CN1869731A - 距离选通式激光3d成像雷达系统 - Google Patents

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距离选通式激光3D成像雷达系统，它涉及一种距离像成像雷达系统，它解决了现有的采用连续波激光器进行3D成像作用距离近、距离像模糊的问题。脉冲激光器(6)发射出的光束经光学发射天线(7)整形后照射到目标上，经目标反射的回波光束经光学接收天线(17)和滤光片(15)后入射到选通型ICCD(14)的光输入端，同步控制电路(3)控制多级可变延时发生电路(18)输出各个延时信号给多路开关(19)的输入端，并控制选通型ICCD(14)的栅极选通。采用距离选通进行3D成像，可以采用大功率脉冲激光器，和已有的选通型像增强器，其器件通用性强，容易实现，而且达到的距离分辨率也较高。

Description

距离选通式激光3D成像雷达系统
技术领域
本发明涉及一种距离像成像雷达系统。
背景技术
目前在光电成像领域的一大难题就是如何用技术成熟的强度积分型器件(如CCD)来对目标成距离像。目前国外已有采用连续波方法进行3D成像的报道。一般连续波激光器的功率相对于脉冲激光器要低很多，因此作用距离会很近。连续波测距很容易产生距离模糊问题，就是不同距离对应的测量值是相同的。
发明内容
为了解决现有的采用连续波激光器进行3D成像作用距离近、距离像模糊的问题，本发明提出一种距离选通式激光3D成像雷达系统。本发明采用距离选通的方法进行3D距离成像，它可以用于交通工具自动导航，蔽障，机器人视觉等领域。
本发明的成像装置包括脉冲激光器、光学发射天线、同步控制电路、多级可变延时发生电路、多路开关、选通型ICCD、滤光片、光学接收天线和上位控制机，脉冲激光器发射出的光束经光学发射天线整形后照射到目标上，经目标反射的回波光束经光学接收天线整形和汇聚后到达滤光片的光输入端，从滤光片的光输出端输出的光束入射到选通型ICCD的光输入端，选通型ICCD的图像信息输出端连接上位控制机的图像信息输入端，同步控制电路的延时控制端连接多级可变延时发生电路的同步控制端，多级可变延时发生电路的延时信号输出端连接多路开关的输入端，多路开关的输出端连接选通型ICCD的栅极控制端，多路开关的控制端连接同步控制电路的开关控制端，同步控制电路的光脉冲初始时间输入端与脉冲激光器的光发射同步信息的输出端相连，上位控制机的控制端连接同步控制电路的上位控制信号端。
工作原理：脉冲激光器发出探测脉冲光照射目标，从目标上返回的回波信号光通过滤光片过滤日光后入射到选通型ICCD的感光端上，同步控制电路在接收到脉冲激光器发出的确定探测脉冲光已发射的同步信息后，同时启动多级可变延时发生电路产生一系列的固定间隔的延时信号，并且同步控制电路还根据上位控制机的需要控制多路开关的选通，使得多级可变延时发生电路产生的某一路延时信号通过多路开关的一路信道输入到选通型ICCD的栅极控制端，令选通型ICCD的栅极以一定的时间间隔曝光从而获取不同时间间隔的图像信息。上述图像分别包含有两种信息：1)目标各点反射率不同而引起的各点回波光强度的不同；2)由于目标各点距离的不同，导致各点回波到达接收器所对应的增益不同，最终体现在所成图像的灰度对应上。所以本发明利用选通型ICCD以一定的时间间隔来曝光获得各时间间隔帧像，也就相当于对目标进行了多次切割，每帧像也就是每次切割时的目标外表面上各点所成的像，从而获得了目标上不同距离的清晰图像。上述所有帧像都送入到上位控制机中，上位控制机按照常规图像融合处理方法将这些平面像组合为3D像，也就是将不同位置的图像通过配准后叠加在一起获得目标的3D像。所述同步控制电路根据输入到多路开关每一路所对应的延时时间来按顺序获得一定的时间间隔，对选通型ICCD进行曝光。
发明效果：采用距离选通进行3D成像，可以采用大功率脉冲激光器，和已有的选通型像增强器，其器件通用性强，容易实现，而且达到的距离分辨率也较高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1，本具体实施方式的雷达系统由脉冲激光器6、光学发射天线7、同步控制电路3、多级可变延时发生电路18、多路开关19、选通型ICCD 14、滤光片15、光学接收天线17和上位控制机13组成，脉冲激光器6发射出的光束经光学发射天线7整形后照射到目标上，经目标反射的回波光束经光学接收天线17整形和汇聚后到达滤光片15的光输入端，从滤光片15的光输出端输出的光束入射到选通型ICCD 14的光输入端，选通型ICCD 14的图像信息输出端连接上位控制机13的图像信息输入端，同步控制电路3的延时控制端连接多级可变延时发生电路18的同步控制端，多级可变延时发生电路18的延时信号输出端连接多路开关19的输入端，多路开关19的输出端连接选通型ICCD 14的栅极控制端，多路开关19的控制端连接同步控制电路3的开关控制端，同步控制电路3的光脉冲初始时间输入端与脉冲激光器6的光发射同步信息的输出端相连，上位控制机13的控制端连接同步控制电路3的上位控制信号端。所述脉冲激光器6输出的脉冲光的单脉冲能量高、脉冲宽度窄、脉冲线宽窄，其具有几个到几百个千瓦的峰值功率、1～3nm的谱线宽度、10～20ns的脉冲宽度。所述选通型ICCD 14采用美国的Ultracam3spec等很多公司的类似产品。所述滤光片15为1～3nm的光学带宽，直径在18mm以上。所述同步控制电路3可以采用可编程逻辑器件来实现，其主要功能有同步控制多级可变延时发生电路18产生脉冲信号、控制多路开关19导通、上位控制机13获取执行命令等。所述多级可变延时发生电路18也可以采用可编程逻辑器件来实现，用其获得不同延时时间的电平信号。
具体实施方式二：参见图1，本具体实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述成像装置还包括第一分光片8、二号整形电路9、二号放大器10和二号光电探测器11，第一分光片8位于脉冲激光器6的输出端和光学发射天线7的输入端之间，脉冲激光器6发射出的光束经第一分光片8分束后一部分入射到光学发射天线7的输入端，另一部分入射到二号光电探测器11的感光端，二号光电探测器11的电信号输出端连接二号放大器10的输入端，二号放大器10的输出端连接二号整形电路9的输入端，二号整形电路9的输出端连接同步控制电路3的初始发射时间输入端。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。本具体实施方式在具体实施方式一的基础上增加了一套脉冲激光器6输出信号光的时间采集装置，二号光电探测器11采用PIN探测器，脉冲激光器6在发出探测脉冲光的同时PIN探测器获得其少部分光信号，并将此光信号转化为电信号，二号放大器10对此电信号进行放大并将其送入到二号整形电路9中，二号整形电路9对PIN探测器的信号进行整形输出TTL电平给同步控制电路3记录下探测脉冲光的发射时间，这样做提高了脉冲发射时间的采集精确度。所述二号光电探测器11采用型号为GT101的SiPIN光电二极管。所述二号整形电路9可以采用单稳态触发器等将非数字逻辑电平转换为数字逻辑电平。
具体实施方式三：参见图1，本具体实施方式与具体实施方式二的不同点是：所述成像装置还包括第二分光片16、一号光电探测器12、一号放大器5和一号整形电路4，第二分光片16位于滤光片15的光输出端与选通型ICCD 14的光输入端之间，从滤光片15的光输出端输出的光经第二分光片16分束后一部分入射到选通型ICCD 14的光输入端，另一部分入射到一号光电探测器12的感光端，一号光电探测器12的输出端连接一号放大器5的输入端，一号放大器5的输出端连接一号整形电路4的输入端，一号整形电路4的输出端连接同步控制电路3的初始接收时间输入端。其他组成和连接关系与具体实施方式二相同。本具体实施方式在具体实施方式二的基础上增加了一套回波光束的时间采集装置，一号光电探测器12采用高精度的APD探测器，当回波脉冲通过滤光片15后其小部分光被APD探测器探测到，并按具体实施方式二的方法送给同步控制电路3一个TTL电平信号，使其确定回波脉冲的返回时间，这样做提高了回波脉冲返回时间的采集精确度。所述一号光电探测器12的型号为SPD-052。
具体实施方式四：参见图1，本具体实施方式与具体实施方式三的不同点是：所述成像装置还包括时钟电路1和计数器2，同步控制电路3的计数控制端连接计数器2的计数控制端，计数器2的数据输出端连接同步控制电路3的计数输入端，时钟电路1的输出端连接计数器2的时钟信号端。其他组成和连接关系与具体实施方式三相同。本具体实施方式在具体实施方式三的基础上增加了一套单独的计时装置，时钟电路1为计数器2提供准确的时钟信号，当同步控制电路3确定探测脉冲发射后，同时给出一个信号启动计数器2开始计数，直到同步控制电路3确定回波脉冲返回后停止计数，计数器2对发射信号和回波信号之间的时间间隔进行了准确地测量。采用本具体实施方式对发射信号和回波信号之间的时间间隔进行准确测量后有利于确定选通型ICCD 14的栅极选通初始时间(以回波信号达到光学接收天线开始栅极选通)、还有利于上位控制机进行图像处理时准确选择初始帧像。所述时钟电路1和计数器2也可以采用可编程逻辑器件来实现的。

Claims (4)

1、距离选通式激光3D成像雷达系统，其特征在于所述成像装置包括脉冲激光器(6)、光学发射天线(7)、同步控制电路(3)、多级可变延时发生电路(18)、多路开关(19)、选通型ICCD(14)、滤光片(15)、光学接收天线(17)和上位控制机(13)，脉冲激光器(6)发射出的光束经光学发射天线(7)整形后照射到目标上，经目标反射的回波光束经光学接收天线(17)整形和汇聚后到达滤光片(15)的光输入端，从滤光片(15)的光输出端输出的光束入射到选通型ICCD(14)的光输入端，选通型ICCD(14)的图像信息输出端连接上位控制机(13)的图像信息输入端，同步控制电路(3)的延时控制端连接多级可变延时发生电路(18)的同步控制端，多级可变延时发生电路(18)的延时信号输出端连接多路开关(19)的输入端，多路开关(19)的输出端连接选通型ICCD(14)的栅极控制端，多路开关(19)的控制端连接同步控制电路(3)的开关控制端，同步控制电路(3)的光脉冲初始时间输入端与脉冲激光器(6)的光发射同步信息的输出端相连，上位控制机(13)的控制端连接同步控制电路(3)的上位控制信号端。
2、根据权利要求1所述的距离选通式激光3D成像雷达系统，其特征在于所述成像装置还包括第一分光片(8)、二号整形电路(9)、二号放大器(10)和二号光电探测器(11)，第一分光片(8)位于所述脉冲激光器(6)的输出端和所述光学发射天线(7)的输入端之间，所述脉冲激光器(6)发射出的光束经第一分光片(8)分束后一部分入射到所述光学发射天线(7)的输入端，另一部分入射到二号光电探测器(11)的感光端，二号光电探测器(11)的电信号输出端连接二号放大器(10)的输入端，二号放大器(10)的输出端连接二号整形电路(9)的输入端，二号整形电路(9)的输出端连接所述同步控制电路(3)的初始发射时间输入端。
3、根据权利要求1或2所述的距离选通式激光3D成像雷达系统，其特征在于所述成像装置还包括第二分光片(16)、一号光电探测器(12)、一号放大器(5)和一号整形电路(4)，第二分光片(16)位于所述滤光片(15)的光输出端与所述选通型ICCD(14)的光输入端之间，从所述滤光片(15)的光输出端输出的光经第二分光片(16)分束后一部分入射到所述选通型ICCD(14)的光输入端，另一部分入射到一号光电探测器(12)的感光端，一号光电探测器(12)的输出端连接一号放大器(5)的输入端，一号放大器(5)的输出端连接一号整形电路(4)的输入端，一号整形电路(4)的输出端连接所述同步控制电路(3)的初始接收时间输入端。
4、根据权利要求3所述的距离选通式激光3D成像雷达系统，其特征在于所述成像装置还包括时钟电路(1)和计数器(2)，所述同步控制电路(3)的计数控制端连接计数器(2)的计数控制端，计数器(2)的数据输出端连接所述同步控制电路(3)的计数输入端，时钟电路(1)的输出端连接计数器(2)的时钟信号端。
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