CN106154286A - 一种新型的非扫描多光谱条纹管激光成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的非扫描多光谱条纹管激光成像系统，属于光电成像领域。包括多波长激光器、扩束棱镜、接收光学系统、分光光栅、APD阵列探测器、电缆阵列、放大电路阵列、激光器发射阵列、微透镜阵列、条纹管、CCD相机和计算机；其中，含有多个波长信息的回波分光后由多个APD阵列探测器接收进行光电转换并通过放大电路阵列将信号放大，放大后电信号通过不同长度的电缆阵列以产生到达同一个激光器发射阵列的时间差，激光器发射阵列发射的激光束经微透镜阵列聚焦后由条纹管接收成像。本发明将多光谱技术融入到条纹管激光成像系统中提高了目标成像的准确性和丰富性，不同波长的回波信号先后顺序到达条纹管狭缝大大增加了探测的像素数目，可广泛应用于多光谱条纹管探测成像研究中。

Description

一种新型的非扫描多光谱条纹管激光成像系统

技术领域

本发明涉及一种新型的非扫描多光谱条纹管激光成像系统，属于光电成像领域。

背景技术

条纹管成像激光雷达是非扫描成像激光雷达的一种。条纹管激光成像系统作为一种新型的闪烁式非扫描激光成像系统，不仅能获得强度信息，还可以获取目标的距离信息，即同时得到目标的彩色三维图像，相对于扫描成像激光雷达系统，具有非扫描，成像帧频高，体积小等优点。基于条纹管成像激光雷达技术的多光谱成像系统，将多光谱探测技术融入三维成像技术，对目标的三维信息和多光谱信息同时进行探测，可以进一步提高目标探测的准确性。目标多样性使得多光谱信息要比单一波长信息更完善且更全面。然而在条纹管成像系统中对多光谱信息的获取和分析还存在着很多复杂的问题，例如，探测器有固定的波长感应波段，为了接收多个波长的回波信息，则需要感应波段较宽的探测器，这对探测器的要求过于苛刻，因此需要多个不同感应波段的探测器与之对应，这就涉及了分光问题，这里应用了分光光栅；由于条纹管的光电阴极有固定的响应波长范围，为了对多个波长的回波信息进行分析研究，就需要将发射到条纹管光电阴极的光信号波长转换为响应波长，这里应用了激光器发射阵列；为实现非扫描的阵列探测，采用了多狭缝条纹管成像技术。

在此之前，有关于条纹管与多光谱相结合探测成像的文献较少，其中大多是将混合光束分光后直接由条纹管接收，光束分开不彻底，每束光都有很大部分的杂光，对成像结果的分析影响很大。对其改进后，在条纹管前加入相对应滤镜的方法，一定程度上减少了杂散光，然而这种方法不适用于响应波段较窄的条纹管，例如S2型条纹管，其光电阴极的响应峰值在可见光波段，对其他波段的响应程度较低，这就将发射光束中波长的选择限制在了可见光波段，因此，要实现条纹管成像就需要将回波信号波长转换成条纹管响应波长。

采用多狭缝条纹管实现多光谱探测成像的系统中，回波由APD阵列探测器接收，再由按一定方式排列的激光器发射阵列发射到条纹管狭缝上，激光发射器阵列的波长为条纹管光电阴极的响应峰值波长λ₀。随着技术的发展，对图像像素的要求逐渐提高，如何实现大像素数量成像成为了研究面临的主要问题之一。目前基于条纹管的多光谱成像方法一般是将三个波段在同一帧里成像，由于条纹管狭缝的数目和宽度有限，只能满足数目较少的单元激光器对应排列，并且为避免像素点的干扰重叠，单元激光器之间的间距也有严格的限制，限制了成像像素数量。因此为实现大像素数目成像，本发明采用了不同长度的电缆阵列结合条纹管工作时间调制的方法。多个波长回波由多个N×N排布的APD阵列探测器接收后通过不同长度的电缆阵列与激光器发射阵列连接，由于电缆阵列的长度不同，不同APD阵列探测器转换出的电信号经过放大电路放大后到达激光器发射阵列的时间有先后差别，激光器发射阵列每一个单元激光器的驱动电路输入端设置有多个并行接口的加法电路，这些接口至少一个有信号输入就会驱动激光器发射激光。假设条纹管有八条狭缝，则激光器发射阵列的排布为8×(N²/8)(这里假设N²可以被8整除，实际情况中若选择的N不能被8整除，则阵列中行之间尽可能数目相近，对应关系明确即可)，激光器发射阵列发射的激光束经过微透镜阵列聚焦后通过狭缝打到条纹管的光电阴极上。本发明的优势在于不同波段在不同帧里成像，每一个波段的回波在不同时间段对应条纹管的整个探测区域，相较于多个波段回波分割条纹管的探测区域能实现更高像素数目的成像。

发明内容

本发明的目的是为了实现大像素数目探测并得到高精度及高分辨率的多光谱图像和距离像。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明是一种用于大像素数目成像的激光雷达多光谱探测方法。包括多波长激光器、扩束棱镜、接收光学系统、分光光栅、APD阵列探测器、放大电路阵列、电缆阵列、激光器发射阵列、微透镜阵列、条纹管、CCD相机、计算机。

所述的APD阵列探测器的波长响应峰值分别为λ₁、λ₂和λ₃，均为N×N排布。

所述的电缆阵列由N²条电缆组成。三个电缆阵列的长度分别为S₁、S₂和S₃，并且S₁<S₂<S₃，特别注意每个电缆阵列中的电缆为同轴电缆，且长度保持严格一致。

所述激光器发射阵列发射的激光束波长与条纹管光电阴极响应的峰值波长一致。激光器发射阵列为8×(N²/8)阵列排布。激光器发射阵列中每个单元激光器的驱动电路输入端都有三个并行接口，分别连接不同长度电缆阵列中每个对应位置的电缆。

所述的条纹管有八条狭缝，其光电阴极响应的峰值波长为λ₀；

工作过程为：多波长激光器发射激光经扩束棱镜扩束后打到目标上，反射后的回波信号经接收光学系统接收并会聚至分光光栅，分光光栅将接收到的混合多波长光束分光后形成不同波长的回波激光束并分别由三个N×N排布的APD阵列探测器接收。APD阵列探测器通过光电转换，将接收到的光脉冲信号转换为与入射光强相对应的电信号。三个APD阵列探测器后端分别接对应的放大电路阵列，放大电路阵列将电信号放大到足以驱动后面的激光器发射阵列发射激光束，其后端连接不同长度的电缆阵列，三个电缆阵列前端均为N×N排布，后端均为8×(N²/8)排布并且都接到同一个激光器发射阵列上，激光器发射阵列的每一个单元激光器驱动电路输入端均有三个并行接口，分别连接不同长度电缆阵列中每个对应位置的电缆。电缆阵列长度不同使得不同波长的回波在不同时间段驱动激光器发射阵列发射激光束，激光束由微透镜阵列聚焦后通过狭缝轰击条纹管的光电阴极并产生多束电子束，多束电子束通过条纹管内部的高压扫描电路加速偏转轰击条纹管内部的荧光屏，并在荧光屏形成条纹图像，控制条纹管工作开关三次可由CCD相机分别得到三个波长对应的条纹图像，最后通过计算机可以重构目标的多光谱图像和距离图像。

附图说明

图1为实施例中一种新型的非扫描多光谱条纹管激光成像系统结构图。

其中1-多波长激光器，2-扩束棱镜，3-接收光学系统，4-分光光栅，5-APD阵列探测器，6-放大电路阵列，7-电缆阵列，8-激光器发射阵列，9-微透镜阵列，10-条纹管，11-CCD相机，12-计算机。

图2为电缆阵列前后端排列结构示意图

图3为激光发射器输入端电路示意图

有益效果

实现大像素数目成像，装置简单易行，阵列接口之间一一对应，大大降低处理问题的时间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例

一种新型的非扫描多光谱条纹管激光成像系统。包括多波长激光器1、扩束棱镜2、接收光学系统3、分光光栅4、APD阵列探测器5、放大电路阵列6、电缆阵列7、激光器发射阵列8、微透镜阵列9、条纹管10、CCD相机11、计算机12，如图1所示；

所述的多波长激光器1为Nd:YAG多波长激光器，可同时发射三种波长的混合激光束，波长分别为λ₁、λ₂和λ₃；

所述APD阵列探测器5由APD阵列探测器5-1、APD阵列探测器5-2和APD阵列探测器5-3组成，分别探测波长λ₁、λ₂和λ₃的回波，并均以N×N的阵列A方式排布，其将光信号转换为与入射光强度对应的电信号；A输入阵列方式为，

所述的放大电路阵列6由放大电路阵列6-1、放大电路阵列6-2和放大电路阵列6-3组成，分别连接在APD阵列探测器5的后端，一一对应连接的关系，因此也均为N×N排布。放大电路阵列6将APD阵列探测器5转换出的电信号放大到足以驱动后端的激光器发射阵列发射激光束。

所述的电缆阵列7由电缆阵列7-1、电缆阵列7-2和电缆阵列7-3组成，每个电缆阵列包含N²根长度一致的电缆。经过严格计算条纹管开关时间间隔和电缆长度的关系选择合适的电缆阵列7-1长度为S₁、电缆阵列7-2长度为S₂和电缆阵列7-3长度为S₃，其中S₁<S₂<S₃。三个电缆阵列前端与三个放大电路阵列对应相连，后端均与同一个激光器发射阵列相连。三个电缆阵列前端均为N×N排布，后端均为8×(N²/8)排布。

所述激光发射器阵列8以8×(N²/8)的阵列B(这里简单假设N可以被8整除，若N²可以被8整除但N不可以被8整除则可以用更复杂的矩阵表示)方式排布。其每一个单元激光器的驱动电路输入端都有三个并行接口组成的加法电路，如图3所示，分别连接不同长度电缆阵列中每个对应位置处的三条电缆，至少一个接口有信号输入就可以驱动单元激光器发射激光。其发射的激光波长为λ₀，与条纹管光电阴极响应的峰值波长一致；B输入阵列的方式为，

所述条纹管10具有高时间分辨率，响应波长峰值为λ₀，其光电阴极上附有八条狭缝，由于电缆阵列长度不同，使得不同波长的回波信号驱动激光器发射阵列有时间差，因此条纹管需工作三次，严格控制工作开关时间分别得到三幅条纹图像。

工作过程

多波长激光器1发射三种波长的混合激光束经扩束棱镜2扩束后打到目标上，反射后的回波信号经接收光学系统3接收并会聚至分光光栅4，分光光栅4将接收到的含有三种波长的混合光束分光成三个不同波长的回波激光束。三个不同波长的回波激光束由三个N×N排布的APD阵列探测器5接收。其中λ₁回波对应APD阵列探测器5-1，λ₂回波对应APD阵列探测器5-2，λ₃回波对应APD阵列探测器5-3。APD阵列探测器5通过光电转换，将接收到的光脉冲信号转换为与入射光强相对应的电信号。三个APD阵列探测器输出的电信号分别通过N×N排布的放大电路阵列6-1、放大电路阵列6-2和放大电路阵列6-3进行放大。之后分别连接电缆阵列7-1、电缆阵列7-2和电缆阵列7-3，三个电缆阵列7前端均为N×N排布，后端均为8×(N²/8)排布，其中电缆阵列7-1长度为S₁，电缆阵列7-2长度为S₂，电缆7-3阵列长度为S₃，并且S₁<S₂<S₃。激光器发射阵列8为8×(N²/8)排布，其每一个单元激光器的驱动电路输入端都有三个并行接口组成加法电路，分别接三个电缆阵列7的每个对应位置处的三条电缆，至少一个接口有信号输入即可驱动单元激光器发射激光。激光器发射阵列8发射与条纹管响应峰值波长λ₀一致的激光束，条纹管10的光电阴极上附有八条狭缝，激光器发射阵列8发射出的激光束经微透镜阵列9聚焦后通过条纹管10上的狭缝轰击光电阴极并产生多束电子束，多束电子束通过条纹管10内部的高压扫描电路加速偏转轰击荧光屏，并在荧光屏上形成条纹图像，根据电缆长度的不同控制条纹管的工作开关通过CCD相机得到条纹图像，第一次工作得到λ₁回波对应的条纹图像，第二次工作得到λ₂回波对应的条纹图像，第三次工作得到λ₃回波对应的条纹图像。最后由计算机12进行图像处理和对比分析得到目标的多光谱图像和距离图像。

工作原理

从目标反射回的含三种波长的混合激光束λ₁、λ₂和λ₃通过分光光栅进行分光。分光光栅即衍射光栅，是一种色散元件，能将复色光中不同的波长成分在空间分开而形成光谱，其光栅分光原理为d sinα＝kλ，d为光栅常数，α为衍射角，k为不同的衍射级。可知三种不同波长的同一级(k级相同)主极大出现在不同方位，这样不同波长的主极大彼此分开，达到分光的目的。

激光器发射阵列中每一个单元激光器对应一个驱动电路，一般情况下，驱动电路的信号输入端接口只有一个，有足够大的电信号输入即可驱动后端的激光器发射激光。在本专利中，不同回波信息到达条纹管的时间不同，即同一时间段激光器发射阵列的驱动电路只有一种波长对应的电信号输入，每一种波长对应的电信号在此之前已通过放大电路阵列放大到足以驱动激光器发射阵列，因此，将每一个驱动电路的输入端设计成三个接口的加法电路，三个接口分别接收不同波长对应的电信号。简单举例，三个接口为接口A、接口B和接口C，分别对应λ₁、λ₂和λ₃的回波信息，加法电路中t₁～t₂时间段接口A有信号输入，接口B和接口C无信号输入，信号相加后无其它影响，那么t₁～t₂时间段接口A对应的λ₁回波信号驱动了激光器发射阵列发射激光束到条纹管并得到λ₁激光对目标的条纹像。

条纹管的工作过程为，脉冲光信号照射到条纹管的光电阴极激发光电子，其瞬态发射密度正比于该时刻的脉冲信号强度。电子经偏转系统进行偏转，由于偏转电极上加有随时间线性变化的电压，所以电子脉冲在荧光屏上将沿垂直于狭缝方向展开，这就实现了时间信号向空间信号的转换。利用屏幕上条纹的相对位置就可以分辨出目标的距离信息，读取条纹的灰度信息可以得到目标的强度信息，继而可以重构出目标的强度图像和三维距离图像。

Claims (3)

1.一种新型的非扫描多光谱条纹管激光成像系统，该系统包括多波长激光器、扩束棱镜、接收光学系统、分光光栅、APD阵列探测器、放大电路阵列、电缆阵列、激光器发射阵列、微透镜阵列、条纹管、CCD相机和计算机，其特征在于：三个放大电路阵列后面接有不同长度的电缆阵列，其中每个放大电路阵列所连接电缆阵列中的所有电缆长度相同，在激光器发射阵列处，三个电缆阵列的每个对应位置处的三条电缆连接到一起，最终构成一个电缆阵列连接到激光器发射阵列，该系统利用阵列排布的不同长度的电缆产生条纹管接收信号的时间差，使得条纹管所有狭缝在每个成像时间段内只能接收到一种波长的回波信号，三个波长对应着三幅条纹图像，是一种非扫描成像机理，可以得到大像素数目、高精度和高分辨率的多光谱图像和距离像；

具体实施步骤：多波长激光器发射激光到目标上，反射后的回波信号经接收光学系统接收并会聚至分光光栅，分光光栅将接收到的混合多波长光束分光后形成不同波长的回波激光束，不同波长的回波激光束分别由对应的APD阵列探测器接收进行光电转换，电信号经放大电路阵列放大后接到电缆阵列，不同放大电路阵列连接着不同长度的电缆阵列，三个电缆阵列在激光器发射阵列处连接成一个电缆阵列，激光器发射阵列发射与条纹管响应波长峰值一致的激光束，通过微透镜阵列聚焦后发射到条纹管光电阴极上，条纹管连续工作三次得到三幅条纹像，通过CCD相机得到目标的强度信息和距离信息，最后由计算机对其进行分析可以重构出目标的多光谱图像和距离图像。

2.根据权利要求1所述的一种新型的非扫描多光谱条纹管激光成像系统，其特征为：三个波长的回波信息通过APD阵列探测器接收后分别接不同长度的电缆阵列，电缆为同轴电缆，且每个电缆阵列中所有电缆的长度相同，不同电缆阵列通过长度差产生时间差，以达到三组回波信息在不同的时间到达条纹管的目的，采用非扫描机理形成一种形式上的扫描机理，每一个波长的回波信息可对应条纹管的整个接收面，极大地提高了探测成像的像素数量。

3.根据权利要求1所述的一种新型的非扫描多光谱条纹管激光成像系统，其特征为：三组回波信息对应着同一个激光器发射阵列，激光器发射阵列中每一个单元发射器的驱动电路输入端有三个接口组成加法电路，这三个接口分别接不同长度的电缆阵列中对应位置的电缆，三组回波信号通过电缆的传输产生了时间差，即经过激光器发射阵列的电信号在同一成像时间段内只对应一种波长的回波信息，因此只需一个激光器发射阵列即可，节约了系统搭建的成本，降低了过多元件工作造成的其他问题，并且提高了三组回波信息在后端发射、聚焦和条纹管接收过程中的一致性。