專利名稱：增益調(diào)制式脈沖成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光雷達(dá)領(lǐng)域，具體是涉及一種用強(qiáng)度積分器件來對(duì)目標(biāo)成距離像的激光雷達(dá)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前在光電成像領(lǐng)域的一大難題就是如何用技術(shù)成熟的強(qiáng)度積分型器件(如CCD)來對(duì)目標(biāo)成距離像。1990年，Marion W，Scott在美國(guó)專利局申請(qǐng)了名稱為《距離成像激光雷達(dá)系統(tǒng)》的專利。此專利基于傳統(tǒng)的位相法測(cè)距原理。在專利中首次提出采用對(duì)激光器和像增強(qiáng)器進(jìn)行正弦調(diào)制，將像增強(qiáng)器輸出的信號(hào)通過光纖耦合到CCD上利用CCD接收，通過距離處理器得到目標(biāo)的距離像的方法。但由于這種辦法中的發(fā)射裝置也同樣采用連續(xù)波調(diào)制，因此限制了激光器的瞬時(shí)功率，嚴(yán)重影響該裝置的作用距離和成像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決采用正弦波調(diào)制發(fā)射在對(duì)目標(biāo)成距離像時(shí)限制了激光器的瞬時(shí)功率從而嚴(yán)重影響成像質(zhì)量和測(cè)量范圍的問題，本發(fā)明提供一種增益調(diào)制式脈沖成像激光雷達(dá)系統(tǒng)。
本發(fā)明的所述的成像裝置包括光學(xué)發(fā)射天線、脈沖激光器、控制處理器、光學(xué)接收天線、濾光片、高壓調(diào)制器和強(qiáng)度成像儀，脈沖激光器發(fā)射出的光束經(jīng)光學(xué)發(fā)射天線整形后照射到目標(biāo)上，經(jīng)目標(biāo)反射的光束經(jīng)光學(xué)接收天線整形和匯聚后到達(dá)濾光片的光輸入端，從濾光片的光輸出端輸出的光束入射到強(qiáng)度成像儀的光輸入端，強(qiáng)度成像儀獲得像的強(qiáng)度值與光脈沖的往返時(shí)間成正比的目標(biāo)強(qiáng)度像，強(qiáng)度成像儀的輸出端與控制處理器的一個(gè)圖像輸入端相連，控制處理器的調(diào)制信號(hào)控制端與高壓調(diào)制器的控制端相連，高壓調(diào)制器的單調(diào)變化式調(diào)制信號(hào)輸出端連接強(qiáng)度成像儀的增益調(diào)制信號(hào)控制端，控制處理器的光脈沖初始時(shí)間輸入端與脈沖激光器的光發(fā)射同步信息的輸出端相連，控制處理器的曝光控制端連接強(qiáng)度成像儀的開關(guān)控制端。
本發(fā)明采用大功率脈沖激光器取代了傳統(tǒng)的連續(xù)波激光器，進(jìn)行脈沖發(fā)射方式；本發(fā)明還采用單調(diào)變化式信號(hào)代替正弦波對(duì)強(qiáng)度成像儀進(jìn)行增益控制。本發(fā)明有效地提高了作用距離和成像質(zhì)量，同時(shí)也降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為具體實(shí)施方式
二的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為具體實(shí)施方式
二的時(shí)序圖，波形A為發(fā)射脈沖，波形B為接收脈沖，波形C為柵極選通信號(hào)，波形D為微通道板調(diào)制增益信號(hào)。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一參見圖1，本具體實(shí)施方式
的增益調(diào)制式脈沖成像激光雷達(dá)系統(tǒng)由光學(xué)發(fā)射天線1、脈沖激光器2、控制處理器3、光學(xué)接收天線4、濾光片5、高壓調(diào)制器6和強(qiáng)度成像儀7組成，脈沖激光器2發(fā)射出的光束經(jīng)光學(xué)發(fā)射天線1整形后照射到目標(biāo)上，經(jīng)目標(biāo)反射的光束經(jīng)光學(xué)接收天線4整形和匯聚后到達(dá)濾光片5的光輸入端，從濾光片5的光輸出端輸出的光束入射到強(qiáng)度成像儀7的光輸入端，強(qiáng)度成像儀7獲得像的強(qiáng)度值和光脈沖的往返時(shí)間成正比的目標(biāo)強(qiáng)度像，強(qiáng)度成像儀7的輸出端與控制處理器3的一個(gè)圖像輸入端相連，控制處理器3的調(diào)制信號(hào)控制端與高壓調(diào)制器6的控制端相連，高壓調(diào)制器6的單調(diào)變化式調(diào)制信號(hào)輸出端連接強(qiáng)度成像儀7的增益調(diào)制信號(hào)控制端，控制處理器3的光脈沖初始時(shí)間輸入端與脈沖激光器2的光發(fā)射同步信息的輸出端相連，控制處理器3的曝光控制端連接強(qiáng)度成像儀7的開關(guān)控制端。
所述強(qiáng)度成像儀7由光電轉(zhuǎn)換元件7-1、起開關(guān)作用的電流調(diào)節(jié)元件7-2、電子倍增元件7-3、電光轉(zhuǎn)換元件7-4、光纖7-5和第一CCD成像儀7-6組成，從濾光片5的光輸出端獲得的光束入射到光電轉(zhuǎn)換元件7-1的輸入端，光電轉(zhuǎn)換元件7-1的輸出端連接電流調(diào)節(jié)元件7-2的輸入端，電流調(diào)節(jié)元件7-2的輸出端連接電子倍增元件7-3的輸入端，電子倍增元件7-3的輸出端連接電光轉(zhuǎn)換元件7-4的輸入端，從電光轉(zhuǎn)換元件7-4的輸出端獲得的光束耦合進(jìn)入光纖7-5后入射到第一CCD成像儀7-6的感光面上，第一CCD成像儀7-6的圖像信息輸出端連接控制處理器3的一個(gè)圖像信息輸入端，高壓調(diào)制器6的單調(diào)變化式調(diào)制信號(hào)輸出端連接電子倍增元件7-3的增益調(diào)制信號(hào)控制端，控制處理器3的曝光控制端連接電流調(diào)節(jié)元件7-2的控制端。所述電流調(diào)節(jié)元件7-2控制輸入到電子倍增元件7-3的電流大小并起開關(guān)作用；所述電子倍增元件7-3用于將電流信號(hào)與單調(diào)變化式調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相乘混頻。
在本具體實(shí)施方式
中，所述脈沖激光器2輸出的信號(hào)單脈沖能量高、脈沖寬度窄、脈沖線寬窄，其脈沖波長(zhǎng)為0.4～2.0微米，脈沖能量為幾毫焦到幾百毫焦，脈沖寬度為幾個(gè)納秒到幾十納秒，脈沖線寬為0.1納米到幾個(gè)納米；所述控制處理器3采用PC機(jī)或?qū)Ｓ梦⑻幚砥?，其用于控制信?hào)的輸出和圖像處理。本具體實(shí)施方式
利用光學(xué)發(fā)射天線1與光學(xué)接收天線4使發(fā)射和接收視場(chǎng)達(dá)到幾度到幾十度。所述濾光片5的帶寬在幾個(gè)納米以下，所述高壓調(diào)制器6產(chǎn)生1000v左右的調(diào)制電壓，帶寬10MHz以上。
具體實(shí)施方式
二參見圖1和圖2，本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是所述強(qiáng)度成像儀7選用選通型ICCD成像儀，該選通型ICCD成像儀包括由可用作光電轉(zhuǎn)換元件7-1的光電陰極7-1-1、可用作電流調(diào)節(jié)元件7-2的柵極7-2-1、可用作電子倍增元件7-3的電壓可調(diào)型微通道板7-3-1、可用作電光轉(zhuǎn)換元件7-4的熒光屏7-4-1構(gòu)成的像增強(qiáng)器7-7，從濾光片5的光輸出端獲得的光束入射到選通型ICCD成像儀的光電陰極7-1-1上，選通型ICCD成像儀的輸出端連接控制處理器3的一個(gè)圖像信息輸入端，高壓調(diào)制器6的單調(diào)變化式調(diào)制信號(hào)輸出端連接選通型ICCD成像儀的電壓可調(diào)型微通道板7-3-1的增益調(diào)制信號(hào)控制端，控制處理器3的曝光控制端連接選通型ICCD成像儀的柵極7-2-1的控制端。像增強(qiáng)器7-7、光纖7-5和第一CCD成像儀7-6構(gòu)成選通型ICCD成像儀。其他組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。選通型ICCD成像儀采用Hi-Tech electronics pte ltd的DiCam-PRO。
在本具體實(shí)施方式
中，高壓調(diào)制器6采用具有單調(diào)變化的鋸齒波調(diào)制信號(hào)對(duì)微通道板7-3-1進(jìn)行調(diào)制，如圖3的波形D所示。脈沖激光器2在發(fā)射脈沖(如圖3所示的波形A)的同時(shí)觸發(fā)微通道板7-3-1的增益調(diào)制。由于采用鋸齒波調(diào)制信號(hào)，所以回波脈沖(如圖3所示的波形B)到達(dá)像增強(qiáng)器7-7的時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的增益和脈沖往返飛行時(shí)間成正比，最終在第一CCD成像儀7-6上獲得像的強(qiáng)度值和脈沖的往返時(shí)間成正比，通過圖像處理，可以將距離信息提取出來。從圖3中可以看出，增益調(diào)制波形(即圖3的波形D)可分為兩個(gè)階段線性變化階段和固定不變階段。在增益處于線性變化階段時(shí)，控制處理器3觸發(fā)像增強(qiáng)器7-7的柵極7-2-1進(jìn)行選通(選通信號(hào)的波形如圖3所示的波形C)，等待接收回波光脈沖，當(dāng)回波光脈沖到達(dá)時(shí)，經(jīng)光電陰極7-1-1轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過微通道板7-3-1進(jìn)行增益放大，再經(jīng)過熒光屏7-4-1轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，通過光纖7-5耦合將光信號(hào)傳送到第一CCD成像儀7-6的感光面上，第一CCD成像儀7-6并將圖像傳給控制處理器，這個(gè)過程相當(dāng)于系統(tǒng)在增益變化階段對(duì)目標(biāo)成了一幀強(qiáng)度像，這幅圖像包含了兩種信息(1)由于目標(biāo)各點(diǎn)反射率不同而引起各點(diǎn)回波強(qiáng)度不同；(2)由于目標(biāo)各點(diǎn)距離不同，導(dǎo)致各點(diǎn)回波到達(dá)接收器時(shí)所對(duì)應(yīng)的增益不同，最終體現(xiàn)在CCD成像的灰度對(duì)比有所變化。在增益固定不變時(shí)，對(duì)目標(biāo)再成一幀像，而這幀像中只含上述的第一種信息，兩幀像作比，就得到了目標(biāo)的距離像。本具體實(shí)施方利用一個(gè)CCD成像儀通過控制柵極的選通使得其在不同的時(shí)刻獲得上述分別含有不同信息的像。
具體實(shí)施方式
三參見圖1，本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是所述成像裝置還包括分束片8和第二CCD成像儀9，從濾光片5的光輸出端獲得的光束經(jīng)分束片8分束后，一部分光束入射到強(qiáng)度成像儀7的光輸入端，另一部分光束入射到第二CCD成像儀9的光輸入端，第二CCD成像儀9的圖像輸出端與控制處理器3的另一個(gè)圖像輸入端相連。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。本具體實(shí)施方式
增加了一個(gè)CCD成像儀，用其去獲得回波脈沖還未進(jìn)入增強(qiáng)器之前的圖像信息，與具體實(shí)施方式
一相比，采用本具體實(shí)施方式
可以能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)獲得上述含有不同信息的兩幀像。本具體實(shí)施方式
的這種雙CCD結(jié)構(gòu)克服了目標(biāo)或成像平臺(tái)運(yùn)動(dòng)所引起的圖像畸變，成像質(zhì)量和性能相比于具體實(shí)施方式
一來說更優(yōu)越，可以廣泛的應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.增益調(diào)制式脈沖成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于所述成像裝置包括光學(xué)發(fā)射天線(1)、脈沖激光器(2)、控制處理器(3)、光學(xué)接收天線(4)、濾光片(5)、高壓調(diào)制器(6)和強(qiáng)度成像儀(7)，脈沖激光器(2)發(fā)射出的光束經(jīng)光學(xué)發(fā)射天線(1)整形后照射到目標(biāo)上，經(jīng)目標(biāo)反射的光束經(jīng)光學(xué)接收天線(4)整形和匯聚后到達(dá)濾光片(5)的光輸入端，從濾光片(5)的光輸出端輸出的光束入射到強(qiáng)度成像儀(7)的光輸入端，強(qiáng)度成像儀(7)獲得像的強(qiáng)度值與光脈沖的往返時(shí)間成正比的目標(biāo)強(qiáng)度像，強(qiáng)度成像儀(7)的輸出端與控制處理器(3)的一個(gè)圖像輸入端相連，控制處理器(3)的調(diào)制信號(hào)控制端與高壓調(diào)制器(6)的控制端相連，高壓調(diào)制器(6)的單調(diào)變化式調(diào)制信號(hào)輸出端連接強(qiáng)度成像儀(7)的增益調(diào)制信號(hào)控制端，控制處理器(3)的光脈沖初始時(shí)間輸入端與脈沖激光器(2)的光發(fā)射同步信息的輸出端相連，控制處理器(3)的曝光控制端連接強(qiáng)度成像儀(7)的開關(guān)控制端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增益調(diào)制式脈沖成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于所述強(qiáng)度成像儀(7)由光電轉(zhuǎn)換元件(7-1)、起開關(guān)作用的電流調(diào)節(jié)元件(7-2)、電子倍增元件(7-3)、電光轉(zhuǎn)換元件(7-4)、光纖(7-5)和第一CCD成像儀(7-6)組成，從濾光片(5)的光輸出端獲得的光束入射到光電轉(zhuǎn)換元件(7-1)的輸入端，光電轉(zhuǎn)換元件(7-1)的輸出端連接電流調(diào)節(jié)元件(7-2)的輸入端，電流調(diào)節(jié)元件(7-2)的輸出端連接電子倍增元件(7-3)的輸入端，電子倍增元件(7-3)的輸出端連接電光轉(zhuǎn)換元件(7-4)的輸入端，從電光轉(zhuǎn)換元件(7-4)的輸出端獲得的光束耦合進(jìn)入光纖(7-5)后入射到第一CCD成像儀(7-6)的感光面上，第一CCD成像儀(7-6)的圖像信息輸出端連接控制處理器(3)的一個(gè)圖像信息輸入端，高壓調(diào)制器(6)的單調(diào)變化式調(diào)制信號(hào)輸出端連接電子倍增元件(7-3)的增益調(diào)制信號(hào)控制端，控制處理器(3)的曝光控制端連接電流調(diào)節(jié)元件(7-2)的控制端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的增益調(diào)制式脈沖成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于所述成像裝置還包括分束片(8)和第二CCD成像儀(9)，從濾光片(5)的光輸出端獲得的光束經(jīng)分束片(8)分束后，一部分光束入射到強(qiáng)度成像儀(7)的光輸入端，另一部分光束入射到第二CCD成像儀(9)的光輸入端，第二CCD成像儀(9)的圖像輸出端與控制處理器(3)的另一個(gè)圖像輸入端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增益調(diào)制式脈沖成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于所述強(qiáng)度成像儀(7)選用選通型ICCD成像儀，該選通型ICCD成像儀包括由可用作光電轉(zhuǎn)換元件(7-1)的光電陰極(7-1-1)、可用作電流調(diào)節(jié)元件(7-2)的柵極(7-2-1)、可用作電子倍增元件(7-3)的電壓可調(diào)型微通道板(7-3-1)、可用作電光轉(zhuǎn)換元件(7-4)的熒光屏(7-4-1)構(gòu)成的像增強(qiáng)器(7-7)，從濾光片(5)的光輸出端獲得的光束入射到選通型ICCD成像儀的光電陰極(7-1-1)上，選通型ICCD成像儀的輸出端連接控制處理器(3)的一個(gè)圖像信息輸入端，高壓調(diào)制器(6)的單調(diào)變化式調(diào)制信號(hào)輸出端連接選通型ICCD成像儀的電壓可調(diào)型微通道板(7-3-1)的增益調(diào)制信號(hào)控制端，控制處理器(3)的曝光控制端連接選通型ICCD成像儀的柵極(7-2-1)的控制端。
全文摘要
增益調(diào)制式脈沖成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，它涉及激光雷達(dá)系統(tǒng)領(lǐng)域，它解決了采用連續(xù)波激光器發(fā)射正弦波在對(duì)目標(biāo)成距離像時(shí)限制了激光器的瞬時(shí)功率從而嚴(yán)重影響成像質(zhì)量和測(cè)量范圍的問題。本發(fā)明所述成像裝置的脈沖激光器(2)發(fā)射出的光束經(jīng)光學(xué)發(fā)射天線(1)整形后照射到目標(biāo)上，回波脈沖通過濾光片(5)入射到用于獲得像的強(qiáng)度值與光脈沖的往返時(shí)間成正比的目標(biāo)強(qiáng)度像的強(qiáng)度成像儀(7)的光輸入端，高壓調(diào)制器(6)的單調(diào)變化式調(diào)制信號(hào)輸出端連接強(qiáng)度成像儀(7)的增益調(diào)制信號(hào)控制端，控制處理器(3)的曝光控制端連接強(qiáng)度成像儀(7)的開關(guān)控制端。本發(fā)明有效地提高了作用距離和成像質(zhì)量，同時(shí)也降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。
文檔編號(hào)G01S17/00GK1904640SQ20061001023
公開日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2006年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月29日
發(fā)明者孫秀冬, 趙遠(yuǎn), 靳辰飛, 張勇, 張宇, 劉麗萍, 唐勐, 陳鍾賢 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)