CN206863223U - 一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置，其特征在于：所述装置由脉冲激光器1、扫描振镜2、反射镜3、发射窗口4、汇聚透镜5、镜筒6、探测器7、探测信号放大电路8、数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11和扫描振镜壳体12组成；本实用新型利用扫描振镜对物体进行扫描，扫描速度快、扫描盲区小，脉冲激光器只在需要的时刻发射脉冲，且图像分辨率可根据要求调整，有效地降低了采集的目标数据。本实用新型结构简单，激光发射和接收系统光学零件较少，激光发射器利用两片反射镜，汇聚透镜利用1片透镜，扫描振镜壳体的玻璃窗口、汇聚透镜和发射窗口均镀红外增透膜，其光学透过率可达99％以上，成本低，可靠性高，可取代传统的体积和质量较大的机械扫描机构，推广应用范围广。

Description

一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置

技术领域

本实用新型属于红外激光成像技术领域，涉及一种基于变频发射的脉冲红外激光成像装置，特别涉及一种变频发射脉冲激光器，利用微型振镜对激光束进行扫描，同时测量目标距离，从而实现对目标的激光成像。

背景技术

现有的光学成像方式主要包括可见光成像、红外成像和激光成像三种方式。可见光和红外成像方式图像的分辨率较高，成像速度快，但是可见光成像方式只能在白天使用，而且和红外成像方式一样，受云雾的影响较大，云雾可降低红外和可见光探测器的作用距离，影响对目标的成像和识别。另外，可见光和红外成像抗地物背景的能力较差，也不能提供目标的距离参数。可见光和红外成像方式都是被动成像方式。激光成像是主动成像方式，相较于被动方式来说，其穿透烟雾的能力更强，也容易获得较大的输出能量，而且激光输出的高频率激光束对地物背景具有很强的抗干扰能力，因此激光成像方式在穿透烟雾和抗背景干扰方面具有很大的优势。但是现有的激光成像装置一般采用机械扫描成像方式，通过驱动电机带动机械扫描机构对目标进行逐行扫描，其缺点是扫描速度慢，扫描机构体积大，重量较重。近年来出现的非扫描激光成像装置由于技术复杂，价格昂贵，其应用受到很大制约。例如美国Velodyne Lidar公司研制了一种激光雷达“PUCK LITE”，重量为590克，是世界上最轻的激光传感器，但是，由于该激光传感器采用16通道的接收和发射，激光发射和接收的控制也比较复杂，而且传感器成本较高。专利号为201510453995.1，提出一种双联动MOEMS型仿人眼扫描激光成像系统，其扫描方式是按照由内向外环选的方式扫描，整个视场得到的图像信息即为目标的极坐标转换形式，该方法的特点是得到的图像是对数极坐标图像，扫描轨迹为环形扫描轨迹。其扫描方式采用由内向外环选的方式扫描，对各环的控制比较复杂，而且其光路采用5个透镜，降低了光学系统的透过率。

发明内容

针对上述现有技术不足，本实用新型提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置。激光器通过采取变频脉冲发射时序从而获得目标的均匀扫描点，将扫描轨迹转换为直角坐标成像，而且图像分辨率可根据要求调整，有效地降低采集的目标数据，从而实现对目标的精准成像。

由于扫描图像是非线性的，扫描区域中扫描速度是不断变化的，扫描区域的边缘速率相较于扫描区域中心位置速率较慢，扫描速率的快慢可能会造成扫描点不均匀，由此扫描图像中可能会丢失图像点，从而造成扫描图像不清晰或变形。为获得清晰均匀的目标图像，就必须获得均匀的扫描点。本实用新型利用两维扫描振镜，将扫描振镜置于两个摆动轴的中心位置，采用静电驱动方式，采取变频脉冲发射时序获得目标的均匀扫描点，当激光束入射到扫描振镜上时，通过控制扫描振镜的摆动，反射激光束并对光束进行扫描，实现在俯仰和方位两个方向对目标的快速扫描；目标反射回来的激光束，经过光学系统汇聚到探测器上，转换为含有目标信息的电信号，根据激光发射和接收的脉冲信号得到目标的距离信息，并与扫描镜输出的俯仰和方位角度合成，可生成包含目标信息的三维图像。

本实用新型提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置，其特征在于：所述装置由脉冲激光器1、扫描振镜2、反射镜3、发射窗口4、汇聚透镜5、镜筒6、探测器7、探测信号放大板8、数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11和扫描振镜壳体12组成；所述扫描振镜壳体12顶部为玻璃窗口；所述数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11通电后，所述激光器驱动信号板10将产生的驱动信号送给脉冲激光器1，脉冲激光器1根据触发信号发出红外激光脉冲；所述脉冲激光器1将产生的脉冲信号发射到反射镜3；所述反射镜3将光束直接反射到扫描振镜2，扫描振镜2对目标持续不断地扫描；所述扫描振镜驱动板11通电发出正弦频率信号，驱动扫描振镜2在俯仰和方位摆动扫描；所述镜筒6的顶部胶接汇聚透镜5，底部通过螺纹连接探测器7；扫描振镜2将反射的光束经过发射窗口4照射到目标上，目标的反射回波经过汇聚透镜5汇聚到探测器7上，探测器7将汇聚透镜5接收到的光信号转换为电信号，再经过探测信号放大板8将信号放大后传输到数字信号处理板9，对目标反射的回波信号进行存储、选择、平滑滤波，得到含有目标位置信息的坐标点；同时数字信号处理板9对发射和接收激光的时间延迟进行计算，得到激光发出位置到照射到目标点的距离值。数字信号处理板9将目标位置坐标点和距离值合成输出目标的三维图像。

本实用新型进一步提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置，其特征在于：所述扫描振镜2在方位和俯仰方向以正弦规律做两维摆动，得到的坐标点如下：

其中ρ₁和ρ₂是分别为扫描振镜在方位和俯仰方向扫描的幅度，f₁和f₂分别为扫描振镜x轴和y轴的频率，θ₁和θ₂是分别为扫描振镜x轴和y轴扫描的初始相位，在不同的时刻t_i，可以得到该点的坐标值x(i)和y(i)。坐标点和时间的关系是非线性的。

本实用新型进一步提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置，其特征在于：所述汇聚透镜5直径为15-25mm；所述汇聚透镜5、扫描振镜壳体12顶部的玻璃窗口和发射窗口4镀红外增透膜。

本实用新型提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置，其特征在于：所述“激光发出位置到照射到目标点的距离值”为：

d＝c×Δt/2 (2)

其中，c为常数，代表光速，Δt为激光发射脉冲和接收脉冲的时间差。

有益效果：

1、本实用新型中的脉冲激光器，只在需要的时刻发射脉冲，将扫描轨迹转换为直角坐标成像，而且图像分辨率可根据要求调整，有效地降低了采集的目标数据。

2、本实用新型利用扫描振镜对物体进行扫描，扫描速度快、扫描盲区小，可靠性高，成像装置的运动部件只有扫描振镜，体积小，重量轻。

3、本实用新型系统集成度高，结构简单，激光发射和接收系统光学零件较少，激光发射器利用两片反射镜，汇聚透镜利用1片透镜，扫描振镜壳体的玻璃窗口、汇聚透镜和发射窗口均镀红外增透膜，相近于其他现有激光成像装置，其光学透过率可达99％以上，同时还可取代传统的体积和质量较大的机械扫描机构，并显著降低成本。

附图说明

图1扫描振镜扫描红外激光成像装置结构图

图2扫描振镜扫描红外激光成像装置结构图俯视图

图3红外激光在二维扫描振镜上的扫描轨迹图

图4等间距输入TTL电平信号

图5等间距输出激光脉冲信号

图6等间距输入TTL电平信号激光的扫描点图

图7不等间距输入TTL电平信号

图8不等间距输出激光脉冲信号

图9不等间距输入TTL电平信号激光的扫描点图

图10激光发射和接收时间延迟示意图

图11扫描振镜驱动信号波形及频率

图12探测信号放大板电路图

其中：脉冲激光器1、扫描振镜2、反射镜3、发射窗口4、汇聚透镜5、镜筒6、探测器7、探测信号放大板8、数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11组成；所述数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11、扫描振镜壳体12

具体实施方式

下面对本实用新型做进一步详细说明，其中：脉冲激光器采用高重频脉冲激光器，扫描振镜以二维扫描振镜为例、数字信号处理板以TMS320TM642芯片为例，探测器采用APD探测器、汇聚透镜5直径为20mm。

本实用新型提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置，其特征在于：所述装置由脉冲激光器1、扫描振镜2、反射镜3、发射窗口4、汇聚透镜5、镜筒6、探测器7、探测信号放大板8、数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11和扫描振镜壳体12组成。本实用新型采用直流供电方式，如图1和图2所示，为本实用新型提供的结构示意图。

图1中：脉冲红外激光器1，根据输入的驱动信号，按一定规律和时序发射激光脉冲；扫描振镜2可在方位和俯仰两个方向实现摆动，振镜窗口采用透红外的玻璃，窗口表面镀红外增透膜，提高激光的透过率，减小激光的能量损失；反射镜3可将激光器发出的光束反射，并入射到振镜上；发射窗口4可将激光发射出去，同时保护激光成像装置内部各零件不受外部环境的影响；窗口表面镀红外增透膜，提高激光的透过率；汇聚透镜5将目标反射的激光能量汇聚到探测器上，透镜表面镀红外增透膜，提高激光的透过率；汇聚透镜5胶接在镜筒6上；探测器7将接收透镜5汇聚的光能量转换为电信号；探测信号放大板8将探测器输出的微弱信号放大到可以处理的信号；数字信号处理板9将探测器输出的模拟信号变换为数字信号并进行处理，控制振镜扫描的信号和激光发射的信号也输入到信号处理板，使振镜扫描的位置和激光发射的时刻保持同步，接收到目标反射的激光信号和扫描的位置点融合计算，得到目标的强度图像；同时根据激光发射和接收到的相位，计算得到目标各点的距离像，将强度像和距离像合成，得到目标的三维图像；激光器驱动信号板10一方面为激光器供电，同时根据控制指令，发出TTL电平信号，驱动激光器发出脉冲信号。

通电后其工作过程如下：

数字信号处理板9(TMS320TM642芯片)、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11初始化并开始工作，扫描振镜驱动板11产生频率为f1和f2正弦信号(如图10所示)，驱动扫描振镜2的两个轴在俯仰和方位方向以正弦规律摆动扫描，数字信号处理板9控制激光器驱动板10，发出脉冲电平信号，每发出一个电平信号，激光器就会输出一个激光脉冲；激光束经过反射镜3反射到扫描振镜2上，再反射到发射窗口4并透射出去，照射到目标上的一定位置；目标的反射光变为漫反射光，经过汇聚透镜5，将光束汇聚到探测器7上，探测器7将光能转换为电信号，探测信号放大板8接收到探测器7的电信号后，经过放大器A1、A2、A3放大后输出给数字信号处理板9(TMS320TM642芯片)(如图12所示)，信号处理板9(TMS320TM642芯片)对信号采样并转换为数字信号。扫描振镜2对目标持续不断地扫描，脉冲激光器1也根据触发信号发出激光，探测器7接收目标的回波信号，数字信号处理板9(TMS320TM642芯片)对目标反射的回波信号进行存储、选择、平滑滤波，得到含有目标位置信息的坐标点。同时数字信号处理板9(TMS320TM642芯片)对发射和接收激光的时间延迟进行计算，得到激光发出位置到照射到目标点的距离值。坐标点由数字信号处理板9(TMS320TM642芯片)处理得到目标的三维图像并输出目标的图像信号。

假设：ρ₁＝ρ₂＝1000mm，f₁＝13Hz，f₂＝17Hz，θ₁＝θ₂＝0，当t_i＝0.01秒时，带入公式(1)可得坐标：x(i)＝0.729米

y(i)＝0.8763米

如图3所示，扫描振镜的两个轴在方位和俯仰方向以正弦规律摆动，在扫描频率不同时，激光束的扫描轨迹是非均匀的扫描图形，而且扫描速度也是非均匀的，呈现非线性；

设激光从发射脉冲到接收脉冲的时间差Δt＝1×10^-6秒，光速常数c＝299792458m/s,带入公式(2)，通过测试激光发射脉冲和接收脉冲的时刻，可以计算从激光发射到目标点的距离(如图10所示)为：

d＝c×Δt/2＝299792458×1×10^-6/2≈149.8m

将目标的坐标点和距离融合，就可以得到目标的三维坐标点(0.729，0.8763，149.8)。

如图4所示，为等间距输入的TTL电平信号，TTL电平信号的占空比大于等于50％。

如图5所示，为激光器等间距输入TTL电平的条件下，激光器的输出信号。激光器输入等间距的TTL电平信号，激光器就会输出等间距的脉冲信号。

如图6所示，为等间距输入TTL电平的条件下，激光的扫描点图，由于中心区域扫描速度快，边缘位置扫描速度慢，图中的扫描点成非均匀分布。

如图7所示，为不等间距输入的TTL电平信号，TTL电平信号的占空比大于等于50％。

如图8所示，为激光器输入不等间距TTL电平的条件下，激光器的输出信号。激光器输入不等间距的TTL电平信号，激光器就会输出不等间距的脉冲信号。

如图9所示，为不等间距输入TTL电平的条件下，激光的扫描点图。通过控制激光发出的时刻，输入TTL电平信号，激光器就会输出不等间距的激光脉冲信号，经过扫描后激光可在目标上形成等间距的分布图。从图中可以看出，扫描点成近似均匀分布。

Claims (4)

1.一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置，其特征在于：所述装置由脉冲激光器(1)、扫描振镜(2)、反射镜(3)、发射窗口(4)、汇聚透镜(5)、镜筒(6)、探测器(7)、探测信号放大电路(8)、数字信号处理板(9)、激光器驱动信号板(10)、扫描振镜驱动板(11)和扫描振镜壳体(12)组成；所述扫描振镜壳体(12)顶部为玻璃窗口；所述数字信号处理板(9)、激光器驱动信号板(10)、扫描振镜驱动板(11)通电后，所述激光器驱动信号板(10)将产生的驱动信号送给脉冲激光器(1)，脉冲激光器(1)根据触发信号发出红外激光脉冲；所述脉冲激光器(1)将产生的脉冲信号发射到反射镜(3)；所述反射镜(3)将光束直接反射到扫描振镜(2)，扫描振镜(2)对目标持续不断地扫描；所述扫描振镜驱动板(11)通电后发出正弦频率信号，驱动扫描振镜(2)在俯仰和方位摆动扫描；所述镜筒(6)的顶部胶接汇聚透镜(5)，底部通过螺纹连接探测器(7)；扫描振镜(2)将反射的光束经过发射窗口(4)照射到目标上，目标的反射回波经过汇聚透镜(5)汇聚到探测器(7)上，探测器(7)将汇聚透镜(5)接收到的光信号转换为电信号，再经过探测信号放大电路(8)将信号放大后传输到数字信号处理板(9)，对目标反射的回波信号进行存储、选择、平滑滤波，得到含有目标位置信息的坐标点；同时数字信号处理板(9)对发射和接收激光的时间延迟进行计算，得到激光发出位置到照射到目标点的距离值；数字信号处理板(9)将目标位置坐标点和距离值合成输出目标的三维图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置，其特征在于：所述扫描振镜(2)在方位和俯仰方向以正弦规律做两维摆动，得到的坐标点如下：

其中：ρ₁和ρ₂是分别为扫描振镜在方位和俯仰方向扫描的幅度，f₁和f₂分别为扫描振镜x轴和y轴的频率，θ₁和θ₂是分别为扫描振镜x轴和y轴扫描的初始相位，在不同的时刻t_i，可以得到该点的坐标值x(i)和y(i)。

3.根据权利要求1所述的一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置，其特征在于：所述汇聚透镜(5)直径为15-25mm；所述汇聚透镜(5)、扫描振镜壳体(12)顶部的玻璃窗口和发射窗口(4)镀红外增透膜。

4.根据权利要求1所述的一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置，其特征在于：所述“激光发出位置到照射到目标点的距离值”为：

d＝c×Δt/2 (2)

其中：c为常数，代表光速，Δt为激光发射脉冲和接收脉冲的时间差。