CN104698467A - 一种不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置及方法，包括激光发射接收组件、光学组件和电子组件，所述的光学组件包括物镜、分光棱镜、微透镜阵列和电荷耦合器件，分光棱镜用于将物镜中穿出的激光回波反射到光电接收管上而穿出的其他光线穿过分光棱镜到达微透镜阵列；微透镜阵列获取目标的光场数据投射到电荷耦合器件上，由其转化为数字信号并传输给电子组件；电子组件根据读入的激光回波脉冲信号和目标光场数据计算并输出目标图像和对应的目标距离，同时利用光场数字重对焦技术分别输出视场范围内不在同一瞄准线上的其他目标图像及目标距离。本发明能明显减少激光发射次数，延长激光器使用寿命，并且有效提高了测距的效率。

Description

一种不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置及方法
技术领域
本发明涉及一种不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置及方法，属于脉冲激光测距领域。
背景技术
激光测距精度高、速度快、测程远，且测距精度与测量距离无关，因此在工程和军事领域应用很广。脉冲激光测距机发射系统向目标发射一个激光脉冲，经过目标反射后的回波脉冲进入接收系统，激光测距机的计数系统测量出激光脉冲在待测距离上往返传播的时间，即可确定目标的距离。为了排除同一方向地物、树木等的干扰，激光测距机增加了距离选通电路。利用距离选通技术，可以实现多目标测距，但要求多个待测目标在同一瞄准线上。对不在同一瞄准线上有一定立体纵深的多个目标同时进行测距，目前尚无方法和装置能够解决。
发明内容
为解决上述问题，本发明结合光场相机技术设计了一种发射一次激光即能对不在同一瞄准线上有一定立体纵深的多个目标同时进行测距的装置及方法。
本发明应用的光场相机技术原理如下：
四维光场可以表示空间内的所有光线。相对于传统相机只能储存每个像素对应的辐照，光场相机不仅能储存每个像素对应的照度，还能记录照到该像素的光线的方向。光场相机图像的形成分测量与处理两步。在测量过程，图像传感器记录了光线的强度与方向；在处理过程，光场相机通过计算可以生成焦点在任意位置的传统相机图像。因此，光场相机可以实现“先拍照，后对焦”。
 传统相机对焦的过程是通过转动调焦环来调节镜头光心到成像面的距离，光场相机是通过软件移动假想的成像面，利用相似三角形原理计算出来的。因此，如果使用激光测距技术测得某一目标距离，同时使用光场相机技术记录该目标成像的光场数据，通过软件程序移动假想成像面即可实现对与该目标不在同一瞄准线上有一定立体纵深的多个目标同时进行测距。
结合上述原理，本发明采用的具体方案如下：
一种不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置，包括激光发射接收组件、光学组件和电子组件，所述的激光发射接收组件包括激光器、发射天线和光电接收管，所述的光学组件包括物镜、分光棱镜、微透镜阵列和电荷耦合器件，微透镜阵列位于物镜的像面处，分光棱镜位于物镜和微透镜阵列之间，用于将物镜中穿出的激光回波反射到光电接收管上而穿出的其他光线穿过分光棱镜到达微透镜阵列；电荷耦合器件位于微透镜阵列的焦距处，微透镜阵列获取目标的光场数据投射到电荷耦合器件上，由其转化为数字信号并传输给电子组件；光电接收管将激光回波脉冲信号传输给电子组件，电子组件包括电源模块、目标距离计算模块、光场图像数据处理模块和显示及控制模块，电源模块用于为激光器、光电接收管和电荷耦合器件提供工作电压；目标距离计算模块和光场图像数据处理模块用于根据读入的激光回波脉冲信号和目标光场数据计算并输出目标图像和对应的目标距离，同时利用光场数字重对焦技术分别输出视场范围内不在同一瞄准线上的其他目标图像及目标距离；显示及控制模块用于输出触发信号控制激光器，并用于显示目标图像和目标距离。
所述分光棱镜可以为任意角度棱镜，确保具有一个反射面，反射激光回波即可，并使得光电接收管位于反射光线经过的位置。优选的，所述分光棱镜为直角反射棱镜，其斜边所在侧面上镀有激光全反膜。这样可使得目标反射的激光回波反射到光电接收管上，而其他光线穿过分光棱镜投射到微透镜阵列上。
优选的，所述的电荷耦合器件采用KAF-16803图像传感器芯片。
优选的，所述的微透镜阵列为292×292元，焦距500微米，直径125微米。微透镜阵列的尺寸可根据与电荷耦合器件的搭配来设置。
优选的，所述的目标距离计算模块采用AT89C55单片机，用作核心处理器件。
优选的，所述的光场图像数据处理模块采用型号为EP2C35F484C6N 的FPGA芯片。
优选的，所述的显示及控制模块采用夏普LS050T1SX01液晶屏，分辨率为1080*1920。
一种应用上述装置的不同瞄准线上多目标脉冲激光测距方法，包括以下步骤：
（1）、瞄准目标，收集目标光场数据：打开电源，通过显示及控制模块对焦并瞄准远处目标后发出触发信号，目标反射的光线穿过物镜、分光棱镜后经微透镜阵列成像形成目标光场数据，电荷耦合器件记录目标光场数据并输出给电子组件的光场图像数据处理模块；
（2）、发射激光，收集激光回波信号：一帧目标光场数据输出完毕后，显示及控制模块控制激光器发出激光脉冲，经目标反射后的激光回波穿过物镜后经分光棱镜反射到达光电接收管，形成激光回波脉冲信号输出给电子组件的目标距离计算模块；
（3）、处理并显示当前目标的图像和距离：光场图像数据处理模块处理计算输入的目标光场数据，得出当前目标图像并发送给显示及控制模块显示；目标距离计算模块计算出当前目标的距离信息并发送给显示控制模块显示；
（4）、处理并显示其他目标的图像和距离：通过显示及控制模块移动假想成像面，进行光场数据重新对焦，分别对准视场范围内不在同一瞄准线上的其他目标，逐个计算并显示其他目标的图像和距离。
本发明将激光测距技术与光场相机技术相结合，仅发射一次激光，就实现对不在同一瞄准线上的多个目标同时进行测距，能明显减少激光发射次数，延长激光器使用寿命，并且有效提高了测距的效率。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明实施方式的工作时序图；
图中，1、物镜，2、分光棱镜，3、光学组件，4、微透镜阵列，5、电荷耦合器件，6、激光发射接收组件，7、发射天线，8、激光器，9、光电接收管，10、目标距离计算模块，11、光场图像数据处理模块，12、电源模块，13、显示及控制模块，14、电子组件。
具体实施方式
下面以非限定性的实施例来进一步解释说明本发明。
一种不同瞄准线上多目标激光脉冲测距装置，如图所示，包括激光发射接收组件6、光学组件3和电子组件14。
激光发射接收组件6由激光器8、发射天线7和光电接收管9组成，激光器8采用YAG小型固体激光器，发射激光波长为1.06um。光电接收管9采用PIN光电二极管。在电子组件14的控制下由激光器8经发射天线7向目标发射激光脉冲，返回的激光回波由光电接收管9接收并转换为电压脉冲信号输出给电子组件14。
光学组件3由物镜1、分光棱镜2、微透镜阵列4和电荷耦合器件5组成，微透镜阵列4为292×292元，其焦距为500微米，直径为125微米，微透镜阵列4位于物镜1的像面处。分光棱镜2位于物镜1和微透镜阵列4之间，分光棱镜2为截面为直角三角形的棱镜，其中斜边所在侧面镀有1.06um波长的激光全反膜，目标反射的激光回波以及其他照到目标上的光线穿过物镜，分光棱镜将物镜中穿出的激光回波脉冲反射到光电接收管上，而其他光线穿过分光棱镜到达微透镜阵列。电荷耦合器件5采用像元数为4096×4096的KAF-16803图像传感器芯片，位于微透镜阵列4的焦距处。目标上的点经物镜后聚焦于微透镜阵列平面，经单个微透镜分散出强度和方向分量，到达电荷耦合器件的不同面元，从而得到目标光场信息，由电荷耦合器件5将其转化为数字信号并传输给电子组件14。
电子组件14由电源模块12、目标距离计算模块10、光场图像数据处理模块11和显示及控制模块13组成，电源模块12采用RUICU系列SIP封装电源芯片，可以提供3.3V、5V、±12V等多种电压，用于为激光器、光电接收管和电荷耦合器件提供工作电压。目标距离计算模块10采用AT89C55单片机作为核心处理器，用于计算目标距离。光场图像数据处理模块11采用型号为EP2C35F484C6N 的FPGA芯片作为数据处理核心，用于处理目标光场数据获得目标图像。显示及控制模块13采用5.0inch的夏普LS050T1SX01液晶屏，分辨率为1080×1920。
下面结合说明本发明的具体工作过程：
（1）、瞄准目标，收集目标光场数据：打开电源，通过显示及控制模块对焦并瞄准远处目标后发出触发信号，目标反射的光线穿过物镜、分光棱镜后经微透镜阵列成像形成目标光场数据，电荷耦合器件记录目标光场数据并输出给电子组件的光场图像数据处理模块；
（2）、发射激光，收集激光回波信号：一帧目标光场数据输出完毕后，显示及控制模块控制激光器发出激光脉冲，经目标反射后的激光回波穿过物镜后经分光棱镜反射到达光电接收管，形成激光回波脉冲信号输出给电子组件的目标距离计算模块；
（3）、处理并显示当前目标的图像和距离：光场图像数据处理模块处理计算输入的目标光场数据，得出当前目标图像并发送给显示及控制模块显示；目标距离计算模块计算出当前目标的距离信息并发送给显示控制模块显示；
（4）、处理并显示其他目标的图像和距离：通过显示及控制模块移动假想成像面，进行光场数据重新对焦，分别对准视场范围内不在同一瞄准线上的其他目标，逐个计算并显示其他目标的图像和距离。

Claims (8)

1.一种不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置，包括激光发射接收组件（6）、光学组件（3）和电子组件（14），所述的激光发射接收组件（6）包括激光器（8）、发射天线（7）和光电接收管（9），其特征在于：所述的光学组件（3）包括物镜（1）、分光棱镜（2）、微透镜阵列（4）和电荷耦合器件（5），微透镜阵列（4）位于物镜（1）的像面处，分光棱镜（2）位于物镜（1）和微透镜阵列（4）之间，用于将物镜中穿出的激光回波反射到光电接收管上而穿出的其他光线穿过分光棱镜到达微透镜阵列；电荷耦合器件（5）位于微透镜阵列（4）的焦距处，微透镜阵列获取目标的光场数据投射到电荷耦合器件上，由其转化为数字信号并传输给电子组件（14）；光电接收管（9）将激光回波脉冲信号传输给电子组件（14），电子组件（14）包括电源模块（12）、目标距离计算模块（10）、光场图像数据处理模块（11）和显示及控制模块（13），电源模块（12）用于为激光器、光电接收管和电荷耦合器件提供工作电压；目标距离计算模块（10）和光场图像数据处理模块（11）用于根据读入的激光回波脉冲信号和目标光场数据计算并输出目标图像和对应的目标距离，同时利用光场数字重对焦技术分别输出视场范围内不在同一瞄准线上的其他目标图像及目标距离；显示及控制模块（13）用于输出触发信号控制激光器，并用于显示目标图像和目标距离。
2.根据权利要求1所述的不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置，其特征在于：所述分光棱镜（2）为直角反射棱镜，其斜边所在侧面上镀有激光全反膜。
3.根据权利要求1或2所述的不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置，其特征在于：所述的电荷耦合器件（5）采用KAF-16803图像传感器芯片。
4.根据权利要求1或2所述的不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置，其特征在于：所述的微透镜阵列（4）为292×292元，焦距500微米，直径125微米。
5.根据权利要求1或2所述的不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置，其特征在于：所述的目标距离计算模块（10）采用AT89C55单片机。
6.根据权利要求1或2所述的不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置，其特征在于：所述的光场图像数据处理模块（11）采用型号为EP2C35F484C6N 的FPGA芯片。
7.根据权利要求1或2所述的不同瞄准线上多目标脉冲激光测距装置，其特征在于：所述的显示及控制模块（13）采用夏普LS050T1SX01液晶屏。
8.一种应用权利要求1-5所述装置的不同瞄准线上多目标脉冲激光测距方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）、瞄准目标，收集目标光场数据：打开电源，通过显示及控制模块对焦并瞄准远处目标后发出触发信号，目标反射的光线穿过物镜、分光棱镜后经微透镜阵列成像形成目标光场数据，电荷耦合器件记录目标光场数据并输出给电子组件的光场图像数据处理模块；
（2）、发射激光，收集激光回波信号：一帧目标光场数据输出完毕后，显示及控制模块控制激光器发出激光脉冲，经目标反射后的激光回波穿过物镜后经分光棱镜反射到达光电接收管，形成激光回波脉冲信号输出给电子组件的目标距离计算模块；
（3）、处理并显示当前目标的图像和距离：光场图像数据处理模块处理计算输入的目标光场数据，得出当前目标图像并发送给显示及控制模块显示；目标距离计算模块计算出当前目标的距离信息并发送给显示控制模块显示；
（4）、处理并显示其他目标的图像和距离：通过显示及控制模块移动假想成像面，进行光场数据重新对焦，分别对准视场范围内不在同一瞄准线上的其他目标，逐个计算并显示其他目标的图像和距离。
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