一种激光照明距离选通成像装置.pdf

本发明涉及一种激光照明距离选通成像装置，属于激光成像技术领域，包括激光器、近红外相机、同步控制单元、接收望远镜、图像信号处理器、中央处理单元、图像显示器及同步控制单元；所述的激光器为输出人眼安全激光的、输出波长为1.5μm～1.6μm的激光器；所述同步控制单元包括光电二极管、计时单元、距离选通快门。其主要特点是：峰值功率高、对人眼相对安全、转换效率高、灵敏度高。

1、  一种激光照明距离选通成像装置，其特征在于：包括激光器(1)、近红外相机(5)、同步控制单元(4)、接收望远镜(6)、图像信号处理器(7)、中央处理单元(8)、图像显示器(9)；所述激光器(1)为脉冲人眼安全激光器，其输出波长为1.5μm～1.6μm；所述同步控制单元包括光电二极管(18)、计时单元(19)、距离选通快门(20)。

2、  根据权利要求1所述的激光照明距离选通成像装置，其特征在于：所述的激光器(1)为脉冲固体激光器。

3、  根据权利要求1或2所述的激光照明距离选通成像装置，其特征在于：所述的激光器(1)输出波长为1.57μm。

4、  根据权利要求1或2所述的激光照明距离选通成像装置，其特征在于：所述的激光器(1)为输出波长为1.54μm。

5、  根据权利要求1或2所述的激光照明距离选通成像装置，其特征在于：所述激光器(1)有一个谐振腔；该谐振腔所包括的构件按光的进入顺序依次为：全反镜(10)、电光晶体(11)、1/4波片(12)、偏振片(13)、Ce:Nd:YAG激光棒(14)、OPO输入镜(15)、KTP晶体(16)、OPO输出镜(17)；其中全反镜(10)、OPO输出镜(17)组成1064nm激光谐振腔；OPO输入镜(15)、OPO输出镜(17)组成1570nm激光谐振腔。

6、  根据权利要求5所述的激光照明距离选通成像装置，其特征在于：所述激光器(1)是电光调Q激光器，或被动调Q激光器。

7、  根据权利要求5所述的激光照明距离选通成像装置，其特征在于：所述OPO输入镜(15)和OPO输出镜(17)的膜层镀在KTP晶体(16)两端面上。

8、  根据权利要求1所述的激光照明距离选通成像装置，其特征在于：所述计时单元计时精度为±2ns。

9、  根据权利要求1所述的激光照明距离选通成像装置，其特征在于：所述近红外相机(5)采用InGaAs近红外EBCCD、EBCMOS相机，或HgCdTe近红外相机。

一种激光照明距离选通成像装置
技术领域
本发明涉及一种激光照明距离选通成像装置，属于激光成像技术领域，适用于需要消除大气后向散射，在低照度、背景复杂条件下获取目标图像信息的条件下使用，特别广泛用于光电侦察、监视、跟踪等设备中。
背景技术
目标的图像信息是侦察、监视、跟踪类设备需要获取的重要信息之一。现有技术中有两类获取这一重要信息的装置：
一类是CCD相机、红外热像仪。它是通过探测目标的可见光、红外线辐射获取目标的图像信息，作用距离远，被动探测，因此，隐蔽性好，已经成功的应用到各种光电设备中。但是，CCD相机的主要不足是：在环境照度低、能见度差的情况下，作用距离有限；红外热相仪的主要不足是：当目标与背景的温差较小时，其分辨率和作用距离都急剧下降；另外，当目标隐藏于伪装网、烟幕、树林等目标后，CCD相机、红外热像仪部无法获取目标的图像信息。
还有一类是激光主动照明成像装置。它可以提高成像系统在环境照度低、能见度差等情况下的作用距离和成像清晰度。现有激光主动照明成像装置多采用800nm-900nm波段半导体激光器作为照明光源，采用普通近红外CCD相机成像，其主要不足是：①人眼无法直接看到800nm-900nm波段的光，该波段的激光照射到人眼后，晶状体对其吸收较少，大部分聚焦到视网膜上，容易造成不可恢复的伤害，甚至失明；②普通近红外CCD相机的灵敏度较低，作用距离有限；③当激光器的发射功率较大时，后向散射比较严重。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有激光主动照明成像装置存在的不足，提供一种激光照明距离选通成像装置，采用脉冲1.5μm～1.6μm窄脉冲人眼安全激光对目标进行照明，增加目标与背景的对比度；采用距离选通技术获取目标的图像信息，提高系统的作用距离。
本发明的技术方案是：一种激光照明距离选通成像装置，包括激光器、近红外相机、同步控制单元、接收望远镜、图像信号处理器、中央处理单元、图像显示器；所述激光器为脉冲人眼安全激光器，其输出波长为1.5μm～1.6μm；所述同步控制单元包括光电二极管、计时单元、距离选通快门。
所述的激光器为脉冲固体激光器。
所述的激光器输出波长为1.57μm。
所述的激光器为输出波长为1.54μm。
所述激光器有一个谐振腔；该谐振腔所包括的构件按光的进入顺序依次为：全反镜、电光晶体、1/4波片、偏振片(13)、Ce:Nd:YAG激光棒、OPO输入镜、KTP晶体、OPO输出镜；其中全反镜、OPO输出镜组成1064nm激光谐振腔；OPO输入镜、OPO输出镜组成1570nm激光谐振腔。
所述激光器是电光调Q激光器，或被动调Q激光器。
所述OPO输入镜和OPO输出镜的膜层镀在KTP晶体两端面上。
所述计时单元计时精度为±2ns。
所述近红外相机采用InGaAs近红外EBCCD、EBCMOS相机，或HgCdTe近红外相机。
本发明人眼安全激光照明距离选通成像装置的工作原理如下：
人眼安全激光照明距离选通成像装置的激光发射单元首先向目标发射一个激光脉冲，通过测距单元获得目标的距离信息，调整同步控制单元的距离预置；然后激光发射单元再对目标发射一个激光脉冲，对目标实施照明，此时关闭探测成像单元的选通门，同时同步控制单元中的高精度计数器开始记数，经过预置时间后，开启选通门，从目标反射回来的光能量经接收望远镜收集进入探测成像单元，经图像信号处理，最大限度的抑制因激光时间相干性而产生的散斑，并对大气扰动进行补偿，进而交由综合显示控制单元叠加距离、角度等信息后显示图像。
本发明的人眼安全激光照明距离选通成像装置具有以下优点：
(1)采用人眼安全固体激光器作为照明光源，对人眼相对安全；
(2)使用窄脉冲人眼安全激光主动照明增加了目标与背景的对比度，作用距离远；
(3)在相同的口径下，与中波、长波红外热像仪相比分辨率更高；
(4)相机的积分时间仅有几十纳秒，对安装平台的稳定性要求不高；
(5)具有一定的穿透能力，采用距离选通技术可以消除大气后向散射的影响，可以获取隐藏于伪装网、烟幕后目标的图像信息，即可以探测隐藏于植被、伪装网中的目标；
(6)可以在低照度的情况下工作，受背景辐射的影响小；
(7)抗电磁干扰能力强；
附图说明
图1是本发明装置原理框图；
图2是本发明装置距离选通同步控制单元工作时序图；
图3是本发明装置激光器谐振腔结构示意图；
图4是本发明装置距离选通同步控制单元原理框图。
图中：
1-激光器，2-偏振分光棱镜，3-目标，4-同步控制单元，5-InGaAs相机，6-接收望远镜，7-图像信号处理，8-中央处理单元，9-图像显示，10-全反镜，11-KD*P电光晶体，12-1/4波片，13-偏振片，14-Ce:Nd:YAG激光棒，15-OPO输入镜，16-KTP晶体，17-OPO输出镜，18-光电二极管，19-计时单元，20-距离选通快门。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下：
实施例1：
如图1、图3、图4所示，一种激光照明距离选通成像装置，它由激光器1、近红外相机5、同步控制单元4、接收望远镜6、图像信号处理器7、中央处理单元8及图像显示器9组成；所述激光器1为脉冲人眼安全激光器，其输出波长为1.5μm～1.6μm，本实施例波长为1.57μm；所述同步控制单元由光电二极管18、计时单元19、距离选通快门20组成。激光器1为脉冲固体激光器。所述激光器1有一个谐振腔；该谐振腔所包括的构件按光的进入顺序依次为：全反镜10、电光晶体11、1/4波片12、偏振片13、Ce:Nd:YAG激光棒14、OPO输入镜15、KTP晶体16、OPO输出镜17；其中全反镜10、OPO输出镜17组成1064nm激光谐振腔；OPO输入镜15、OPO输出镜17组成1570nm激光谐振腔。激光器1是电光调Q激光器。为了进一步减小激光器的体积、重量，所述OPO输入镜15和OPO输出镜17的膜层镀在KTP晶体16两端面上。所述同步控制单元的计时单元计时精度为±2ns。所述近红外相机5采用InGaAs近红外EBCCD、EBCMOS相机。
以下结合原理进一步说明本发明结构和技术效果：
如图1所示：人眼安全激光器1将激光电源提供的注入能量转化为人眼安全脉冲激光，并将其耦合进入发射光学系统射向目标3，由目标反射回来的激光经接收望远系统6聚焦到InGaAs相机5上，从相机5输出的图像信号经图像信号处理7送给中央处理单元，最后在图像显示9显示出来。
激光距离选通可以分为四个阶段：
1激光器发射脉冲激光，激光脉冲向目标方向传输。这时接收器的选通门是关闭的；
2当激光脉冲处于往返途中时，会受到大气吸收、散射、后向散射和背景辐射等影响，尤其是强烈的后向散射光往往会将有用的信号淹没，使接收器饱和而无法接收有用的光信号，这时摄像机的选通门是关闭的，这样就挡住了大气中悬浮微粒引起的后向散射光；
3当反射光到达摄像机时，选通门开启，让来自目标的反射光进入摄像机，选通门开启持续时间与激光脉冲相当。
4接收到从目标反射回来的激光脉冲信号后，再将选通门关闭，使背景辐射等其他的干扰光不能进入接收器，这样形成的目标图像主要与距离选通时间内的反射光有关。如果选通脉冲宽度和激光脉冲宽度都很窄，使接收器只能探测目标附近的反射光，这样大大提高了回波信号的信噪比。
图2所示为距离选通同步控制单元工作波形。其中波形A为激光脉冲照明输出，由激光器确定波形；波形B为激光向目标传输过程中产生的后向散射，成像时通过相机的开关门来消除后向散射；波形C为激光脉冲由目标返回到接收器上的反射辐射，当脉冲到达接收器时，相机的快门开启；波形D为接收器的选通脉冲，τ为延迟脉冲发生器的延迟时间，t_w为接收器的选通脉冲宽度。
距离选通同步控制技术主要是使激光器和摄像机同步，提供选通脉冲宽度和延迟时间选择。同步控制单元主要由使快门开启与激光照射同步的定时电路组成，定时时间取决于激光脉冲传输到目标上再反射到接收器所需要的时间。图2以目标位于1200m为例，给出了对目标进行观察时理想距离选通成像的时序关系图。
由于激光脉冲在1200m距离上来回传输的时间是8us，所以选通脉冲应在照明脉冲前沿后延迟8us。图中，波形A为激光脉冲照明输出，波形B为脉冲激光向目标传输过程中产生的后向散射，波形C为激光脉冲由目标返回到接收器上的反射辐射，波形D为接收器的选通脉冲，τ为延迟脉冲发生器的延迟时间，t_w为接收器的选通脉冲宽度。
实施例2：
与上述实施例1不同的是：激光器1为直接输出人眼安全激光的铒玻璃激光器，输出波长为1.54μm，是破动调Q激光器；近红外相机5采用HgCdTe近红外相机。
激光器输出波长为1.6μm则又是一个实施例。