專利名稱：指數(shù)增益調(diào)制距離成像器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電成像領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前在光電成像領(lǐng)域的一大難題就是如何獲取高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離像。美
國(guó)桑地亞實(shí)驗(yàn)室研制的無(wú)掃描距離成像器(SRI)是目前橫向分辨率和距離分 辨率最好的距離成像器。它采用對(duì)激光器和ICCD進(jìn)行正弦調(diào)制，將回波與 ICCD的增益進(jìn)行混頻獲得兩者的相位差，從而得到目標(biāo)的距離信息。但由于 這種辦法采用連續(xù)波照明，瞬時(shí)功率低，需要長(zhǎng)時(shí)間曝光，這就限制了其對(duì)高 速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離獲取的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有獲取高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離像的裝置瞬時(shí)功率低、 需要長(zhǎng)時(shí)間曝光導(dǎo)致對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離獲取能力低的問題，從而提供一種指 數(shù)增益調(diào)制距離成像器。
指數(shù)增益調(diào)制距離成像器，它由脈沖激光器、第一分光片、發(fā)射光學(xué)整形 系統(tǒng)、高壓直流電源、延時(shí)發(fā)生器、光電探測(cè)器、控制處理器、高壓調(diào)制電源、 選通電源、第一ICCD成像儀、第二ICCD成像儀、第二分光器和接收光學(xué)系 統(tǒng)組成，脈沖激光器輸出的光束經(jīng)第一分光片分成第一反射光和第一透射光， 所述第一反射光入射至光電探測(cè)器的感光端，第一透射光入射至發(fā)射光學(xué)整形 系統(tǒng)的輸入端，經(jīng)發(fā)射光學(xué)整形系統(tǒng)的發(fā)射端發(fā)射至接收光學(xué)系統(tǒng)的接收端, 接收光學(xué)系統(tǒng)的輸出端將第一透射光傳輸?shù)降诙止馄希诙止馄瑢⒌谝?透射光分成第二透射光和第二反射光，所述第二透射光輸入至第一 ICCD成像 儀的光輸入端，第二反射光輸入至第二ICCD成像儀的光輸入端；光電探測(cè)器 的電信號(hào)輸出端與延時(shí)發(fā)生器的電信號(hào)輸入端連接，延時(shí)發(fā)生器的兩個(gè)延時(shí)信 號(hào)輸出端分別與高壓調(diào)制電源的延時(shí)信號(hào)輸入端和選通電源的延時(shí)信號(hào)輸入 端連接，所述高壓調(diào)制電源的調(diào)制信號(hào)輸出端與第一 ICCD成像儀的微通道板
4連接，選通電源的兩個(gè)電流信號(hào)輸出端分別與第一 ICCD成像儀的柵極和第二 ICCD成像儀的柵極連接，高壓直流電源的電流信號(hào)輸出端與第二 ICCD成像 儀的微通道板連接，第一 ICCD成像儀的圖像信息輸出端與控制處理器的一個(gè) 圖像信息輸入端連接，第二 ICCD成像儀的圖像信息輸出端與控制處理器的另 一個(gè)圖像信息輸入連接，控制處理器的調(diào)制信號(hào)輸出端與高壓調(diào)制電源的控制 信號(hào)輸入端連接，控制處理器的延遲信號(hào)輸出端與延時(shí)發(fā)生器的延遲信號(hào)輸入 端連接，控制處理器的光脈沖初始時(shí)間輸出端與脈沖激光器的光發(fā)射同步信息 的輸入端連接。
有益效果本發(fā)明可在極短的曝光時(shí)間內(nèi)對(duì)遠(yuǎn)距離的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)一次曝 光獲取距離像；并且瞬時(shí)功率高，對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離獲取能力強(qiáng)。本發(fā)明獲 取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度可達(dá)1000m/s以上，距離可達(dá)幾公里，并且將曝光時(shí)間由ms 級(jí)縮短到us級(jí)，比現(xiàn)有成像器的曝光時(shí)間縮短了數(shù)百倍。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是具體實(shí)施方式
六的工作時(shí)序圖，(其 中曲線按從上至下的順序依此為激光強(qiáng)度曲線、曝光時(shí)間曲線、接收機(jī)的增益 曲線)。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1說(shuō)明本具體實(shí)施方式
，指數(shù)增益調(diào)制距離成像 器，它由脈沖激光器1、第一分光片2、發(fā)射光學(xué)整形系統(tǒng)3、高壓直流電源5、 延時(shí)發(fā)生器6、光電探測(cè)器7、控制處理器8、高壓調(diào)制電源9、選通電源IO、 第一 ICCD成像儀11、第二 ICCD成像儀4、第二分光器12和接收光學(xué)系統(tǒng) 13組成，脈沖激光器1輸出的光束經(jīng)第一分光片2分成第一反射光和第一透 射光，所述第一反射光入射至光電探測(cè)器7的感光端，第一透射光入射至發(fā)射 光學(xué)整形系統(tǒng)3的輸入端，經(jīng)發(fā)射光學(xué)整形系統(tǒng)3的發(fā)射端發(fā)射至接收光學(xué)系 統(tǒng)13的接收端，接收光學(xué)系統(tǒng)13的輸出端將第一透射光傳輸?shù)降诙止馄?12上，第二分光片12將第一透射光分成第二透射光和第二反射光，所述第二 透射光輸入至第一 ICCD成像儀11的光輸入端，第二反射光輸入至第二 ICCD
5成像儀4的光輸入端；光電探測(cè)器7的電信號(hào)輸出端與延時(shí)發(fā)生器6的電信號(hào) 輸入端連接，延時(shí)發(fā)生器6的兩個(gè)延時(shí)信號(hào)輸出端分別與高壓調(diào)制電源9的延 時(shí)信號(hào)輸入端和選通電源10的延時(shí)信號(hào)輸入端連接，所述高壓調(diào)制電源9的 調(diào)制信號(hào)輸出端與第一 ICCD成像儀11的微通道板連接，選通電源10的兩個(gè) 電流信號(hào)輸出端分別與第一 ICCD成像儀11的柵極和第二 ICCD成像儀4的 柵極連接，高壓直流電源5的電流信號(hào)輸出端與第二 ICCD成像儀4的微通道 板連接，第一 ICCD成像儀11的圖像信息輸出端與控制處理器8的一個(gè)圖像 信息輸入端連接，第二 ICCD成像儀4的圖像信息輸出端與控制處理器8的另 一個(gè)圖像信息輸入連接，控制處理器8的調(diào)制信號(hào)輸出端與高壓調(diào)制電源9 的控制信號(hào)輸入端連接，控制處理器8的延遲信號(hào)輸出端與延時(shí)發(fā)生器6的延 遲信號(hào)輸入端連接，控制處理器8的光脈沖初始時(shí)間輸出端與脈沖激光器1 的光發(fā)射同步信息的輸入端連接。
工作原理本發(fā)明分為發(fā)射和接收兩大部分，發(fā)射部分主要是大功率、窄 線寬、窄脈寬的脈沖激光器，接收系統(tǒng)主要是雙ICCD結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用大功 率脈沖激光器進(jìn)行脈沖發(fā)射方式，采用指數(shù)函數(shù)對(duì)微通道板進(jìn)行增益調(diào)制。激 光器發(fā)射脈沖的同時(shí)，觸發(fā)ICCD的微通道板的增益調(diào)制，回波脈沖被接收光 學(xué)系統(tǒng)接收，再經(jīng)第二分光器12分為兩束，分別進(jìn)入兩個(gè)ICCD成像儀。光 信號(hào)到達(dá)第一 ICCD成像儀11時(shí)對(duì)應(yīng)的增益是脈沖往返時(shí)間的指數(shù)函數(shù)，獲 得的圖像中包含了兩種信息1、回波本身的強(qiáng)度信息。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)在第一ICCD 成像儀11的CCD上所成像的灰度對(duì)比有所變化。光信號(hào)到達(dá)第二 ICCD2成 像儀4時(shí)對(duì)應(yīng)的增益是常數(shù)，獲得的圖像中只包含光強(qiáng)信息通過(guò)對(duì)兩幅圖像 處理，可以將距離信息提取出來(lái)。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。兩幀圖像作比，即得到了目標(biāo)的距離像。
具體實(shí)施方式
二本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一所述的指數(shù)增益調(diào)制 距離成像器的區(qū)別在于脈沖激光器1是功率為1KW 100MW、線寬為 0.01nm 10nm、脈寬為lns 1000ns的脈沖激光器。
具體實(shí)施方式
三本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一或二所述的指數(shù)增益
調(diào)制距離成像器的區(qū)別在于，高壓直流電源5的電壓范圍是500V-1100V。
具體實(shí)施方式
四本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
三所述的指數(shù)增益調(diào)制
距離成像器的區(qū)別在于，控制處理器8采用DSP微處理器。
具體實(shí)施方式
五本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一、二或四所述的指數(shù)
增益調(diào)制距離成像器的區(qū)別在于，高壓調(diào)制電源9的電壓范圍是500V-1100V。
具體實(shí)施方式
六結(jié)合圖2說(shuō)明本具體實(shí)施方式
，本具體實(shí)施方式
使用具 體實(shí)施方式一所述的成像器再選定如下參數(shù)
本實(shí)施方式的激光器參數(shù)脈沖能量lmJ、脈寬10ns、線寬lnm;接收 系統(tǒng)參數(shù)延時(shí)1000ns、曝光時(shí)間250ns、指數(shù)調(diào)制的時(shí)間因子17ns;
根據(jù)激光雷達(dá)公式
五一接收光脈沖能量；^一目標(biāo)反射率；Z一目標(biāo)到發(fā)射機(jī)的距離；大 氣衰減系數(shù)；P(O—激光強(qiáng)度；g(O—接收機(jī)的增益； 對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞬間成像。
光信號(hào)到達(dá)第一 ICCD成像儀11時(shí)對(duì)應(yīng)的指數(shù)調(diào)制增益為
& (0 = Gm exp [(, — 2z0 ] Re ct [(/ — 2z。 /c)/r] gj)—指數(shù)調(diào)制增益；調(diào)制初始值；^一任意時(shí)刻；^一起始點(diǎn)距離；C —光速脈沖；^一時(shí)間常數(shù)；r一曝光時(shí)間； 在指數(shù)調(diào)制增益下的接收脈沖能量為
￡附=Gm exp
2(2: _ z0) ) y exp(—az)
指數(shù)增益調(diào)制下的接收脈沖能
Z—任意點(diǎn)的距離;
在常數(shù)增益下的接收脈沖能Z J
—常數(shù)增益； 根據(jù)已有參數(shù)計(jì)算出常數(shù):
Gw JV(/)exp
G、
通過(guò)得到指數(shù)增益下的接受脈沖能量值和常數(shù)增益下的接受脈沖能量值解算
目標(biāo)的距離
,& 、
2
、風(fēng)乂
本實(shí)施方式與已有裝置的曝光時(shí)間與測(cè)量距離之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所
述:
測(cè)量距離本發(fā)明的曝光時(shí)間已有裝置曝光時(shí)間
100m0.67us1.08ms
200m133 us2.23 ms
500m3.33 us4.09 ms
8
權(quán)利要求
1、指數(shù)增益調(diào)制距離成像器，其特征是它由脈沖激光器(1)、第一分光片(2)、發(fā)射光學(xué)整形系統(tǒng)(3)、高壓直流電源(5)、延時(shí)發(fā)生器(6)、光電探測(cè)器(7)、控制處理器(8)、高壓調(diào)制電源(9)、選通電源(10)、第一ICCD成像儀(11)、第二ICCD成像儀(4)、第二分光器(12)和接收光學(xué)系統(tǒng)(13)組成，脈沖激光器(1)輸出的光束經(jīng)第一分光片(2)分成第一反射光和第一透射光，所述第一反射光入射至光電探測(cè)器(7)的感光端，第一透射光入射至發(fā)射光學(xué)整形系統(tǒng)(3)的輸入端，經(jīng)發(fā)射光學(xué)整形系統(tǒng)(3)的發(fā)射端發(fā)射至接收光學(xué)系統(tǒng)(13)的接收端，接收光學(xué)系統(tǒng)(13)的輸出端將第一透射光傳輸?shù)降诙止馄?12)上，第二分光片(12)將第一透射光分成第二透射光和第二反射光，所述第二透射光輸入至第一ICCD成像儀(11)的光輸入端，第二反射光輸入至第二ICCD成像儀(4)的光輸入端；光電探測(cè)器(7)的電信號(hào)輸出端與延時(shí)發(fā)生器(6)的電信號(hào)輸入端連接，延時(shí)發(fā)生器(6)的兩個(gè)延時(shí)信號(hào)輸出端分別與高壓調(diào)制電源(9)的延時(shí)信號(hào)輸入端和選通電源(10)的延時(shí)信號(hào)輸入端連接，所述高壓調(diào)制電源(9)的調(diào)制信號(hào)輸出端與第一ICCD成像儀(11)的微通道板連接，選通電源(10)的兩個(gè)電流信號(hào)輸出端分別與第一ICCD成像儀(11)的柵極和第二ICCD成像儀(4)的柵極連接，高壓直流電源(5)的電流信號(hào)輸出端與第二ICCD成像儀(4)的微通道板連接，第一ICCD成像儀(11)的圖像信息輸出端與控制處理器(8)的一個(gè)圖像信息輸入端連接，第二ICCD成像儀(4)的圖像信息輸出端與控制處理器(8)的另一個(gè)圖像信息輸入連接，控制處理器(8)的調(diào)制信號(hào)輸出端與高壓調(diào)制電源(9)的控制信號(hào)輸入端連接，控制處理器(8)的延遲信號(hào)輸出端與延時(shí)發(fā)生器(6)的延遲信號(hào)輸入端連接，控制處理器(8)的光脈沖初始時(shí)間輸出端與脈沖激光器(1)的光發(fā)射同步信息的輸入端連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的指數(shù)增益調(diào)制距離成像器，其特征在于脈沖激 光器(l)是功率為1KW 100MW、線寬為0.01nm 10nm、脈寬為lns 1000ns 的脈沖激光器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的指數(shù)增益調(diào)制距離成像器，其特征在于高壓直流電源(5)的電壓范圍是500V-1100V。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的指數(shù)增益調(diào)制距離成像器，其特征在于控制處 理器(8)采用DSP微處理器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或4所述的指數(shù)增益調(diào)制距離成像器，其特征在 于高壓調(diào)制電源(9)的電壓范圍是500V-1100V。
全文摘要
指數(shù)增益調(diào)制距離成像器，它涉及光電成像領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有獲取高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離像的裝置瞬時(shí)功率低、需要長(zhǎng)時(shí)間曝光導(dǎo)致對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)距離獲取能力低的問題。指數(shù)增益調(diào)制距離成像器，脈沖激光器輸出的光束經(jīng)第一分光片分成第一反射光和第一透射光，第一反射光入射至光電探測(cè)器的感光端，第一透射光經(jīng)發(fā)射光學(xué)整形系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)后由第二分光片分成兩束并分別入射至第一ICCD成像儀和第二ICCD成像儀的光輸入端。高壓調(diào)制電源的調(diào)制信號(hào)輸出端與第一ICCD成像儀的微通道板連接，高壓直流電源的電流信號(hào)輸出端與第二ICCD成像儀的微通道板連接。本發(fā)明可用于遠(yuǎn)距離主動(dòng)遙感技術(shù)、目標(biāo)識(shí)別技術(shù)、機(jī)器人視覺技術(shù)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01S17/00GK101487896SQ200910071428
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2009年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日
發(fā)明者姜 何, 劉麗萍, 孫秀冬, 勇 張, 宇 張, 遠(yuǎn) 趙, 靳辰飛 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)