CN105676564A - 一种具有目标距离测量和定位功能的激光夜视仪 - Google Patents

Abstract

一种具有目标距离测量和定位功能的激光夜视仪，包括云台、支架、激光照明器、摄像机和鉴相器；支架连接在云台上，激光照明器、摄像机和鉴相器均设置在支架上，激光照明器和摄像机均与鉴相器连接。由激光照明器发出的经调制后的激光光束发射到监控目标上，激光光束反射后通过变焦镜头收集进入摄像机，鉴相器通过激光光束反射前后相位差，计算出目标距离，同时由云台获得云台的地理位置和目标方位角，计算出监控目标的具体地理经纬度位置，实现目标的地理经纬度定位。该激光夜视仪，无需额外增加激光测距仪等距离测量装置，就可以实现目标距离测量和地理位置定位，不仅结构简单，而且实现了全视场内目标定位的功能。

Description

一种具有目标距离测量和定位功能的激光夜视仪

技术领域

本发明涉及一种具有目标距离测量和定位功能的激光夜视仪，属于夜视仪技术领域。

背景技术

夜间视频监控是安防监控的重要组成部分，夜视技术主要分为主动红外技术、被动红外技术和微光夜视技术三种。针对监控目标距离超过1公里的夜视监控，主动红外技术是利用激光作为照明光源，利用目标反射回来的激光发现和辨识目标。

常规的激光夜视仪由半导体激光器照明系统、摄像机、信号处理和电控板、机械系统四部分组成，其中光源一般选择810nm、860nm、940nm等红外波长的激光器作为监控摄像机的照明光源，光电转换效率在60％以上。激光夜视仪具有夜间监控距离远(夜间监控距离可达3km以上)，激光装置与摄像机同步变焦，监控画面清晰，使用寿命长，节能环保等优点，已经广泛应用于平安城市、边防、海事、油田矿区、森林防火、高速铁路等领域。

现在，很多应用对夜视仪的要求不只是要获取目标图像，还要具有定位功能，对于夜视仪监控目标的定位，由于监控距离近的应用，一般只是给出一个大致的东南西北方向，没有准确的目标定位需求。但是，针对夜视距离达到公里以上的激光夜视监控应用，目标能够定位显得非常重要。比如在森林防火、边防、海防等领域，很多时候需要准确调动人员或装备到目标区域，这就需要夜视仪能够给出目标图像的同时，提供目标准确位置，提高事件处置及时性和有效性。

实现远距离监控目标的定位，需要三个参数：

一个是摄像机自身位置，对于静止安装的夜视仪，一般是在安装时输入安装点的经纬度数据进行位置识别；对于移动的夜视仪，一般采用GPS、北斗定位系统或移动通讯信号进行位置识别。

二是监控目标与夜视仪之间的水平和垂直角度，这个通过安装夜视仪的云台获得。

三是目标与夜视仪之间的距离，这个参数需要在夜视仪上增加测距装置，比如激光测距仪和红外测距仪。

获得了上面三个参数就可以获得夜视仪监控目标的地理位置，也就实现了定位。

中国专利文献CN201765378U公开的一种具有测距功能的夜视仪，包括脉冲激光器和带有选通门的ICCD摄像机，ICCD摄相机能够实现距离选通成像；脉冲激光器与ICCD摄像机之间设置有距离选通同步控制器，距离选通同步控制器能够使脉冲激光器的脉冲和ICCD摄像机在时序上正确配合，以时间的先后分开不同距离上的后向散射引起的背景辐射和目标反射回的有用信号，使从被探测目标反射回的有用信号刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。该夜视仪的测距利用了脉冲激光方式，由于光速为30万公里/秒，受电子线路响应时间所限，难以实现1公里以内的距离测量；二是该夜视仪只能获取视场内所有目标的平均距离，无法获得监控画面内不同位置点和部分区域的平均距离；三是该夜视仪只给出了距离数据，没有实际地理位置定位输出功能。

发明内容

针对现有夜视仪在远距离监控目标定位方面存在的不足，本发明提供一种结构简单、成本低、位置信息全覆盖的具有目标距离测量和定位功能的激光夜视仪。

本发明的具有目标距离测量和定位功能的激光夜视仪，采用以下技术方案：

该激光夜视仪，包括云台、支架、激光照明器、摄像机和鉴相器；支架连接在云台上，激光照明器、摄像机和鉴相器均设置在支架上，激光照明器和摄像机均与鉴相器连接；激光照明器内设置有用于提供工作电流和调制信号的激光器驱动和调制器件，激光照明器的前部设置有激光变焦镜头(激光器驱动和调制器件和激光变焦镜头均属于激光照明器的组成部分)；摄像机的前部设置有变焦镜头；

由激光照明器发出的经激光驱动和调制器件调制后的激光光束经过激光变焦镜头后发射到监控目标上，经监控目标反射后的激光光束通过变焦镜头收集，进入摄像机，鉴相器提取摄像机收集的目标反射产生的亮度信号，并与激光照明器发射激光的调制信号进行相位比较，获得相位差，计算出目标与云台之间的目标距离，同时由云台获得云台的地理位置和目标方位角，利用云台地理位置、目标方位角和目标距离计算出监控目标的具体地理经纬度位置，实现目标的地理经纬度定位。

所述目标是指一个点或一个区域(目标点或目标区域)。

所述目标距离是指一个目标点与云台之间的距离或者一个目标区域与云台之间的平均距离。

其中，云台的地理位置(夜视仪自身位置)由安装点的经纬度数据或采用GPS、北斗定位系统或移动通讯信号获得，目标方位角由云台获得；目标距离利用光强度调制的激光照明发射激光和目标反射激光之间的信号相位差获得。

本发明与其它具有定位功能的激光夜视仪相比，不增加其它测距装置，直接将照明激光进行调制，利用目标反射的激光亮度变化信号进行距离测量，且对目标距离的测量可以是一点或者一个区域的平均距离，用户可以根据兴趣自由选择目标进行定位。

本发明在照明激光上增加强度调制信号，利用摄像机CCD探测目标的亮度信号和照明激光调制信号之间的相位差测量目标距离，并进行监控画面内不同目标定位，可以对画面内所有目标给予位置定位，不需要附加测距仪实现目标定位，具有结构简单、位置信息全覆盖的特点。

本发明适合所有利用激光作为照明光源的远距离激光夜视仪。

附图说明

图1为本发明的具有目标定位功能的远距离激光夜视仪的结构原理示意图。

图中：1、云台；2、激光照明器；3、摄像机；4、鉴相器；5、监控目标；6、激光驱动和调制器件；7、激光变焦镜头；8、变焦镜头；9、支架。

具体实施方式

本发明具有目标距离测量和定位功能的激光夜视仪的距离参数测量采用激光测距原理，激光测距一般采用两种方式，分别是脉冲法和相位法。

1.脉冲法：

测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间，光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度误差为1米(即正负1米)左右。另外，由于信号处理速度限制，在1公里以内的电路设计具有很大的挑战性。

激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播，在测站点A点和B点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离d可用下式表示：

d＝c×t/2

式中：

d—A点和B点间距离；

c—光在大气中传播的速度；

t—光往返A点和B点一次所需的时间。

由于激光夜视仪需要激光照明光源提供持续的照明功能，因此脉冲法不适合距离测量和照明功能的一体化实现。

2.相位式法

相位式激光测距是对激光束强度进行幅度调制，测定调制光往返一次所产生的相位延迟测定出光经往返所需的时间，光速和往返时间的乘积的一半就是测距仪和被测量物体之间的距离。

连续激光经过高频调制后成为高频调制光，激光往返一周的时间t可以用调制波的整数周期数及不足一个周期的小数周数来表示。设调制频率为f_m,则光往返测距仪和目标之间的时间为：

f_m—调制频率(Hz)；

N—光波往返全程中的整周期数；

—不足一个周期的位相值；

光速用C标识，则测距仪与目标之间的距离d的计算公式如下：

在实际实现中，可以选择调制频率为调制波长的二分之一之内，这样N＝0，这样只需要测量出发射与接收信号之间不足一周期的相位差即可计算出目标距离d。

根据实际应用目标距离不同，可以选择不同的调制频率。具体如下：1公里以内的距离，选择调制频率为150KHz，2公里以内的，选择调制频率为70KHz，3公里以内的，选择50KHz。

相位法仅需要获得调制的发射激光和目标反射激光之间的信号相位差，适合用于具有照明功能的激光夜视仪。

根据上述原理，本发明的具有目标距离测量和定位功能的激光夜视仪，如图1所示，包括云台1、激光照明器2、摄像机3、鉴相器4、支架9。支架9连接在云台1上，激光照明器2、摄像机3和鉴相器4均设置在支架9上，激光照明器2和摄像机3均与鉴相器4连接。可在支架9顶部设置护罩，以保护其内器件。云台1用于提供夜视仪自身位置和目标方位角。激光照明器2发射强度调制的激光光束，激光照明器2内设置有激光器驱动和调制器件6(属于激光照明器2的组成部分，或者是激光驱动器和激光调制器)，用于给激光照明器2提供工作电流和调制信号；激光照明器2的前部设置有激光变焦镜头7(属于激光照明器2的组成部分)，用于调整激光照射光束的出射角度。摄像机3为数字摄像机，带亮度输出功能，可以提取监控图像每一个点的亮度变化信号；摄像机3的前部设置有变焦镜头8，用于收集激光照射光束碰到监控目标5后反射回来的信号。鉴相器4用于提取摄像机3收集的目标点或区域反射产生的亮度信号，并与发射激光的调制信号进行相位比较，获得相位差。

上述激光夜视仪，使用相位法测距原理，由于对照明激光的强度调制深度不深，且调制频率为几十KHz，不会影响监控图像质量。选取监控画面一个点或者一个区域提取目标反射激光的亮度信号，通过与照明激光相位差进行比较，获得一个目标点的距离，或者一个区域的平均距离；然后利用夜视仪位置信号和监控方位角信号计算出目标的准确地理位置。

上述激光夜视仪的工作原理如下：

激光驱动和调制部件6给激光照明器2提供工作电流和调制信号，由激光照明器2发出的经激光驱动和调制器件6调制后的激光光束经过激光变焦镜头7后发射到监控目标5上，经监控目标5反射后的激光光束通过变焦镜头8收集，进入摄像机3。鉴相器4提取摄像机3收集的目标点或区域反射产生的亮度信号，并与发射激光的调制信号进行相位比较，获得相位差，计算出目标点或区域与夜视仪(云台1)之间的距离，即目标距离，同时由云台1获得夜视仪自身(就是云台1所在的位置)地理位置和目标方位角，利用夜视仪自身位置、目标方位角和目标距离计算出监控目标5的具体地理经纬度位置，实现目标的地理经纬度定位。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。

Claims (3)

1.一种具有目标距离测量和定位功能的激光夜视仪，其特征是：

包括云台、支架、激光照明器、摄像机和鉴相器；支架连接在云台上，激光照明器、摄像机和鉴相器均设置在支架上，激光照明器和摄像机均与鉴相器连接；激光照明器内设置有用于提供工作电流和调制信号的激光器驱动和调制器件，激光照明器的前部设置有激光变焦镜头；摄像机的前部设置有变焦镜头；

由激光照明器发出的经激光驱动和调制器件调制后的激光光束经过激光变焦镜头后发射到监控目标上，经监控目标反射后的激光光束通过变焦镜头收集，进入摄像机，鉴相器提取摄像机收集的目标反射产生的亮度信号，并与激光照明器发射激光的调制信号进行相位比较，获得相位差，计算出目标与云台之间的目标距离，同时由云台获得云台的地理位置和目标方位角，利用云台地理位置、目标方位角和目标距离计算出监控目标的具体地理经纬度位置，实现目标的地理经纬度定位。

2.根据权利要求1所述的具有目标距离测量和定位功能的激光夜视仪，其特征是，所述目标是指一个点或一个区域。

3.根据权利要求1所述的具有目标距离测量和定位功能的激光夜视仪，其特征是，所述目标距离是指一个目标点与云台之间的距离或者一个目标区域与云台之间的平均距离。