CN109991620A - 基于阴极选通的条纹管激光成像雷达系统的成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于阴极选通的条纹管激光成像雷达（STIL）系统的成像方法，阴极选通方式通过阴极电压调制实现激光信号的距离选通，该方法只允许选通区域的激发电子进入STIL系统，消除了非选通区域干扰信号的影响，荧光屏图像信号全部来自选通区域，同时像增强器连续工作，充分利用条纹管荧光屏余晖光强，有效提高原始图像的强度。本发明所涉及的基于阴极选通的条纹管激光成像雷达系统的成像方法可实现STIL系统原始图像信号强度与信噪比的同步提升，提高了系统的探测能力，有效降低了后向散射干扰；该方法为系统在雾、雪及水下等高后向散射环境中探测能力的进一步提升打下了基础。

Description

基于阴极选通的条纹管激光成像雷达系统的成像方法

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，尤其涉及一种基于阴极选通的条纹管激光成像雷达系统的成像方法。

背景技术

条纹管激光成像雷达(STIL)系统因其高分辨率、大视场、高帧频等优点，成为高效的三维数据获取手段，近年来受到广泛关注，在地形测绘、水下障碍物探测、电力巡线等领域拥有广阔的应用前景。然而，由于传输介质对激光的散射和吸收作用，降低了系统的探测能力，如何有效的抑制后向散射及背景光干扰，是激光主动成像面临的关键问题。

距离选通是提高STIL系统信噪比的有效手段之一，目前多采用像增强选通(IG)方法，该方法通过像增强器的脉冲调制实现激光信号的距离选通，以实现降低噪声的目的。然而该方法存在两点不足：首先，由于选通门宽度远窄于条纹管荧光屏余晖时间，像增强器无法获得目标信号的全部光强，导致探测信号强度衰减；其次，距离选通过程中，受到荧光屏余晖影响，选通区外部信号余晖与选通信号产生光强叠加，导致图像信噪比降低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于阴极选通的条纹管激光成像雷达系统的成像方法，以便实现STIL系统原始图像信号强度与信噪比的同步提升，提高系统的探测能力，有效降低后向散射干扰。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于阴极选通的条纹管激光成像雷达系统的成像方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、控制所述条纹管激光成像雷达系统中的脉冲激光器发射脉冲激光，所述脉冲激光器的脉冲频率受控于系统中的上位机和信号发生卡；

步骤2、将所述脉冲激光器发射出的脉冲激光依次通过扩束镜、柱透镜和分光镜，利用所述扩束镜进行激光发散角的调整，通过柱透镜将出射激光转化为线光束，利用分光镜将激光分为不同强度的两束光，强度大的一束光用于扫描目标，强度小的一束光入射到光探测器，来自光探测器的信号作为控制单元中精密延时器的时间基准；

步骤3、通过接收镜头接收强度大的一束光扫描目标后的目标反射信号；

步骤4、将接收光通过滤光片后汇聚到条纹管的阴极上；此时，所述控制单元将精密延时后的触发信号发送给条纹管的阴极电源，以对条纹管阴极电压进行脉冲调制，使阴极电压从高于栅极电压的状态变为低于栅极电压的状态，实现距离选通，选通门宽根据需要设定；

步骤5、控制所述条纹管的偏转电场在设定好的延时时间后工作，以保证步骤4中所选通的预定探测区间内的目标反射信号由条纹管阴极转化为光电子后，由阴极与栅极之间电场加速后进入偏转电场，经过偏转的电子轰击荧光屏，得到目标的条纹图像；

步骤6、通过光锥将步骤5所得的条纹图像耦合到像增强器；

步骤7、步骤6处理后的增强图像由CCD进行图像采集；

步骤8、通过上位机对CCD传送来的数据进行处理；

步骤9、通过对多帧原始图像的重构，可获得目标的三维图像。

优选的是，在所述步骤4中，将阴极与栅极的电压差控制在400V～600V。

本发明的该方案的有益效果在于上述基于阴极选通的条纹管激光成像雷达系统的成像方法可实现STIL系统原始图像信号强度与信噪比的同步提升，提高了系统的探测能力，有效降低了后向散射干扰。该方法为系统在雾、雪及水下等高后向散射环境中探测能力的进一步提升打下了基础。

附图说明

图1示出了本发明所涉及的条纹管激光成像雷达系统的结构示意图。

图2示出了不同选通模式下阴极与像增强器的工作状态图，①表示大气后向散射，②表示干扰目标回波，③表示目标反射信号；其中a)示出了在IG模式下，高度以及与条纹管激光成像雷达系统的距离各不相同的目标信号，在条纹管的阴极电压为恒定值的情况下的选通示意图；b)示出了在CG模式下，高度以及与条纹管激光成像雷达系统的距离各不相同的目标信号，在条纹管的阴极电压进行脉冲调制的情况下的选通示意图；c)示出了在IG模式下，像增强器进行脉冲调制的情况下，a)中的三种信号在荧光屏上的强度随时间变化的示意图；d)示出了在CG模式下，像增强器连续工作，b)中被选通的信号③的强度随时间变化的示意图。

附图标记：1-上位机，2-控制单元，3-脉冲激光器，4-扩束镜，5-柱透镜，6-分光镜，7-光探测器，8-接收镜头，9-滤光片，10-条纹管，11-光锥，12-像增强器，13-CCD，14-斜坡扫描电路，15-阴极，A-目标。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，本发明所涉及的条纹管激光成像雷达系统包括发射子系统、接收子系统、控制子系统及数据处理子系统，其中所述发射子系统包括脉冲激光器3，在本实施例中，所述脉冲激光器3可采用Nd：YAG脉冲激光器，波长532nm，脉冲宽度8ns，最高频率为10Hz。利用扩束镜4进行激光发散角的调整，通过柱透镜5将出射激光转化为线光束。之后利用分光镜6将激光分为不同强度的两束光，较强的一束光用于扫描目标A，较弱的一束光入射到光探测器7，所述光探测器7用于与控制子系统相连接。所述接收子系统包括接收镜头8、滤光片9、条纹管10、光锥11、像增强器12和CCD13，其中所述接收镜头8可采用卡塞格林镜头，接收光通过波长532nm，带宽3nm的滤光片9后汇聚到条纹管10的阴极15上，激光信号由条纹管10阴极15转化为光电子，由阴极15与栅极之间电场加速后进入偏转电场，斜坡扫描电路14用于将光子进入扫描电路的时间转化为荧光屏上的相对成像位置，所述斜坡扫描电路14与控制子系统相连接。经过偏转的电子轰击荧光屏，得到目标的条纹像，条纹管可采用P46荧光屏，余晖时间1.2ms，原始条纹像由光锥11耦合到像增强器12，增强图像由CCD13完成采集，所述CCD13与数据处理子系统相连接。

所述控制子系统包括上位机1、控制单元2以及电源，其中所述控制单元2又包括信号发生卡和精密延时器。利用上位机1控制信号发生卡，进而控制脉冲激光器3的脉冲频率及CCD13的采集图像时间。来自光探测器7的信号作为控制单元2中精密延时器的时间基准，精密延时后发送给选通器件触发信号。在现有的IG模式下，是在精密延时后，将触发信号发送给像增强器12的电源，使得像增强器12进行脉冲调制以实现激光信号的距离选通。所述控制单元2控制着斜坡扫描电路14的扫描速度。所述数据处理子系统由上位机1中搭载的LabVIEW平台完成，可实现原始图像的实时处理，同时完成强度图像、距离图像及三维图像的实时显示。以上条纹管激光成像雷达系统的各部件以及各部件之间的连接关系、工作原理均属于现有技术，在此不作更详尽的描述。

本发明所涉及的基于阴极选通的条纹管激光成像雷达系统的成像方法包括以下步骤：

步骤1、控制条纹管激光成像雷达系统中的脉冲激光器3发射脉冲激光，所述脉冲激光器3的脉冲频率受控于上位机1和信号发生卡。

步骤2、将所述脉冲激光器3发射出的脉冲激光依次通过扩束镜4、柱透镜5和分光镜6，利用所述扩束镜4进行激光发散角的调整，通过柱透镜5将出射激光转化为线光束，利用分光镜6将激光分为不同强度的两束光，强度大的一束光用于扫描目标A，强度小的一束光入射到光探测器7，来自光探测器7的信号作为控制单元2中精密延时器的时间基准。

步骤3、通过接收镜头8接收强度大的一束光扫描目标A后的目标反射信号。

步骤4、将接收光通过滤光片9后汇聚到条纹管10的阴极15上；此时，所述控制单元2将精密延时后的触发信号发送给条纹管10的阴极15电源，以对条纹管10阴极15电压进行脉冲调制，使阴极电压从高于栅极电压的状态变为低于栅极电压的状态，实现距离选通，选通门宽根据需要设定。

当条纹管10的阴极15电源在非距离选通状态下，阴极电压要高于栅极电压，光激发电子无法进入条纹管10，在本实施例中，该状态下，阴极电压为负6500伏。当条纹管10的阴极15电源在距离选通状态下，阴极电压要低于栅极电压，光激发电子受到电场的作用，进入条纹管10，在本实施例中，该状态下，阴极电压被调制到负7500伏。当阴极与栅极的电压差在400V～600V时，光激发电子受到该电场的作用后，进入条纹管10后最终成像的效果较好。根据所选用的条纹管的不同，阴极电压的调制要求也不同。

步骤5、控制所述条纹管10的偏转电场在设定好的延时时间后工作，以保证步骤4中所选通的预定探测区间内的目标反射信号由条纹管10阴极15转化为光电子后，由阴极15与栅极之间电场加速后进入偏转电场，经过偏转的电子轰击荧光屏，得到目标的条纹图像。

步骤6、通过光锥11将步骤5所得的条纹图像耦合到像增强器12。

步骤7、步骤6处理后的增强图像由CCD13进行图像采集。

步骤8、通过上位机1对CCD13传送来的数据进行处理。

步骤9、通过对多帧原始图像的重构，可获得目标的三维图像。

下面以像增强选通(IG)模式和阴极选通(CG)模式作为对比，来说明阴极选通(CG)模式的优点。如图2所示，IG模式下，条纹管10的阴极电压为恒定值，任意时刻阴级激发电子都可以进入条纹管10，到达荧光屏，如图2a)所示。进入系统的信号主要包括大气后向散射①、干扰目标回波②、及目标反射信号③，其中①、②类信号为干扰信号，③类信号为有效信号。该模式通过对像增强器12进行脉冲调制，将选通门内的荧光屏图像进行增强，并由CCD13进行采集，从而实现激光信号的距离选通，以达到降低噪声的目的。三种信号在荧光屏上的强度随时间变化过程如图2c)所示，受荧光屏余晖影响，增强图像中除了目标反射信号外，还包括大气后向散射及干扰目标回波，导致雷达系统的信噪比下降。同时由于选通门宽的限制，目标反射信号只有部分被采集，降低了系统的探测能力。相较于IG模式，如图2b)和2d)所示，CG模式只允许选通区域光子激发的电子通过条纹管10，荧光屏图像全部来自目标反射信号③，有效去除了大气后向散射①和干扰目标回波②的影响。由于像增强器连续工作，充分利用了荧光屏余晖，信号强度显著提高。

本发明所涉及的基于阴极选通的条纹管激光成像雷达系统的成像方法可实现STIL系统原始图像信号强度与信噪比的同步提升，提高了系统的探测能力，有效降低了后向散射干扰。该方法为系统在雾、雪及水下等高后向散射环境中探测能力的进一步提升打下了基础。

Claims (2)

1.一种基于阴极选通的条纹管激光成像雷达系统的成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1、控制所述条纹管激光成像雷达系统中的脉冲激光器发射脉冲激光，所述脉冲激光器的脉冲频率受控于系统中的上位机和信号发生卡；

步骤2、将所述脉冲激光器发射出的脉冲激光依次通过扩束镜、柱透镜和分光镜，利用所述扩束镜进行激光发散角的调整，通过柱透镜将出射激光转化为线光束，利用分光镜将激光分为不同强度的两束光，强度大的一束光用于扫描目标，强度小的一束光入射到光探测器，来自光探测器的信号作为控制单元中精密延时器的时间基准；

步骤3、通过接收镜头接收强度大的一束光扫描目标后的目标反射信号；

步骤4、将接收光通过滤光片后汇聚到条纹管的阴极上；此时，所述控制单元将精密延时后的触发信号发送给条纹管的阴极电源，以对条纹管阴极电压进行脉冲调制，使阴极电压从高于栅极电压的状态变为低于栅极电压的状态，实现距离选通，选通门宽根据需要设定；

步骤5、控制所述条纹管的偏转电场在设定好的延时时间后工作，以保证步骤4中所选通的预定探测区间内的目标反射信号由条纹管阴极转化为光电子后，由阴极与栅极之间电场加速后进入偏转电场，经过偏转的电子轰击荧光屏，得到目标的条纹图像；

步骤6、通过光锥将步骤5所得的条纹图像耦合到像增强器；

步骤7、步骤6处理后的增强图像由CCD进行图像采集；

步骤8、通过上位机对CCD传送来的数据进行处理；

步骤9、通过对多帧原始图像的重构，可获得目标的三维图像。

2.根据权利要求1所述的基于阴极选通的条纹管激光成像雷达系统的成像方法，其特征在于：在所述步骤4中，将阴极与栅极的电压差控制在400V～600V。