CN206863223U - 一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置,其特征在于:所述装置由脉冲激光器1、扫描振镜2、反射镜3、发射窗口4、汇聚透镜5、镜筒6、探测器7、探测信号放大电路8、数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11和扫描振镜壳体12组成;本实用新型利用扫描振镜对物体进行扫描,扫描速度快、扫描盲区小,脉冲激光器只在需要的时刻发射脉冲,且图像分辨率可根据要求调整,有效地降低了采集的目标数据。本实用新型结构简单,激光发射和接收***光学零件较少,激光发射器利用两片反射镜,汇聚透镜利用1片透镜,扫描振镜壳体的玻璃窗口、汇聚透镜和发射窗口均镀红外增透膜,其光学透过率可达99%以上,成本低,可靠性高,可取代传统的体积和质量较大的机械扫描机构,推广应用范围广。
Description
技术领域
本实用新型属于红外激光成像技术领域,涉及一种基于变频发射的脉冲红外激光成像装置,特别涉及一种变频发射脉冲激光器,利用微型振镜对激光束进行扫描,同时测量目标距离,从而实现对目标的激光成像。
背景技术
现有的光学成像方式主要包括可见光成像、红外成像和激光成像三种方式。可见光和红外成像方式图像的分辨率较高,成像速度快,但是可见光成像方式只能在白天使用,而且和红外成像方式一样,受云雾的影响较大,云雾可降低红外和可见光探测器的作用距离,影响对目标的成像和识别。另外,可见光和红外成像抗地物背景的能力较差,也不能提供目标的距离参数。可见光和红外成像方式都是被动成像方式。激光成像是主动成像方式,相较于被动方式来说,其穿透烟雾的能力更强,也容易获得较大的输出能量,而且激光输出的高频率激光束对地物背景具有很强的抗干扰能力,因此激光成像方式在穿透烟雾和抗背景干扰方面具有很大的优势。但是现有的激光成像装置一般采用机械扫描成像方式,通过驱动电机带动机械扫描机构对目标进行逐行扫描,其缺点是扫描速度慢,扫描机构体积大,重量较重。近年来出现的非扫描激光成像装置由于技术复杂,价格昂贵,其应用受到很大制约。例如美国Velodyne Lidar公司研制了一种激光雷达“PUCK LITE”,重量为590克,是世界上最轻的激光传感器,但是,由于该激光传感器采用16通道的接收和发射,激光发射和接收的控制也比较复杂,而且传感器成本较高。专利号为201510453995.1,提出一种双联动MOEMS型仿人眼扫描激光成像***,其扫描方式是按照由内向外环选的方式扫描,整个视场得到的图像信息即为目标的极坐标转换形式,该方法的特点是得到的图像是对数极坐标图像,扫描轨迹为环形扫描轨迹。其扫描方式采用由内向外环选的方式扫描,对各环的控制比较复杂,而且其光路采用5个透镜,降低了光学***的透过率。
发明内容
针对上述现有技术不足,本实用新型提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置。激光器通过采取变频脉冲发射时序从而获得目标的均匀扫描点,将扫描轨迹转换为直角坐标成像,而且图像分辨率可根据要求调整,有效地降低采集的目标数据,从而实现对目标的精准成像。
由于扫描图像是非线性的,扫描区域中扫描速度是不断变化的,扫描区域的边缘速率相较于扫描区域中心位置速率较慢,扫描速率的快慢可能会造成扫描点不均匀,由此扫描图像中可能会丢失图像点,从而造成扫描图像不清晰或变形。为获得清晰均匀的目标图像,就必须获得均匀的扫描点。本实用新型利用两维扫描振镜,将扫描振镜置于两个摆动轴的中心位置,采用静电驱动方式,采取变频脉冲发射时序获得目标的均匀扫描点,当激光束入射到扫描振镜上时,通过控制扫描振镜的摆动,反射激光束并对光束进行扫描,实现在俯仰和方位两个方向对目标的快速扫描;目标反射回来的激光束,经过光学***汇聚到探测器上,转换为含有目标信息的电信号,根据激光发射和接收的脉冲信号得到目标的距离信息,并与扫描镜输出的俯仰和方位角度合成,可生成包含目标信息的三维图像。
本实用新型提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置,其特征在于:所述装置由脉冲激光器1、扫描振镜2、反射镜3、发射窗口4、汇聚透镜5、镜筒6、探测器7、探测信号放大板8、数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11和扫描振镜壳体12组成;所述扫描振镜壳体12顶部为玻璃窗口;所述数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11通电后,所述激光器驱动信号板10将产生的驱动信号送给脉冲激光器1,脉冲激光器1根据触发信号发出红外激光脉冲;所述脉冲激光器1将产生的脉冲信号发射到反射镜3;所述反射镜3将光束直接反射到扫描振镜2,扫描振镜2对目标持续不断地扫描;所述扫描振镜驱动板11通电发出正弦频率信号,驱动扫描振镜2在俯仰和方位摆动扫描;所述镜筒6的顶部胶接汇聚透镜5,底部通过螺纹连接探测器7;扫描振镜2将反射的光束经过发射窗口4照射到目标上,目标的反射回波经过汇聚透镜5汇聚到探测器7上,探测器7将汇聚透镜5接收到的光信号转换为电信号,再经过探测信号放大板8将信号放大后传输到数字信号处理板9,对目标反射的回波信号进行存储、选择、平滑滤波,得到含有目标位置信息的坐标点;同时数字信号处理板9对发射和接收激光的时间延迟进行计算,得到激光发出位置到照射到目标点的距离值。数字信号处理板9将目标位置坐标点和距离值合成输出目标的三维图像。
本实用新型进一步提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置,其特征在于:所述扫描振镜2在方位和俯仰方向以正弦规律做两维摆动,得到的坐标点如下:
其中ρ1和ρ2是分别为扫描振镜在方位和俯仰方向扫描的幅度,f1和f2分别为扫描振镜x轴和y轴的频率,θ1和θ2是分别为扫描振镜x轴和y轴扫描的初始相位,在不同的时刻ti,可以得到该点的坐标值x(i)和y(i)。坐标点和时间的关系是非线性的。
本实用新型进一步提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置,其特征在于:所述汇聚透镜5直径为15-25mm;所述汇聚透镜5、扫描振镜壳体12顶部的玻璃窗口和发射窗口4镀红外增透膜。
本实用新型提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置,其特征在于:所述“激光发出位置到照射到目标点的距离值”为:
d=c×Δt/2 (2)
其中,c为常数,代表光速,Δt为激光发射脉冲和接收脉冲的时间差。
有益效果:
1、本实用新型中的脉冲激光器,只在需要的时刻发射脉冲,将扫描轨迹转换为直角坐标成像,而且图像分辨率可根据要求调整,有效地降低了采集的目标数据。
2、本实用新型利用扫描振镜对物体进行扫描,扫描速度快、扫描盲区小,可靠性高,成像装置的运动部件只有扫描振镜,体积小,重量轻。
3、本实用新型***集成度高,结构简单,激光发射和接收***光学零件较少,激光发射器利用两片反射镜,汇聚透镜利用1片透镜,扫描振镜壳体的玻璃窗口、汇聚透镜和发射窗口均镀红外增透膜,相近于其他现有激光成像装置,其光学透过率可达99%以上,同时还可取代传统的体积和质量较大的机械扫描机构,并显著降低成本。
附图说明
图1扫描振镜扫描红外激光成像装置结构图
图2扫描振镜扫描红外激光成像装置结构图俯视图
图3红外激光在二维扫描振镜上的扫描轨迹图
图4等间距输入TTL电平信号
图5等间距输出激光脉冲信号
图6等间距输入TTL电平信号激光的扫描点图
图7不等间距输入TTL电平信号
图8不等间距输出激光脉冲信号
图9不等间距输入TTL电平信号激光的扫描点图
图10激光发射和接收时间延迟示意图
图11扫描振镜驱动信号波形及频率
图12探测信号放大板电路图
其中:脉冲激光器1、扫描振镜2、反射镜3、发射窗口4、汇聚透镜5、镜筒6、探测器7、探测信号放大板8、数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11组成;所述数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11、扫描振镜壳体12
具体实施方式
下面对本实用新型做进一步详细说明,其中:脉冲激光器采用高重频脉冲激光器,扫描振镜以二维扫描振镜为例、数字信号处理板以TMS320TM642芯片为例,探测器采用APD探测器、汇聚透镜5直径为20mm。
本实用新型提供一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置,其特征在于:所述装置由脉冲激光器1、扫描振镜2、反射镜3、发射窗口4、汇聚透镜5、镜筒6、探测器7、探测信号放大板8、数字信号处理板9、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11和扫描振镜壳体12组成。本实用新型采用直流供电方式,如图1和图2所示,为本实用新型提供的结构示意图。
图1中:脉冲红外激光器1,根据输入的驱动信号,按一定规律和时序发射激光脉冲;扫描振镜2可在方位和俯仰两个方向实现摆动,振镜窗口采用透红外的玻璃,窗口表面镀红外增透膜,提高激光的透过率,减小激光的能量损失;反射镜3可将激光器发出的光束反射,并入射到振镜上;发射窗口4可将激光发射出去,同时保护激光成像装置内部各零件不受外部环境的影响;窗口表面镀红外增透膜,提高激光的透过率;汇聚透镜5将目标反射的激光能量汇聚到探测器上,透镜表面镀红外增透膜,提高激光的透过率;汇聚透镜5胶接在镜筒6上;探测器7将接收透镜5汇聚的光能量转换为电信号;探测信号放大板8将探测器输出的微弱信号放大到可以处理的信号;数字信号处理板9将探测器输出的模拟信号变换为数字信号并进行处理,控制振镜扫描的信号和激光发射的信号也输入到信号处理板,使振镜扫描的位置和激光发射的时刻保持同步,接收到目标反射的激光信号和扫描的位置点融合计算,得到目标的强度图像;同时根据激光发射和接收到的相位,计算得到目标各点的距离像,将强度像和距离像合成,得到目标的三维图像;激光器驱动信号板10一方面为激光器供电,同时根据控制指令,发出TTL电平信号,驱动激光器发出脉冲信号。
通电后其工作过程如下:
数字信号处理板9(TMS320TM642芯片)、激光器驱动信号板10、扫描振镜驱动板11初始化并开始工作,扫描振镜驱动板11产生频率为f1和f2正弦信号(如图10所示),驱动扫描振镜2的两个轴在俯仰和方位方向以正弦规律摆动扫描,数字信号处理板9控制激光器驱动板10,发出脉冲电平信号,每发出一个电平信号,激光器就会输出一个激光脉冲;激光束经过反射镜3反射到扫描振镜2上,再反射到发射窗口4并透射出去,照射到目标上的一定位置;目标的反射光变为漫反射光,经过汇聚透镜5,将光束汇聚到探测器7上,探测器7将光能转换为电信号,探测信号放大板8接收到探测器7的电信号后,经过放大器A1、A2、A3放大后输出给数字信号处理板9(TMS320TM642芯片)(如图12所示),信号处理板9(TMS320TM642芯片)对信号采样并转换为数字信号。扫描振镜2对目标持续不断地扫描,脉冲激光器1也根据触发信号发出激光,探测器7接收目标的回波信号,数字信号处理板9(TMS320TM642芯片)对目标反射的回波信号进行存储、选择、平滑滤波,得到含有目标位置信息的坐标点。同时数字信号处理板9(TMS320TM642芯片)对发射和接收激光的时间延迟进行计算,得到激光发出位置到照射到目标点的距离值。坐标点由数字信号处理板9(TMS320TM642芯片)处理得到目标的三维图像并输出目标的图像信号。
假设:ρ1=ρ2=1000mm,f1=13Hz,f2=17Hz,θ1=θ2=0,当ti=0.01秒时,带入公式(1)可得坐标:x(i)=0.729米
y(i)=0.8763米
如图3所示,扫描振镜的两个轴在方位和俯仰方向以正弦规律摆动,在扫描频率不同时,激光束的扫描轨迹是非均匀的扫描图形,而且扫描速度也是非均匀的,呈现非线性;
设激光从发射脉冲到接收脉冲的时间差Δt=1×10-6秒,光速常数c=299792458m/s,带入公式(2),通过测试激光发射脉冲和接收脉冲的时刻,可以计算从激光发射到目标点的距离(如图10所示)为:
d=c×Δt/2=299792458×1×10-6/2≈149.8m
将目标的坐标点和距离融合,就可以得到目标的三维坐标点(0.729,0.8763,149.8)。
如图4所示,为等间距输入的TTL电平信号,TTL电平信号的占空比大于等于50%。
如图5所示,为激光器等间距输入TTL电平的条件下,激光器的输出信号。激光器输入等间距的TTL电平信号,激光器就会输出等间距的脉冲信号。
如图6所示,为等间距输入TTL电平的条件下,激光的扫描点图,由于中心区域扫描速度快,边缘位置扫描速度慢,图中的扫描点成非均匀分布。
如图7所示,为不等间距输入的TTL电平信号,TTL电平信号的占空比大于等于50%。
如图8所示,为激光器输入不等间距TTL电平的条件下,激光器的输出信号。激光器输入不等间距的TTL电平信号,激光器就会输出不等间距的脉冲信号。
如图9所示,为不等间距输入TTL电平的条件下,激光的扫描点图。通过控制激光发出的时刻,输入TTL电平信号,激光器就会输出不等间距的激光脉冲信号,经过扫描后激光可在目标上形成等间距的分布图。从图中可以看出,扫描点成近似均匀分布。
Claims (4)
1.一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置,其特征在于:所述装置由脉冲激光器(1)、扫描振镜(2)、反射镜(3)、发射窗口(4)、汇聚透镜(5)、镜筒(6)、探测器(7)、探测信号放大电路(8)、数字信号处理板(9)、激光器驱动信号板(10)、扫描振镜驱动板(11)和扫描振镜壳体(12)组成;所述扫描振镜壳体(12)顶部为玻璃窗口;所述数字信号处理板(9)、激光器驱动信号板(10)、扫描振镜驱动板(11)通电后,所述激光器驱动信号板(10)将产生的驱动信号送给脉冲激光器(1),脉冲激光器(1)根据触发信号发出红外激光脉冲;所述脉冲激光器(1)将产生的脉冲信号发射到反射镜(3);所述反射镜(3)将光束直接反射到扫描振镜(2),扫描振镜(2)对目标持续不断地扫描;所述扫描振镜驱动板(11)通电后发出正弦频率信号,驱动扫描振镜(2)在俯仰和方位摆动扫描;所述镜筒(6)的顶部胶接汇聚透镜(5),底部通过螺纹连接探测器(7);扫描振镜(2)将反射的光束经过发射窗口(4)照射到目标上,目标的反射回波经过汇聚透镜(5)汇聚到探测器(7)上,探测器(7)将汇聚透镜(5)接收到的光信号转换为电信号,再经过探测信号放大电路(8)将信号放大后传输到数字信号处理板(9),对目标反射的回波信号进行存储、选择、平滑滤波,得到含有目标位置信息的坐标点;同时数字信号处理板(9)对发射和接收激光的时间延迟进行计算,得到激光发出位置到照射到目标点的距离值;数字信号处理板(9)将目标位置坐标点和距离值合成输出目标的三维图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置,其特征在于:所述扫描振镜(2)在方位和俯仰方向以正弦规律做两维摆动,得到的坐标点如下:
其中:ρ1和ρ2是分别为扫描振镜在方位和俯仰方向扫描的幅度,f1和f2分别为扫描振镜x轴和y轴的频率,θ1和θ2是分别为扫描振镜x轴和y轴扫描的初始相位,在不同的时刻ti,可以得到该点的坐标值x(i)和y(i)。
3.根据权利要求1所述的一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置,其特征在于:所述汇聚透镜(5)直径为15-25mm;所述汇聚透镜(5)、扫描振镜壳体(12)顶部的玻璃窗口和发射窗口(4)镀红外增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于变频发射脉冲的红外激光成像装置,其特征在于:所述“激光发出位置到照射到目标点的距离值”为:
d=c×Δt/2 (2)
其中:c为常数,代表光速,Δt为激光发射脉冲和接收脉冲的时间差。
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