大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统技术方案

本发明专利技术属于光电成像技术领域，针对目前研制的条纹管成像激光雷达难以满足大视场、高精度的探测需求的问题，提供一种大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统，包括脉冲激光器、发射光学系统、延时器系统、接收光学系统、光纤传像器、条纹管探测器、CCD相机以及信号处理系统；其中条纹管探测器采用具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹管，实现了大的探测视场，提高了三个方向的距离分辨率；同时，能够在目标物运动的状态下进行成像，满足大探测范围、高精度诊断需求。高精度诊断需求。高精度诊断需求。

【技术实现步骤摘要】
大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统


[0001]本专利技术涉及一种大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统，属于光电成像


技术介绍

[0002]条纹管成像激光雷达可以提供高分辨的距离像(三维)和强度像(一维)四维图像，且其距离信息是由条纹管的时间分辨率决定的，不易受到散射等效应的影响，在军事和航天领域有非常大的需求，尤其是在目标物对比度小但存在一定的景深时。
[0003]条纹管成像激光雷达沿水平X方向的探测范围与激光雷达距离目标物的距离及激光在X方向的发散角相关；沿水平X方向的距离分辨率与条纹管狭缝方向的像元数成正相关；沿水平Y方向的探测范围与激光雷达距离目标物的距离及激光在Y方向的发散角相关；沿水平Y方向的距离分辨率与激光重频成正相关，与雷达运行速度成负相关；沿Z方向的探测距离与条纹管探测器的全屏时间成正相关；沿Z方向的距离分辨率与条纹管光电阴极扫描方向的空间分辨率及扫描方向的长度成正相关；可见，条纹管的探测面积越大，空间分辨率越高，相同精度要求下的探测视场就越大。
[0004]目前，针对条纹管成像激光雷达很难同时实现大的探测视场及高的探测精度的问题。国内外的研究工作者已进行了大量研究，尤其是对条纹管的探测面积和空间分辨率进行了提升。其中，如，英国PHOTEK公司研制的ST
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Y型条纹变像管，采用曲面光电阴极、狭缝栅极、曲面荧光屏以及浸没透镜聚焦系统结构，在扫描方向实现了50lp/mm的静态空间分辨率，但是其有效探测范围较低，为35mm
×<br/>5mm，在扫描方向的像素数为250。再如，日本滨松公司研制的N3831条纹变像管，虽然在狭缝方向实现了高于35lp/mm的静态空间分辨率，但其光电阴极有效探测面积较小，为25mm
×
15mm，在狭缝方向的像素数为875；再如，中国西安光学精密机械研究所研制的长狭缝条纹变像管，采用球面狭缝栅极与浸没透镜聚焦系统结构，在有效探测范围30mm
×
5mm内，在扫描方向实现了高于40lp/mm的静态空间分辨率，但是，其狭缝方向的静态空间分辨率较低，为25lp/mm，在狭缝方向及扫描方向的像素数分别为750和200。由于传统的条纹管几乎都采用浸没透镜，各电极协同调节聚焦能力较弱，其探测面积较小，空间分辨率较低。
[0005]综上所述，目前研制的条纹管成像激光雷达很难同时实现大的探测视场及高的探测精度，难以满足激光雷达领域大视场、高精度的探测需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对目前研制的条纹管成像激光雷达难以满足大视场、高精度的探测需求的问题，提供一种采用单透镜聚焦系统的大探测面积条纹相机的大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统，可同时实现大探测视场和高精度，满足大视场、高精度探测需求。
[0007]本专利技术的技术方案是提供一种大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测
系统，其特殊之处在于：包括脉冲激光器、发射光学系统、延时器系统、接收光学系统、光纤传像器、条纹管探测器、CCD相机以及信号处理系统；
[0008]脉冲激光器用于发射所需波长的光脉冲；
[0009]发射光学系统用于将光脉冲在横向(X方向)扩束并在扫描方向(Y方向)压缩，之后辐照至目标表面；
[0010]延时器系统用于同步脉冲激光器、条纹管探测器及CCD相机同时工作，并且控制选通门宽度和延迟时间；
[0011]接收光学系统用于接收经过目标表面反射的回波信号；
[0012]光纤传像器用于将回波信号变比聚焦至条纹管探测器；
[0013]条纹管探测器用于将携带高速时间信息的回波信号转化为低速空间信息，输出条纹像；
[0014]CCD相机用于采集条纹管探测器输出的条纹像；
[0015]信号处理系统用于将CCD相机采集到的图像进行还原重构，给出目标物的三维距离信息和一维强度信息；
[0016]其中，条纹管探测器为具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹管，包括光电阴极、聚焦系统、扫描偏转系统、阳极和荧光屏；光电阴极用于将光纤传像器变比聚焦后的回波信号转换为电子图像；聚焦系统用于聚焦光电阴极发射的电子图像；扫描偏转系统用于将电子图像的时间信息转换为空间信息；阳极用于对电子加速；荧光屏用于将阳极输出的电子图像转化为可见光学图像；
[0017]光电阴极为球面光电阴极；条纹管探测器还包括设置在球面光电阴极后端部的圆筒状电磁聚焦环，圆筒状电磁聚焦环的外半径等于球面光电阴极的最大外半径；
[0018]聚焦系统为单透镜聚焦系统，包括沿电子传播方向依次排布的第一聚焦电极，第二聚焦电极和第三聚焦电极，第一聚焦电极，第二聚焦电极和第三聚焦电极均为圆筒状电极，且内半径、外半径及轴向长度均相等；
[0019]阳极为锥形筒结构，小端为电子入口，在电子入口处设置有阳极孔；
[0020]荧光屏为球面荧光屏，且球面荧光屏的曲率半径等于阳极电子出口处锥形筒的半径；
[0021]光电阴极、第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极之间依次通过陶瓷环连接；
[0022]阳极嵌入聚焦系统内，阳极孔位于第二聚焦电极的电子出口处；第三聚焦电极与阳极之间通过陶瓷环连接；
[0023]偏转系统嵌入阳极内，偏转系统的电子入口靠近阳极孔，荧光屏与阳极的电子出口处连接。
[0024]进一步地，第一聚焦电极与第三聚焦电极的电势差为0V，第一聚焦电极与第二聚焦电极的电势差为3200V～4000V；光电阴极与第一聚焦电极的电势差为150V～250V；第三聚焦电极与阳极的电势差为14750V～14850V。
[0025]进一步地，脉冲激光器为Nd:YAG固体脉冲激光器，输出光脉冲波长为532nm；发射光学系统包括沿光路依次放置的第一望远镜和整形系统，整形系统为扩束整形系统或压缩整形系统；延时器系统为延迟触发电路；接收光学系统包括沿光路依次设置的第二望远镜
和物镜；光纤传像器为光纤面板或变比光锥。
[0026]进一步地，第一望远镜为折反射式望远镜；整形系统为扩束整形系统。
[0027]进一步地，变比光锥的出光端口尺寸为Φ50mm，进光端口尺寸与接收光学系统出射的光脉冲尺寸相同。
[0028]进一步地，CCD相机为帧频大于100Hz的高帧频CCD。
[0029]进一步地，偏转系统包括两个上下对称放置的平折板，平折板包括平行板与梯形倾斜板，平行板采用长方体结构，梯形倾斜板采用梯形结构。
[0030]进一步地，条纹管探测器还包括位于扫描偏转系统后端、阳极内部的MCP；
[0031]或，条纹管探测器还包括球形结构光纤面板与像增强器，球形结构光纤面板位于荧光屏的后端，并与荧光屏同心，像增强器位于球形结构光纤面板后端。
[0032]进一步地，光电阴极的曲率半径为58mm～62mm，球冠高度为11mm～13mm，圆筒状电磁聚焦环沿光轴长度方向的尺寸为4mm～6mm；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统，其特征在于：包括脉冲激光器(1)、发射光学系统(2)、延时器系统(3)、接收光学系统(4)、光纤传像器(5)、条纹管探测器(6)、CCD相机(7)以及信号处理系统(8)；脉冲激光器(1)用于发射所需波长的光脉冲；发射光学系统(2)用于将光脉冲在X方向扩束并在Y方向压缩，之后辐照至目标表面；延时器系统(3)用于同步脉冲激光器(1)、条纹管探测器(6)及CCD相机(7)同时工作，并且控制选通门宽度和延迟时间；接收光学系统(4)用于接收经过目标表面反射的回波信号；光纤传像器(5)用于将回波信号变比聚焦至条纹管探测器(6)；条纹管探测器(6)用于将携带高速时间信息的回波信号转化为低速空间信息，输出条纹像；CCD相机(7)用于采集条纹管探测器(6)输出的条纹像；信号处理系统(8)用于将CCD相机(7)采集到的图像进行还原重构，给出目标物的三维距离信息和一维强度信息；其中，条纹管探测器(6)为具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹管，包括光电阴极(61)、聚焦系统(62)、扫描偏转系统(63)、阳极(64)和荧光屏(65)；光电阴极(61)用于将光纤传像器(5)变比聚焦后的回波信号转换为电子图像；聚焦系统(62)用于聚焦光电阴极(61)发射的电子图像；扫描偏转系统(63)用于将电子图像的时间信息转换为空间信息；阳极(64)用于对电子加速；荧光屏(65)用于将阳极(64)输出的电子图像转化为可见光学图像；光电阴极(61)为球面光电阴极；条纹管探测器(6)还包括设置在球面光电阴极后端部的圆筒状电磁聚焦环(611)，圆筒状电磁聚焦环(611)的外半径等于球面光电阴极的最大外半径；聚焦系统(62)为单透镜聚焦系统，包括沿电子传播方向依次排布的第一聚焦电极(621)，第二聚焦电极(622)和第三聚焦电极(623)，第一聚焦电极(621)，第二聚焦电极(622)和第三聚焦电极(623)均为圆筒状电极，且内半径、外半径及轴向长度均相等；阳极(64)为锥形筒结构，小端为电子入口，在电子入口处设置有阳极孔(641)；荧光屏(65)为球面荧光屏，且球面荧光屏的曲率半径等于阳极(64)电子出口处锥形筒的半径；光电阴极(61)、第一聚焦电极(621)、第二聚焦电极(622)和第三聚焦电极(623)之间依次通过陶瓷环连接；阳极(64)嵌入聚焦系统(62)内，阳极孔(641)位于第二聚焦电极(622)的电子出口处；第三聚焦电极(623)与阳极(64)之间通过陶瓷环连接；偏转系统(63)嵌入阳极(64)内，偏转系统(63)的电子入口靠近阳极孔(641)，荧光屏(65)与阳极(64)的电子出口处连接。2.根据权利要求1所述的大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统，其特征在于：第一聚焦电极(621)与第三聚焦电极(623)的电势差为0V，第一聚焦电极(621)与第二聚焦电极(622)的电势差为3200V～4000V；光电阴极(61)与第一聚焦电极(621)的电势差为150V～250V；第三聚焦电极(623)与阳极(64)的电势差为14750V～14850V。
3.根据权利要求1或2所述的大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统，其特征在于：脉冲激光器(1)为Nd:YAG固体脉冲激光器，输出光脉冲波长为532nm；发射光学系统(2)包括沿光路依次放置的第一望远镜(21)和整形系统(22)，整形系统(22)为扩束整形系统或压缩整形系统；延时器系统(3)为延迟触发电路；接收光学系统(4)包括沿光路依次设置的第二望远镜(41...

【专利技术属性】
技术研发人员：田丽萍，沈令斌，田进寿，李立立，王俊锋，李少辉，陈萍，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：