ICCD增益调频连续波调制无扫描距离成像器

摘要

ICCD增益调频连续波调制无扫描距离成像器，属于光电成像领域。本发明的目的是解决目前基于自混频探测器的无扫描FM/CW装置获取目标距离像的性能不稳定、难以应用的问题。半导体激光器发射出的激光光束经发射光学整形系统整形后照射到目标上，经目标反射后的激光光束被接收光学系统接收、汇聚至ICCD面阵探测器形成回波信号，调频连续波函数发生器发出的激光经高压调制电源与ICCD面阵探测器相连形成ICCD调制信号，ICCD调制信号与回波信号进行混频后，并由控制处理器进行傅立叶变换处理，获得与目标的距离。用于光学领域激光测距。

说明书

技术领域

本发明属于光电成像领域，具体是涉及ICCD增益调频连续波调制无扫描距离成像器。

背景技术

目前在光电成像领域的一大难题就是如何获取目标的距离像。美国陆军实验室提出基于自混频探测器的无扫描FM/CW激光雷达系统。FM(FrequencyModulation，频率调制技术)，CW(continuous wave，连续波)，FM/CW为调频连续波，它采用对发光强度能够调制的半导体激光器和自混频阵列进行调频连续波调制，将回波与探测器的增益进行混频获得两者的频率差，从而得到目标的距离信息。但由于这种办法采用的自混频阵列探测器目前并不成熟，产品的性能不稳定，造成这种激光雷达难以应用。

发明内容

本发明的目的是解决目前基于自混频探测器的无扫描FM/CW装置获取目标距离像的性能不稳定、难以应用的问题，提供了ICCD增益调频连续波调制无扫描距离成像器。

本发明包括调频连续波函数发生器、半导体激光电源、半导体激光器、发射光学整形系统、高压调制电源、接收光学系统、ICCD面阵探测器和控制处理器，半导体激光器发射出的激光光束经发射光学整形系统整形后照射到目标上，经目标反射后的激光光束被接收光学系统接收、汇聚至ICCD面阵探测器的光输入端，ICCD面阵探测器的图像输出端与控制处理器的图像输入端相连，控制处理器的函数发生控制端与调频连续波函数发生器的控制端相连，调频连续波函数发生器的激光发射控制端与半导体激光电源的控制端相连，半导体激光电源的输出端与半导体激光器的输入端相连，调频连续波函数发生器的调制信号控制端与高压调制电源的控制端相连，高压调制电源的调制信号输出端与ICCD面阵探测器的调制信号控制端相连。

本发明的优点是：本发明采用半导体激光器和可进行FM/CW调制的ICCD面阵探测器，进行连续波调制来获得目标的距离，采用电信号与光信号进行外差测量，性能稳定，实用性强。探测灵敏度较高，物体上各点的距离是同一时刻的距离，误差小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是线性调频连续波LFM的波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式包括调频连续波函数发生器1、半导体激光电源2、半导体激光器3、发射光学整形系统4、高压调制电源5、接收光学系统6、ICCD面阵探测器7和控制处理器8，半导体激光器3发射出的激光光束经发射光学整形系统4整形后照射到目标上，经目标反射后的激光光束被接收光学系统6接收、汇聚至ICCD面阵探测器7的光输入端，ICCD面阵探测器7的图像输出端与控制处理器8的图像输入端相连，控制处理器8的函数发生控制端与调频连续波函数发生器1的控制端相连，调频连续波函数发生器1的激光发射控制端与半导体激光电源2的控制端相连，半导体激光电源2的输出端与半导体激光器3的输入端相连，调频连续波函数发生器1的调制信号控制端与高压调制电源5的控制端相连，高压调制电源5的调制信号输出端与ICCD面阵探测器7的调制信号控制端相连。

具体实施方式二：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于，控制处理器8对ICCD面阵探测器7输出的信号进行傅立叶变换，获得半导体激光器3从发射激光到经由目标反射后被ICCD面阵探测器7接收之间的时间延迟，既而获得本发明成像器与目标之间的距离，其它组成及连接方式与实施方式一相同。

工作原理：

本发明分为发射和接收两大部分，发射部分主要是半导体激光器3，接收系统主要是可进行增益调制的ICCD面阵探测器7，具体的工作过程如下：

调频连续波函数发生器1产生的连续波信号为：

S(t)＝Acos(ω₀+Δft)t               (1)

其中：S(t)为光调制信号强度，A为信号振幅；ω₀为调频连续波的起始频率，Δf为调频连续波的频率随时间变化率。

所述连续波信号通过控制半导体激光电源2驱动半导体激光器3发射激光光束，所述发射的激光光束为：

S_i(t)＝P₀(1+m_dS)              (2)

其中，S_i(t)为发射的激光光束的光强，P₀为发射激光光束的光强幅值，m_d为发射激光信号的调制深度。

激光光束经发射光学整形系统4整形后照射到目标上，经目标反射后的激光光束被接收光学系统6接收并汇聚至ICCD面阵探测器7的光输入端，形成回波信号，该回波信号相对于发射信号存在着与目标距离相对应的延迟时间Δt，则照射在ICCD面阵探测器7的回波信号表示为：

S_d(t+Δt)＝ρS_i(t+Δt)＝ρP₀(1+m_dS(t+Δt))          (3)

其中，S_d(t+Δt)为回波信号的光强，ρ为目标反射率系数，ρ中包含了大气透过率等参数对回波信号光强的影响。

调频连续波函数发生器1的调制信号控制端与高压调制电源5的控制端相连，通过高压调制电源5控制ICCD面阵探测器7的增益R(t)，与高压调制电源5的控制端相连的调制信号表示为：

S_l(t)＝Acos(ω₀+Δft)t         (4)

其中，S_l(t)为与高压调制电源5的控制端相连的调制信号的光强，所述调制信号与公式(1)所述的调频连续波函数发生器1产生的连续波信号相同。

ICCD面阵探测器7的增益R(t)为：

R(t)＝R₀(1+m_lS_l(t))           (5)

其中，R₀为所述ICCD面阵探测器7的增益调制的幅值，m_l为ICCD面阵探测器7受调频连续波函数发生器1所发出的调制信号响应的调制深度，由此获得ICCD面阵探测器7微通道板7-1响应的电流I(t)：

I(t)＝(S_d(t+Δt)+P_b)×R(t)

＝[ρP₀(1+m_dS(t+Δt))+P_b]×R₀(1+m_lS(t))

＝[ρP₀(1+m_dA×cos[ω₀+Δf(t+Δt)]t)+P_b]

×R₀(1+m_lA×cos[ω₀+Δft]t)                (6)

其中P_b为背景光的功率，将公式(6)整理可得：

I(t)＝[ρP₀(1+m_dAcos(ω₀+Δf(t+Δt))t)+P_b]

×R₀(1+m_lAcos[ω₀+Δft]t)

＝(ρP₀+P_b)R₀+(ρP₀+P_b)R₀m_lAcos[ω₀+Δft]t+

ρP₀R₀m_dAcos(ω₀+Δf(t+Δt))t+                        (7)

1/2ρP₀R₀m_dAm_lAcos(ω₀+Δf(t+Δt)+ω₀+Δft)t+

1/2ρP₀R₀m_dAm_lAcos(ω₀+Δf(t+Δt)-ω₀-Δft)t

所述微通道板7-1输出的中间光信号要经过ICCD面阵探测器7的荧光屏7-2输出，由于ICCD面阵探测器7的荧光屏7-2只能响应较低频的信号，对于高频(频率高于ω₀)不响应，因此，最终ICCD面阵探测器7输出到控制处理器8的输出光信号只保留低频项，则所述荧光屏7-2输出的光信号为：

$I_0\left(t\right)=\frac{R_0\rho P_0{m}_d{m}_l}{2}{A}^2\cos \left(\mathrm{\Delta f\Delta t}\right)t+({\mathrm{\rho P}}_0+P_b)R_0---\left(8\right)$

荧光屏7-2输出的光由ICCD面阵探测器7中的CCD7-3采集并输出给控制处理器8，ICCD面阵探测器7的输出光信号为离散信号，由控制处理器8对所述离散信号进行傅立叶变换：

$f\left(\mathrm{\Delta f\Delta t}\right)=\sqrt{\frac{2}{\pi }}{\int }_0^{\infty }[\frac{R_0{\mathrm{\rho P}}_0{m}_d{m}_l}{2}{A}^2\cos \left(\mathrm{\Delta f\Delta t}\right)t+({\mathrm{\rho P}}_0+P_b)R_0]\cos \left(t\right)\mathrm{dt}---\left(9\right)$

由于Δf为系统常数，为已知量，则从傅立叶变换结果(Δf×Δt)即可得到激光从发射到照射到目标表面再返回ICCD面阵探测器7所对应的时间延迟Δt，既而获得本发明成像器与目标之间的距离r：

$r=\frac{1}{2}\mathrm{c\Delta t}---\left(10\right)$

其中，c为光速度。

下面给出一个具体实施例，调频连续波函数发生器1给出一个具体波形，并说明本发明成像器与目标之间的距离r与所述具体波形频率的变化速率之间的关系：

调频连续波函数发生器1发出常见的线性调频连续波LFM，如图2所示，则此波的频率满足如下公式：

ω＝ω₀+Δf×t                (11)

其中，Δf为所述线性调频波LFM的频率的变化速率，则发射和接收激光的频率差Δω为：

Δω＝Δf×Δt                  (12)

再结合公式(10)，则获得本发明成像器与目标之间的距离r与所述具体波形频率的变化速率之间的关系表达示为：

$r=\frac{\mathrm{\Delta \omega }\times c}{2\times \mathrm{\Delta f}}---\left(13\right)$

例：调频连续波函数发生器产生一个100Hz-200Hz的一个线形调频信号，也就是ω₀＝100Hz，频率变化率Δf＝10⁸Hz/s，经过1μs的时间频率由100Hz变为200Hz。目标距离本发明测距的成像器100m，则激光从发射到照射到目标表面再返回探测器所对应的时间延迟Δt为666ns，则激光器初始发射的频率为100Hz的激光回到ICCD面阵探测器7时，ICCD面阵探测器7处的频率已经增加到166Hz，二者混频后在CCD7-3上形成的信号经傅立叶变换后输出的信号为66Hz，通过公式(13)即可求得与目标的距离为100m。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，半导体激光电源2的电压范围是3V-100V，其它组成及连接方式与实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，半导体激光器3的功率为10W～100kW，线宽为0.1nm～10nm，脉宽为1μs～10ms，其它组成及连接方式与实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，控制处理器8采用DSP微处理器，其它组成及连接方式与实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，高压调制电源5的电压范围是400V-1000V，其它组成及连接方式与实施方式一相同。