CN1787608A - 一种超短脉冲激光照明的同步摄像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短脉冲激光照明的同步摄像装置，涉及脉冲激光照明摄像。该装置由脉冲激光器(102)、摄像CCD(103)、微处理器(104)、键盘(105)和数码显示器(106)组成。微处理器(104)接收到脉冲激光器(102)的激光同步脉冲(201)，延时t0后，输出n1+n2个行同步脉冲(202)，在输出第n1+1个行同步脉冲的同时，输出一个拍摄触发脉冲(203)，使得散射回波光到达时刻、第n1+1个行同步脉冲和摄像CCD拍摄触发脉冲三者均在同一时刻，避免了现有摄像CCD从触发脉冲到开始拍摄时的不确定性。使得对每一次激光脉冲，摄像CCD均能拍摄到设定距离处大气后向散射回波光的一帧图象。

Description

一种超短脉冲激光照明的同步摄像装置

技术领域：

本发明涉及摄像技术，特别涉及用超短脉冲激光作为光源的摄像技术。

背景技术

在远距离目标进行摄像的时候，由于散射回波光很弱或接收立体角小，难以拍摄到目标。即使采用大功率照明灯对被拍摄目标进行照射补光，也因光功率的限制和光束发散的原因，无法满足对被拍摄目标照明的要求，更无法满足距离选通的摄像需求。

超短脉冲激光的光束准直度好，峰值功率高，耗能少，可以实现对几十公里远的目标进行拍摄。特别是利用超短脉冲激光照明可以实现距离选通，对特定距离的目标进行拍摄，可以降低非该距离散射光的干扰，有利于提高成像的信躁比。尤其对于空间某一高度大气的后向散射进行拍摄探测时，只有通过距离选通，才能得到这一特定高度的像。

利用超短脉冲激光照明进行拍摄时，由于激光脉冲持续时间短，光波长度有限，要计算出激光脉冲从发射出去，到从目标散射回来的时间t3＝2L/c(其中L为距离、c为光速)，在目标散射光返回的时刻进行准确曝光，才能拍摄到目标。因此，不仅要做到脉冲激光器闪光频率和具有外触发功能的视频输出摄像CCD的曝光频率一致，而且要根据被拍摄目标的距离，在超短脉冲激光发射后，正好延时t3＝2L/c的时间，具有外触发功能的视频输出摄像CCD进行触发拍摄，才有可能拍摄到目标。

目前用具有外触发功能的视频输出摄像CCD进行超短脉冲激光照明拍摄，激光器在发射激光脉冲时，会输出一个同步脉冲信号，该信号延时t3＝(2L/c)(其中L为距离、c为光速)后作为拍摄触发信号，现有具有外触发功能的视频输出摄像CCD接收到拍摄触发信号后，会延时至内部行同步的脉冲到来后才开始拍摄，该延时时间为0～τ(其中τ为具有外触发功能的视频输出摄像CCD的行周期，PAL制为64微秒)中的任一时间长度，具体在哪一时刻开始拍摄是不确定的。由于该延时时间的不确定值达几十微秒，其对应光传播的最大不确定距离为10公里左右。因此，虽然现有具有外触发功能的视频输出摄像CCD偶尔能准时拍摄，但在一般情况下，或者提前拍摄，或者过迟拍摄；提前拍摄会使信躁比严重降低，而过迟拍摄会漏过拍摄目标。尤其当拍摄对象为大气后向散射时，很难得到特定距离的高质量大气回波像。

虽然目前非视频信号输出的科学CCD接收到触发拍摄信号可以立即拍摄，但是这类CCD价格昂贵，一般为上万美元。而具有外触发功能的视频输出摄像CCD价格一般只有几千元人民币。

发明内容：

本发明的目的是提供一种超短脉冲激光照明的同步摄像装置，该装置根据脉冲激光器输出的激光同步脉冲，通过微处理器提供给具有外触发功能的视频输出摄像CCD外部行同步脉冲和拍摄触发脉冲，使得散射回波光到达时刻、特定的一个行同步脉冲和拍摄触发脉冲三者同时，对每一次激光脉冲，具有外触发功能的视频输出摄像CCD均能拍摄到设定距离处大气后向散射回波光的图象。本发明使用具有外触发功能的视频输出摄像CCD实现非视频信号输出的科学CCD的超短脉冲激光照明的同步摄像功能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超短脉冲激光照明的同步摄像装置由脉冲激光器、具有外触发功能的视频输出摄像CCD、微处理器、键盘和数码显示器组成。

脉冲激光器输出的激光同步脉冲连接到微处理器，微处理器输出的行同步脉冲连接到具有外触发功能的视频输出摄像CCD的外部行同步输入端，微处理器输出的拍摄触发脉冲连接到具有外触发功能的视频输出摄像CCD的外部触发拍摄输入端，键盘和数码显示器与微处理器连接。

微处理器的定时器0工作于方式1，用于产生延时时间；定时器1工作于方式2，用于产生行同步脉冲。

微处理器接收到脉冲激光器输出的激光同步脉冲，延时t0时间后，输出n1+n2个行同步脉冲，在输出第n1+1个行同步脉冲的同时，输出一个拍摄触发脉冲，使得散射回波光到达时刻、第n1+1个行同步脉冲和拍摄触发脉冲三者均在同一时刻。

上述：n1为微处理器104预先发送给具有外触发功能的视频输出摄像CCD预备行同步脉冲的个数，n1为满足t3/τ＜n1＜(T-t2)/τ的任意一个数；

其中：t3＝2L/c，L是摄像装置与被拍摄目标之间的距离，c是光速；τ为具有外触发功能的视频输出摄像CCD的行周期；T为激光同步脉冲的周期，且T大于等于具有外触发功能的视频输出摄像CCD的帧周期；t2＝n2×τ，n2是具有外触发功能的视频输出摄像CCD一帧图像的行数；

t0＝t3+T-t1：

其中：t1＝n1×τ。

本发明的优点是：由于散射回波光到达时刻、特定的一个行同步脉冲和摄触发脉冲三者均在同一时刻，避免了现有具有外触发功能的视频输出摄像CCD在拍摄触发脉冲到达后，还要等待下一个行同步脉冲到达才能开始拍摄的不确定延时问题。使得对每一次激光脉冲，具有外触发功能的视频输出摄像CCD均能拍摄到设定距离处大气后向散射回波光的一帧图象。

附图说明：

图1为超短脉冲激光照明的同步摄像装置组成示意图。

其中：101为被拍摄目标、102为脉冲激光器、103为具有外触发功能的视频输出摄像CCD、104为微处理器、105为键盘、106为数码显示器。

图2为信号时序图。

其中：201为激光同步脉冲、202为行同步脉冲、203为拍摄触发脉冲、T为激光同步脉冲的周期、n1为预备行同步脉冲的个数、n2是一帧图像的行数、t0为激光同步脉冲到开始输出预备行同步脉冲的时间、t1为预备行同步脉冲时间、t2是具有外触发功能的视频输出摄像CCD完成一帧图像扫描所需要的时间、t3为激光脉冲到设定距离往返所用的时间。

图3为主程序流程图。

其中：L是摄像装置与被拍摄目标101之间的距离、n1为预备行同步脉冲的个数、n2是一帧图像的行数、t0为激光同步脉冲到开始输出预备行同步脉冲的时间、count为行同步脉冲计数变量。

图4为外部中断服务程序流程图。

图5为定时器0中断服务程序流程图。

图6为定时器1中断服务程序流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1和图2可知，一种超短脉冲激光照明的同步摄像装置由脉冲激光器102、具有外触发功能的视频输出摄像CCD 103、微处理器104、键盘105和数码显示器106组成。

脉冲激光器102输出的激光同步脉冲201连接到微处理器104，微处理器104输出的行同步脉冲202连接到具有外触发功能的视频输出摄像CCD 103的外部行同步输入端，微处理器104输出的拍摄触发脉冲203连接到具有外触发功能的视频输出摄像CCD 103的外部触发拍摄输入端，键盘105和数码显示器106与微处理器104连接。

微处理器104的定时器0工作于方式1，用于产生延时t0；定时器1工作于方式2，用于产生行同步脉冲。

如图2所示，微处理器104接收到脉冲激光器102输出的激光同步脉冲201，延时t0时间后，输出n1+n2个行同步脉冲202，在输出第n1+1个行同步脉冲的同时，输出一个拍摄触发脉冲203，使得散射回波光到达时刻、特定的一个行同步脉冲和拍摄触发脉冲三者均在同一时刻。

在时序关系上有，T+t3＝t0+t1。为保证下一个激光同步脉冲不影响计数器0的计数，应该有t1＞t3；为保证拍摄后的视频信号的输出时间，因该有t0＞t1+t3。由上述时间关系可以得出：t3/τ＜n1＜(T-t2)/τ。

上述：n1为微处理器104预先发送给具有外触发功能的视频输出摄像CCD预备行同步脉冲的个数，n1为满足t3/τ＜n1＜(T-t2)/τ的任意一个数；

其中：t3＝2L/c，L是摄像装置与被拍摄目标101之间的距离，c是光速；τ为具有外触发功能的视频输出摄像CCD的行周期；T为激光同步脉冲的周期，且T大于等于具有外触发功能的视频输出摄像CCD的帧周期；t2＝n2×τ，n2是具有外触发功能的视频输出摄像CCD一帧图像的行数；

t0＝t3+T-t1；

其中：t1＝n1×τ。

微处理器104输出行同步脉冲202和拍摄触发脉冲203的步骤是：

a、初始化，开总中断，设置外部中断0优先级为高，开外部中断0，开定时器0，开定时器1中断，设置定时器0和定时器1的工作方式，

b、读取键盘输入的脉冲激光器102到待拍摄目标101的距离值L、预备行同步脉冲数n1、一帧图象的行数n2，

c、设置行同步脉冲计数变量count，初始值为0，

d、计算延时时间t0＝t3+T-t1，其中：t3＝2L/c，L是摄像装置与被拍摄目标101之间的距离，c是光速；T为激光同步脉冲的周期；t1＝n1×τ，n1为t3/τ～(T-t2)/τ的任一数，τ为具有外触发功能的视频输出摄像CCD的行周期；

e、由t0计算出定时器0初值并写入，

f、检查键盘启动/停止键，判断是否停止拍摄，是，则重复本步骤，

g、判断count是否＝n1，否，则跳转到步骤j，

h、输出拍摄触发脉冲203，

i、count加1，

j、判断count是否＞n2，是，则停止定时器1的计数，并跳转到步骤f，

k、跳转到步骤f；

当激光同步脉冲201到达微处理器，启动外部中断0服务程序，

当定时器0计数溢出，启动定时器0中断服务程序，

当定时器1计数溢出，启动定时器1中断服务程序，

外部中断0服务程序的步骤为：

a1、开始，

b1、现场保护，

c1、重置定时器0初值

d1、启动定时器0，

e1、恢复现场，

f1、中断返回；

定时器0中断服务程序的步骤为：

a2、开始，

b2、现场保护，

c2、启动定时器1，

d2、行同步脉冲计数count清零，

e2、恢复现场，

f2、中断返回；

定时器1中断服务程序的步骤为：

a3、开始，

b3、现场保护，

c3、输出高电平，

d3、延时行同步脉宽t4，

e3、输出低电平，

f3、count加1，

g3、恢复现场，

h3、中断返回。

Claims (2)

1、一种超短脉冲激光照明的同步摄像装置由脉冲激光器(102)、具有外触发功能的视频输出摄像CCD(103)、微处理器(104)、键盘(105)和数码显示器(106)组成；其特征在于，该装置脉冲激光器(102)输出的激光同步脉冲(201)连接到微处理器(104)，微处理器(104)输出的行同步脉冲(202)连接到具有外触发功能的视频输出摄像CCD(103)的外部行同步输入端，微处理器(104)输出的拍摄触发脉冲(203)连接到具有外触发功能的视频输出摄像CCD(103)的外部触发拍摄输入端，键盘(105)和数码显示器(106)与微处理器(104)连接。

2、根据权利要求1所述的一种超短脉冲激光照明的同步摄像装置，其特征在于，所述的微处理器(104)输出行同步脉冲(202)和拍摄触发脉冲(203)的方法包含如下步骤：

a、初始化，开总中断，设置外部中断0优先级为高，开外部中断0，开定时器0，开定时器1中断，设置定时器0和定时器1的工作方式，

b、读取键盘输入的脉冲激光器(102)到待拍摄目标(101)的距离值L、预备行同步脉冲数n1、一帧图象的行数n2，

c、设置行同步脉冲计数变量count，初始值为0，

d、计算延时时间t0＝t3+T-t1，其中：t3＝2L/c，L是摄像装置与被拍摄目标(101)之间的距离，c是光速；T为激光同步脉冲的周期；t1＝n1×τ，n1为5～10的任一数，τ为具有外触发功能的视频输出摄像CCD(103)的行周期；

e、由t0计算出定时器0初值并写入，

f、检查键盘启动/停止键，判断是否停止拍摄，是，则重复本步骤，

g、判断count是否＝n1，否，则跳转到步骤j，

h、输出拍摄触发脉冲(203)，

i、count加1，

j、判断count是否＞n2，是，则停止定时器1的计数，并跳转到步骤f，

k、跳转到步骤f；

当激光同步脉冲(201)到达微处理器，启动外部中断0服务程序，

当定时器0计数溢出，启动定时器0中断服务程序，

当定时器1计数溢出，启动定时器1中断服务程序；

外部中断0服务程序的步骤为：

a1、开始，

b1、现场保护，

c1、重置定时器0初值，

d1、启动定时器0，

e1、恢复现场，

f1、中断返回；

定时器0中断服务程序的步骤为：

a2、开始，

b2、现场保护，

c2、启动定时器1，

d2、行同步脉冲计数count清零，

e2、恢复现场，

f2、中断返回；

定时器1中断服务程序的步骤为：

a3、开始，

b3、现场保护，

c3、输出高电平，

d3、延时行同步脉宽t4，

e3、输出低电平，

f3、count加1，

g3、恢复现场，

h3、中断返回。

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