一种具有测距功能的被动成像系统及其测距方法技术方案

本发明专利技术公开了一种具有测距功能的被动成像系统及其测距方法，该系统包括：高频低能量脉冲激光发射装置，用于发射高频低能量激光脉冲，并扩束整形以达到远距离；光电二极管阵列探测器成像装置，用于接收由目标反射回的激光光斑及背景图像，并通过调整积分时间来获取距离值；视频放大及模数转换装置，用于将光电二极管阵列探测器成像装置的光生电荷转换为电压，并经过模数转换器将模拟图像数字化；数字图像处理与时序发生的数字处理装置，用于对视频放大及模数转换装置输入的数字图像进行预处理及目标提取。本发明专利技术实现了高性能被动成像和测距功能的结合。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，该系统包括：高频低能量脉冲激光发射装置，用于发射高频低能量激光脉冲，并扩束整形以达到远距离；光电二极管阵列探测器成像装置，用于接收由目标反射回的激光光斑及背景图像，并通过调整积分时间来获取距离值；视频放大及模数转换装置，用于将光电二极管阵列探测器成像装置的光生电荷转换为电压，并经过模数转换器将模拟图像数字化；数字图像处理与时序发生的数字处理装置，用于对视频放大及模数转换装置输入的数字图像进行预处理及目标提取。本专利技术实现了高性能被动成像和测距功能的结合。【专利说明】
本专利技术属于激光成像与测距
，尤其是。
技术介绍
用于测距的积分电容，晶体管资源，可以实现很短的积分时间窗(lOns-ΙΟμ S)，实现门控功能对接收信号积分。当前市场上的激光测距仪均为非成像测距仪，采用发散角很小的激光束照射到目标上形成激光测量点，利用点探测器接收来自测量点的反射或散射的激光信号，通过反演获取目标距离。由于激光照射到目标上时形成的激光点尺寸很小，从而导致寻的困难，即对远距离目标测距时激光束很难瞄准目标，特别是小目标。为解决此问题，激光测距仪被辅以瞄准望远镜，观察者可以通过望远镜寻找被测目标。但是，望远镜式测距仪仅在环境照度适宜的情况下才可有效寻的，当在夜间等低照度情况下则无法有效寻的，且当环境照度较高或者激光波长为人眼不可见时，人眼很难发现目标上的激光测量点，为此通常对瞄准望远镜和激光测距仪进行校准和标定，通过瞄准望远镜上的十字刻线来选取测量点，但这会导致望远镜测距仪对冲击很敏感。此外，莱卡地球系统开发股份有限公司专利技术了一种具有瞄准装置的测距仪(专利技术专利号ZL02814430.9)。该测距仪采用可见光光束照射目标，在目标上形成测量点，借助瞄准装置观察测量点以保障光学接收系统有效接收来自目标的信号实现目标测距。但是对低照度环境下目标测距时，该测距仪的瞄准装置仍无法有效寻的。针对低照度环境下寻的问题，北京航空航天大学专利技术了一种手持昼夜激光成像测距仪(专利技术专利申请号:201010293433.2)，包括激光成像分系统和激光测距分系统，其中，激光成像分系统实现低照度环境下目标的有效探测，激光测距分系统则实现目标测距。该激光成像测距仪主要是采用激光成像分系统替代瞄准望远镜，仍以十字刻线来瞄准目标，因此，本质上与传统的望远镜式激光测距仪相同，仍然对冲击敏感，且激光束难以对远距离小目标形成有效测量点。综上所述，目前激光测距仪的激光束发散角很小，在测距时，目标上的激光测量点比较小，因而，对于远距离目标，尤其是小目标测距时，存在寻的困难的问题。本专利技术主要针对前述的激光成像分系统和激光测距分系统，具体图示见附图2，要解决目前影响其中激光测距是基于飞行时间(TOF)原理，而影响测距范围的主要因素如下:1.系统接收视场较大，会引入较多的背景噪声，导致信噪比SNR降低，从而影响测量距离范围；2.光电倍增管也会引入较大的噪声，影响测距；3.为测量远距离目标，采用高能量低频率的脉冲激光器，其体积笨重且成本高；4.若测距与被动成像使用同一接收光学系统，因此测距系统接收面积会受限制。因此，迫切需要有一种具有测距和被动成像两种功能的光电系统，在测距和被动成像两个方面都能很好解决上述提到的问题，比如测距范围变小、SNR降低，响应时间长等。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供，以很好地解决现有的激光成像分系统和激光测距分系统在测距和被动成像两个方面的问题。(二)技术方案为达到上述目的的一个方面，本专利技术提供了一种具有测距功能的被动成像系统，该系统包括高频低能量脉冲激光发射装置、光电二极管阵列探测器成像装置、视频放大及模数转换装置和数字图像处理与时序发生的数字处理装置，其中:高频低能量脉冲激光发射装置，用于发射高频低能量激光脉冲，并扩束整形以达到远距离；光电二极管阵列探测器成像装置，用于接收由目标反射回的激光光斑及背景图像，并通过调整积分时间来获取距离值；视频放大及模数转换装置，用于将光电二极管阵列探测器成像装置的光生电荷转换为电压，并经过模数转换器将模拟图像数字化；数字图像处理与时序发生的数字处理装置，用于对视频放大及模数转换装置输入的数字图像进行预处理及目标提取。上述方案中，该高频低能量脉冲激光发射装置包括脉冲激光器104和激光发射光学系统1041，其中:脉冲激光器104用于产生高频低能量激光脉冲；激光发射光学系统1041用于改善激光的准直度以得到理想的远距离测量效果。上述方案中，该光电二极管阵列探测器成像装置包括光电二极管阵列探测器102和成像光学系统101 ;其中:光电二极管阵列探测器102用于将微弱光信号转换为电信号，进而得到图像以及相应目标的距离值；成像光学系统101用于接收微弱光信号并汇聚至探测器表面，增大探测器的有效接收面积。上述方案中，该光电二极管阵列探测器102包括行地址选择电路1025、列地址选择电路1026、地址数据复用器1024、读出控制单元1027、APD 二极管单元1021、门控积分器1022和Q / V电荷电压转换电路1023，其中:行地址选择电路1025用于选择二极管阵列探测器的行数，列地址选择电路1026用于选择二极管阵列探测器的列数，二者结合选定阵列探测器中的某个探测器单元；地址数据复用器1024用于分时实现地址总线和数据总线的功能；读出控制单元1027用于读出阵列及子阵列探测器信号的控制电路；APD 二极管单元1021用于接收微弱光转为电信号；门控积分器1022用于调整积分时间；Q / V电荷电压转换电路1023用于将二极管的光生电荷转换为电压。上述方案中，该视频放大及模数转换装置111用于对视频模拟信号实现视频放大及AD转换，最后将模拟图像数字化，并将得到的数字图像输出给数字图像处理与时序发生的数字处理装置108。上述方案中，该数字图像处理与时序发生的数字处理装置108包括用于常规图像处理的光斑探测处理单元110、距离监测单元109和时钟发生器103，其中:光斑探测处理单元110用于接收探测图像，并与给定阈值比较，以确定目标反射信号是否存在；距离监测单元109用来根据获取图像判断目标有无进而控制时钟发生器103产生粗定位与精定位的积分窗偏移信号，包括偏移信号OfT或OfTf ;时钟发生器103，用来提供距离监测单元109的控制信号及成像单元的控制信号，并根据目标有无来调整探测器的门控积分时间。上述方案中，该时钟发生器103提供的距离监测单元109的控制信号及成像单元的控制信号包括:高频低能量的脉冲激光器104发射脉冲的起始信号，光电二极管1021与积分器1022的连接有无信号，其中光电二极管1021与积分器1022的连接有无信号用于实现积分，产生门控功能。为达到上述目的的另一个方面，本专利技术提供了一种基于所述的具有测距功能的被动成像系统的测距方法，该测距方法包括粗定位与精定位两个步骤，是先粗定位后精定位，具体包括:其一，粗定位阶段，由目标反射回的光脉冲经过光电二极管转换为相应的电荷，并通过积分器积分，在预定时间值为F，从发射脉冲到开始积分的偏移值off，的时间窗，其中，off〈l / f及F〈1 / f;将积分信号与第一个预定阈值比较，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孔庆善，崔伟，王新伟，周燕，刘育梁，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：