CN115184947B - 条纹管激光雷达测量系统以及对高速目标的测量方法 - Google Patents

条纹管激光雷达测量系统以及对高速目标的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及条纹管激光雷达测量系统及测量方法，提供一种条纹管激光雷达测量系统，包括与激光器电连接的第一天幕靶和第二天幕靶、面对激光器光信号输出端的分束镜、依次设置在分束镜透射光路上的光束整形装置和鲍威尔棱镜、设置在分束镜反射光路上的光电探测器、与光电探测器电连接的条纹相机、与条纹相机电连接的计算机、依次与条纹相机设置在同一条出射光路上的接收镜头和狭缝，第一天幕靶和第二天幕靶均可以发射脉冲分别触发开启和关闭激光器，光电探测器接收到光信号会触发启动条纹相机；该系统解决了现有技术中存在的狭缝摄影对远程目标光照不足、扫描速度慢、系统精度差以及信噪比低的技术问题；同时本发明还提供了该系统的测量方法。

Description

条纹管激光雷达测量系统以及对高速目标的测量方法
技术领域
本发明涉及激光雷达测量系统，特别涉及一种条纹管激光雷达测量系统以及对高速目标的测量方法。
背景技术
狭缝摄影测量是一种测量目标运动状态的重要方法，在高速目标参数测试中占有极其重要的地位。它通过扫描式的成像方式获取运动目标在不同时刻通过特定位置时的缝隙影像，记录目标的运动状态，进而采用特定的图像解译与测量分析方法实现对运动目标速度、加速度、姿态、章动角和转速等参数的测量。
条纹管激光雷达以条纹相机作为核心探测器件，由脉冲激光器、发射和接收光学系统、光触发单元、图像采集和目标三维重建单元组成。条纹管激光雷达是基于时间飞行原理的主动光学遥感手段，通过精确测量激光束的出射、接收时刻和强度，实现对距离、速度等众多参量的测量，具有高测量精度、精细时间和空间分辨以及强抗干扰能力等优点，能够广泛应用于靶场测量、大气探测、海洋探测和生物探测等众多领域。
在常规弹道试验中，许多测试目标在弹道的初始段和终点段都有强烈的目标自闪光和烟雾，对于利用自然照度进行拍摄的狭缝摄像系统影响极大，严重时甚至导致摄像失败。同时系统的测量精度受到CCD像元尺寸以及扫描速度的限制，只能测量低速运动弹体，对于目标的扫描速度比较慢，系统的精度也不高，对于目标探测的信噪比较低。
发明内容
本发明提供了一种高速目标参数测量的条纹管激光雷达测量系统，解决了现有技术中存在的狭缝摄影对远程目标光照不足、扫描速度慢、系统精度不高、不能用于测量高速目标以及信噪比低的技术问题，同时提供了一种使用该系统对高速目标的测量方法，通过分析条纹相机产生的高帧频图像，可以计算出高速目标的速度以及高度，其时间分辨率和扫描速度较高，能够及时反应高速运动目标的状态。
本发明所提供的技术解决方案是：
本发明提供了一种条纹管激光雷达测量系统，其特殊之处在于：
包括第一天幕靶、第二天幕靶、激光器、分束镜、光束整形装置、鲍威尔棱镜、光电探测器、接收镜头、狭缝、条纹相机和计算机；
所述第一天幕靶和第二天幕靶分别与激光器的两个电信号输入端相连，第一天幕靶和第二天幕靶分别用于根据捕捉测量目标情况控制激光器发射光束和停止发射光束；
所述分束镜位于激光器的输出光路上，激光器发射的光束经分束镜后形成一路透射光束和一路反射光束；
所述透射光束的光路上依次设置光束整形装置、鲍威尔棱镜，使透射光束依次经光束整形装置准直、经鲍威尔棱镜转换为扇形光束后，照射至测量目标，产生散射光；所述反射光束的光路上设置有光电探测器，光电探测器将光信号转变为电信号经光电探测器的电信号输出端输送至条纹相机的电信号输入端，触发条纹相机工作；
条纹相机的成像光路上依次设置狭缝和接收镜头；所述散射光依次经接收镜头和狭缝后，在条纹相机中成像，产生高帧频图像；条纹相机将图像信息输出至计算机，计算机用于存储条纹相机产生的高帧频图像，并进行分析处理。
进一步地，所述激光器发射的激光光束波长为532nm，脉宽为60ps。
进一步地，所述光束整形装置为准直扩束镜。
同时，本发明还提供一种条纹管激光雷达测量系统对高速目标的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，发射作为测量目标的目标弹丸；
S2，使用第一天幕靶捕捉目标弹丸，并触发激光器开始工作，激光器发射的光束经分束镜后形成一路透射光束和一路反射光束，透射光束依次经光束整形组件准直、鲍威尔棱镜转换为扇形光束后，照射至目标弹丸产生散射光；光电探测器探测到反射光束后触发条纹相机开始工作；
S3，目标弹丸产生的散射光依次经接收镜头和狭缝后，在条纹相机中成像，产生高帧频图像，条纹相机产生高帧频图像并传输给计算机，计算机统计目标弹丸图像持续帧数N，计算出目标弹丸通过狭缝的时间T、弹丸速度v T＝N/F，式中F为激光雷达系统记录帧率；
式中L目标弹丸长度；
S4，计算机对目标弹丸的高帧频图像进行处理、分析，找出有强度极大值的图像，编号为M；根据获取的目标弹丸高帧频图像，记录再次出现强度极大值的图像，编号为P，计算出目标弹丸旋转一周的时间T1和转速ω，其中
S5，将目标弹丸的高帧频图像经过算法重建，计算出图像中目标弹丸相对于速度方向的高度h，δ＝arcsin(h/L)，式中δ为弹丸的飞行攻角；
S6，目标弹丸飞离鲍威尔棱镜产生的扇形光束后，使用第二天幕靶捕捉目标弹丸，并向激光器发出关闭信息。
进一步地，步骤S4中，对目标弹丸的高帧频图像进行处理包括噪声处理、提取条纹特征数据。
进一步地，步骤S1中，目标弹丸的发射方向与第一天幕靶和第二天幕靶所设置方向一致。
进一步地，步骤S1中，目标弹丸沿长度方向涂有增强反射涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明采用激光器发射的激光束经光束整形装置和鲍威尔棱镜后形成扇形光束主动照射目标，解决了传统狭缝摄影对远程目标光照不足的问题；
2.本发明采用具有单光子响应能力的条纹相机，使得激光雷达测量系统具有ps级的时间分辨率、扫描速度快、能够测量超高速运动的目标的优点；
3.本发明采用了光电探测器和条纹相机，接收同步开启信号方便，开启和关闭的时间都要比机械式快门短得多，调节扫描速度也是很方便的，并且可以达到很高的精度。
附图说明
图1为本发明条纹管激光雷达测量系统实施例的工作原理图；
图2为本发明条纹管激光雷达测量系统实施例的结构示意图。
附图标记如下：
1-第一天幕靶，2-第二天幕靶，3-激光器，4-分束镜，5-光束整形装置，6-鲍威尔棱镜，7-光电探测器，8-条纹相机，9-狭缝，10-接收镜头，11-计算机。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明提供了一种条纹管激光雷达测量系统，包括第一天幕靶1、第二天幕靶2、激光器3、分束镜4、光束整形装置5、鲍威尔棱镜6、光电探测器7、条纹相机8、狭缝、9接收镜头10和计算机11；第一天幕靶1和第二天幕靶2分别与激光器3的两个电信号输入端相连，第一天幕靶1和第二天幕靶2分别用于根据捕捉目标情况控制激光器3发射光束和停止发射光束；激光器3的出射端光信号输出端与分束镜4相对设置，激光器3发射的光束经分束镜4后形成一路透射光束和一路反射光束；透射光束的光路上依次设置光束整形装置5、鲍威尔棱镜6，使透射光束依次经光束整形装置5准直、经鲍威尔棱镜6转换为扇形光束后，照射至目标，产生散射光；在反射光束的光路上设置有光电探测器7，光电探测器7将光信号转变为电信号经光电探测器7的电信号输出端输送至条纹相机8的电信号输入端，触发条纹相机8工作；条纹相机8的成像光路上依次设置狭缝9和接收镜头10；所述散射光依次经接收镜头10和狭缝9后，在条纹相机8中成像，产生高帧频图像；条纹相机8与计算机11相连，计算机11用于存储条纹相机8产生的高帧频图像，并进行分析处理；本实施例采用的激光器发射的激光光束波长为532nm，脉宽为60ps；采用的光束整形装置为准直扩束镜。
使用该系统时，将该系统布置在目标路径之下，发射目标弹丸，第一天幕靶1捕捉到目标弹丸并产生脉冲信号，脉冲信号由第一天幕靶1的电信号输出端传输到激光器3的电信号输入端，触发激光器3发射波长为532nm，脉宽为60ps的激光光束，激光光束经分束镜4后形成一条透射的主光束和一条反射光束，透射的主光束进入准直扩束镜后准直成平行光束，平行光束通过鲍威尔棱镜6变成扇形光束照射目标弹丸后产生散射光；同时分束镜形成的反射光束照射光电探测器7的光信号输入端，光电探测器7将光信号转变为电信号经光电探测器7的电信号输出端输送至条纹相机8的电信号输入端，触发条纹相机8工作；接收镜头10接收到目标弹丸产生的散射光后，经过狭缝9，成像到条纹相机8的光电阴极上，条纹相机8将产生的高帧频图像，传输给计算机11存储；当目标弹丸飞过鲍威尔棱镜6发射的扇形光束区域后，第二天幕靶2捕捉到目标弹丸并产生脉冲信号，脉冲信号由第二天幕靶2的电信号输出端传输到激光器3的电信号输入端，触发激光器3停止发射激光光束。
同时，本发明还提供了一种条纹管激光雷达测量系统对高速目标的测量方法，包括以下步骤：
S1，沿目标弹丸长度方向漆涂一条高反射率白色漆线后沿第一天幕靶1和第二天幕靶2所设置方向发射目标弹丸；
S2，使用第一天幕靶1捕捉目标弹丸，并触发激光器3开始工作，激光器3发射的光束经分束镜4后形成一路透射光束和一路反射光束，透射光束依次经光束整形组件5准直、鲍威尔棱镜6转换为扇形光束后，照射至目标弹丸产生散射光；光电探测器7探测到反射光束后触发条纹相机8开始工作；
S3，目标弹丸产生的散射光依次经接收镜头10和狭缝9后，在条纹相机8中成像，产生高帧频图像，条纹相机8产生高帧频图像并传输给计算机11，计算机11统计目标弹丸图像持续帧数N，计算出目标弹丸通过狭缝9的时间T、弹丸速度v T＝N/F，式中F为激光雷达系统记录帧率；
式中L目标弹丸长度；
S4，计算机11对目标弹丸的高帧频图像进行处理、分析，找出有强度极大值的图像，编号为M；根据获取的目标弹丸高帧频图像，记录再次出现强度极大值的图像，编号为P，计算出目标弹丸旋转一周的时间T1和转速ω，其中
S5，将目标弹丸的高帧频图像经过算法重建，计算出图像中目标弹丸相对于速度方向的高度h，δ＝arcsin(h/L)，式中δ为弹丸的飞行攻角；
S6，目标弹丸飞离鲍威尔棱镜6产生的扇形光束后，使用第二天幕靶2捕捉目标弹丸，并向激光器3发出关闭信息。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种条纹管激光雷达测量系统，其特征在于：
包括第一天幕靶(1)、第二天幕靶(2)、激光器(3)、分束镜(4)、光束整形装置(5)、鲍威尔棱镜(6)、光电探测器(7)、条纹相机(8)、狭缝(9)、接收镜头(10)和计算机(11)；
所述第一天幕靶(1)和第二天幕靶(2)分别与激光器(3)的两个电信号输入端相连，第一天幕靶(1)和第二天幕靶(2)分别用于根据捕捉测量目标情况控制激光器(3)发射光束和停止发射光束；
所述分束镜(4)位于激光器(3)的输出光路上，激光器(3)发射的光束经分束镜(4)后形成一路透射光束和一路反射光束；
所述透射光束的光路上依次设置光束整形装置(5)、鲍威尔棱镜(6)，使透射光束依次经光束整形装置(5)准直、经鲍威尔棱镜(6)转换为扇形光束后，照射至测量目标，产生散射光；所述反射光束的光路上设置有光电探测器(7)，光电探测器(7)将光信号转变为电信号经光电探测器(7)的电信号输出端输送至条纹相机(8)的电信号输入端，触发条纹相机(8)工作；
条纹相机(8)的成像光路上依次设置狭缝(9)和接收镜头(10)；所述散射光依次经接收镜头(10)和狭缝(9)后，在条纹相机(8)中成像，产生高帧频图像；条纹相机(8)将图像信息输出至计算机(11)，计算机(11)用于存储条纹相机(8)产生的高帧频图像，并进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的条纹管激光雷达测量系统，其特征在于：
所述激光器(3)发射的激光光束波长为532nm，脉宽为60ps。
3.根据权利要求2所述的条纹管激光雷达测量系统，其特征在于：
所述光束整形装置(5)为准直扩束镜。
4.一种权利要求1-3任一所述的条纹管激光雷达测量系统对高速目标的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，发射作为测量目标的目标弹丸；
S2，使用第一天幕靶(1)捕捉目标弹丸，并触发激光器(3)开始工作，激光器(3)发射的光束经分束镜(4)后形成一路透射光束和一路反射光束，透射光束依次经光束整形装置(5)准直、鲍威尔棱镜(6)转换为扇形光束后，照射至目标弹丸产生散射光；光电探测器(7)探测到反射光束后触发条纹相机(8)开始工作；
S3，目标弹丸产生的散射光依次经接收镜头(10)和狭缝(9)后，在条纹相机(8)中成像，产生高帧频图像，条纹相机(8)产生高帧频图像并传输给计算机(11)，计算机(11)统计目标弹丸图像持续帧数N，计算出目标弹丸通过狭缝(9)的时间T、弹丸速度v；
S4，计算机(11)对目标弹丸的高帧频图像进行处理、分析，找出有强度极大值的图像，编号为M；根据获取的目标弹丸高帧频图像，记录再次出现强度极大值的图像，编号为P，计算出目标弹丸旋转一周的时间T1和转速ω；
S5，将目标弹丸的高帧频图像经过算法重建，计算出图像中目标弹丸相对于速度方向的高度h；
S6，目标弹丸飞离鲍威尔棱镜(6)产生的扇形光束后，使用第二天幕靶(2)捕捉目标弹丸，并向激光器(3)发出关闭信息。
5.根据权利要求4所述的条纹管激光雷达测量系统对高速目标的测量方法，其特征在于：
步骤S4中，对目标弹丸的高帧频图像进行处理包括噪声处理、提取条纹特征数据。
6.根据权利要求4或5所述的条纹管激光雷达测量系统对高速目标的测量方法，其特征在于：
步骤S1中，目标弹丸的发射方向与第一天幕靶(1)和第二天幕靶(2)所设置方向一致。
7.根据权利要求6所述的条纹管激光雷达测量系统对高速目标的测量方法，其特征在于：
步骤S1中，目标弹丸沿长度方向涂有增强反射涂层。
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