝对应于条纹管4的荧光屏纵向成像区域面积扩大了2倍，其图像分别被通过与条纹管4相耦合的CCD相机5采集，CCD相机A和CCD相机B的扫描及同步由同步电路6控制实现；根据图像纵向区域与景深的关系可知，其系统可探测的景深也扩大了两倍；

上述光纤通过光纤变换器2后每行光纤之间的间隔变为原来排列的2倍。

有益效果

本发明基于现有的多狭缝条纹管成像激光雷达系统，将光纤变换器2的图像输出端2-2和2-3进行重新排列组合，输出为两路，每路的光纤数为原来的一半，分别耦合于两台条纹管4的多狭缝中的奇(偶)行，这样在保证光纤变换器2输入端2-1空间分辨率不变的前提下，每条狭缝所对应的纵向成像区域变为原来的2倍，此纵向成像区域对应于多狭缝条纹管成像激光雷达的探测景深，即探测系统的景深增大为原来的2倍；两台条纹管4所探测的条纹图像分别被两台CCD相机5捕获，只要根据光纤图像输出端的特定的排列方式，对两幅图像进行特定算法的重构，便能恢复出目标的三维图像。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为光纤图像变换器的输入端示意图；

图3为由输入端32×4像元转换为输出端128×1像元的序号对应示意；

图4为输出端的128*8阵列按奇偶行数分两路输出示意图；

图5为探测目标景深与条纹管荧光屏成像区域的关系示意图；

其中，1-接收望远镜，2-光纤变换器，3-光锥，4-条纹管，5-CCD相机，6-同步电路，2-1-光纤变换器2的接收输入端，2-2-光纤变换器2的输出端A，2-3-光纤变换器2的输出端B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

一种提高多狭缝条纹管成像激光雷达景深的装置，该装置包括接收望远镜1、光纤变换器2、光锥3、条纹管4、CCD相机5和同步电路6，如图1所示；光纤变换器2由32*32根等长的光纤组成，光纤变换器2的接收输入端2-1以32*32的阵列A方式排布，如图2所示；光纤变换器2的两个输出端A2-2和输出端B2-3分别以128*4的阵列A1和A2方式排列，阵列中的下标表示光纤位置所对应的行和列；以阵列A的前四行为例，前四行第一行从左至右序号为1-32，第二行从左至右序号为33-64第三行从左至右序号为65-96，第四行从左至右序号为97-128；输出后排为一行从左至右序号为1-128，如图3所示；A输入阵列方式为，

$A=\left|\begin{array}{c}{a}_{1-1},a_{1-2},......a_{1-32}\\ a_{2-1},a_{2-2},......a_{2-32}\\ ..........................\\ a_{32-1},a_{32-2},......a_{32-32}\end{array}\right|$

A1阵列排列方式为，

$A1=\left|\begin{array}{c}{a}_{1-1},a_{1-2},...a_{1-32},......a_{4-1},a_{4-2},...a_{4-32}\\ a_{9-1},a_{9-2},...a_{9-32},......a_{12-1},a_{12-2},...a_{12-32}\\ a_{17-1},a_{17-2},...a_{17-32},......a_{20-1},a_{20-2},...a_{20-32}\\ a_{25-1},a_{25-2},...a_{25-32},......a_{28-1},a_{28-2},...a_{28-32}\end{array}\right|$

A2的输出阵列排列方式为，

$A2=\left|\begin{array}{c}{a}_{5-1},a_{5-2},...a_{5-32},......a_{8-1},a_{8-2},...a_{8-32}\\ a_{13-1},a_{13-2},...a_{13-32},......a_{16-1},a_{16-2},...a_{16-32}\\ a_{21-1},a_{21-2},...a_{21-32},......a_{24-1},a_{24-2},...a_{24-32}\\ a_{29-1},a_{29-2},...a_{29-32},......a_{32-1},a_{32-2},...a_{32-32}\end{array}\right|$

光锥3由光锥A和光锥B组成，其放大比例完全相同；条纹管4由条纹管A和条纹管B组成，型号完全相同，其光电阴极分别附有八条狭缝；光锥A的一端耦合于光纤变换器2的输出端A2-2，光锥A的另一端耦合于条纹管A的光电阴极面；光锥B的一端耦合于光纤变换器2的输出端B2-3，光锥B的另一端耦合于条纹管B的光电阴极面；CCD相机5由CCD相机A和CCD相机B组成，型号完全相同，CCD相机A与条纹管A的荧光屏相耦合，CCD相机B与条纹管B的荧光屏相耦合。

工作过程为：回波激光束经接收望远镜1接收并聚焦于光纤变换器2的接收输入端2-1，光束通过光纤变换器2的离散作用变为32*32像元的图像，并在输出端A2-2和输出端B2-3分为A1和A2所示排列方式的两路，每路为128*4像元，然后其中一路通过耦合的光锥A与条纹管A光电阴极面的奇行数的狭缝相对应，另一路通过耦合的光锥B与条纹管B光电阴极面的偶行数的狭缝相对应，如图4所示；这样条纹管A和条纹管B只有奇数行或偶数行狭缝才会有对应的光束进入，每条狭缝对应于条纹管4的荧光屏纵向成像区域面积扩大了2倍，其图像分别被通过与条纹管4相耦合的CCD相机5采集，CCD相机A和CCD相机B的扫描及同步由同步电路6控制实现；根据图像纵向区域与景深的关系可知，其系统可探测的景深也扩大了两倍；对两幅CCD数字相机5采集的图像进行重构，便能恢复出目标的三维图像。

上述光纤通过光纤变换器2后每行光纤之间的间隔变为原来排列的2倍。

上述光纤变换器2的光纤内径为62.5μm，外径为125μm，光纤变换器2的接收输入端2-1的长度为4.00±0.01mm，宽度为4.07±0.0mm，光纤变换器2的两个输出端A2-2和输出端B2-3的长度为16.00±0.01mm，宽度为12.00±0.01mm，每行光纤之间的间隔为1.39mm±0.01mm。

所述光锥A和光锥B的放大比例都为2∶1；

所述的条纹管A和条纹管B的光电阴极尺寸为10mm，分别附有八条狭缝。

工作原理：

在基于多狭缝条纹管的成像激光雷达系统中，空间分辨率由接收系统中的光纤变换器2的光纤数来决定，即光纤数越多，系统的空间分辨率越高，若光纤排列为32*32阵列，则系统可探测的空间分辨率便为32*32。其输出端为128*8阵列，通过光锥3耦合于条纹管光电阴极的8条狭缝上，每条狭缝对应的成像区域为狭缝间隔所对应的荧光屏上的区域。

系统可探测的距离景深由条纹管荧光屏4上每条狭缝所对应的纵向成像区域来决定，若要增加每条狭缝所对应的纵向成像区域，则要增加光电阴极处的狭缝之间的间隔。由于其接收系统中的光纤变换器2以及条纹管4光电阴极工艺的限制，其面积不可能做的很大，即若要增加狭缝之间的间隔，必须减少狭缝的数目，即减少其所对应的光纤数，这样势必会造成空间分辨率的下降。

对光纤变换器2的输出端进行重新排列，分两路，每路输出端面积不变，但其为128*4阵列，分别与条纹管的8条狭缝中的4条隔行对应耦合，每条狭缝成像面积变扩大了2倍，即使得系统的探测景深变为原来的2倍，且保持了系统的分辨率不变，付出的代价是需要增加一台条纹管设备4，一套CCD数字相机5以及后期数据重构算法的改进。

Claims (1)

1.一种提高多狭缝条纹管成像激光雷达景深的装置，其特征在于：该装置包括接收望远镜(1)、光纤变换器(2)、光锥(3)、条纹管(4)、CCD相机(5)和同步电路(6)；光纤变换器(2)由32*32根等长的光纤组成，光纤变换器(2)的接收输入端(2-1)以32*32的阵列A方式排布，光纤变换器(2)的两个输出端A(2-2)和输出端B(2-3)分别以128*4的阵列A1和A2方式排列，阵列中的下标表示光纤位置所对应的行和列；A输入阵列方式为，

$A=\left|\begin{array}{c}{a}_{1-1},a_{1-2},......a_{1-32}\\ a_{2-1},a_{2-2},......a_{2-32}\\ ..........................\\ a_{32-1},a_{32-2},......a_{32-32}\end{array}\right|$

A1阵列排列方式为，

$A1=\left|\begin{array}{c}{a}_{1-1},a_{1-2},...a_{1-32},......a_{4-1},a_{4-2},...a_{4-32}\\ a_{9-1},a_{9-2},...a_{9-32},......a_{12-1},a_{12-2},...a_{12-32}\\ a_{17-1},a_{17-2},...a_{17-32},......a_{20-1},a_{20-2},...a_{20-32}\\ a_{25-1},a_{25-2},...a_{25-32},......a_{28-1},a_{28-2},...a_{28-32}\end{array}\right|$

A2的输出阵列排列方式为，

$A2=\left|\begin{array}{c}{a}_{5-1},a_{5-2},...a_{5-32},......a_{8-1},a_{8-2},...a_{8-32}\\ a_{13-1},a_{13-2},...a_{13-32},......a_{16-1},a_{16-2},...a_{16-32}\\ a_{21-1},a_{21-2},...a_{21-32},......a_{24-1},a_{24-2},...a_{24-32}\\ a_{29-1},a_{29-2},...a_{29-32},......a_{32-1},a_{32-2},...a_{32-32}\end{array}\right|$

光锥(3)由光锥A和光锥B组成，其放大比例完全相同；条纹管(4)由条纹管A和条纹管B组成，型号完全相同，其光电阴极分别附有八条狭缝；光锥A的一端耦合于光纤变换器(2)的输出端A(2-2)，光锥A的另一端耦合于条纹管A的光电阴极面；光锥B的一端耦合于光纤变换器(2)的输出端B(2-3)，光锥B的另一端耦合于条纹管B的光电阴极面；CCD相机(5)由CCD相机A和CCD相机B组成，型号完全相同，CCD相机A与条纹管A的荧光屏相耦合，CCD相机B与条纹管B的荧光屏相耦合；

回波激光束经接收望远镜(1)接收并聚焦于光纤变换器(2)的接收输入端(2-1)，光束通过光纤变换器(2)变为离散的图像，并在输出端A(2-2)和输出端B(2-3)分为A1和A2所示排列方式的两路，然后其中一路通过耦合的光锥A与条纹管A光电阴极面的奇行数或偶行数的狭缝相对应，另一路通过耦合的光锥B与条纹管B光电阴极面的偶行数或奇行数的狭缝相对应，输出的图像分别被通过与条纹管(4)相耦合的CCD相机(5)采集，CCD相机A和CCD相机B的扫描及同步由同步电路(6)控制实现。

Images