大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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，属于光电成像技术领域。

背景技术

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。

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。

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-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×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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明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；

脉冲激光器用于发射所需波长的光脉冲；

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；

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；

接收光学系统用于接收经过目标表面反射的回波信号；

光纤传像器用于将回波信号变比聚焦至条纹管探测器；

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；

CCD相机用于采集条纹管探测器输出的条纹像；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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。

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。

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。

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。

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。

进一步地，CCD相机为帧频大于100Hz的高帧频CCD。

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。

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；

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。

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；

第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极的内半径为35mm～45mm，厚度为0.5mm；沿光轴长度方向的尺寸为20mm～25mm；第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极之间的间距为3mm～6mm；第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极的长径比均为0.28～0.30；

扫描偏转系统两个上下对称放置的平折板中两个平行板的间距为3mm～4mm；

阳极的小端外半径为5mm～6mm，大端外半径为40mm～50mm，厚度为0.5mm，沿光轴长度方向的尺寸为80mm～82mm；阳极孔的外半径为5mm～6mm，内半径为1.5mm～2.5mm；阳极电子出口对应的外半径为40mm～50mm；

荧光屏的曲率半径为40mm～50mm，沿光轴方向的长度为40mm～50mm。

进一步地，光电阴极的曲率半径为60mm，球冠高度为12mm，圆筒状电磁聚焦环沿光轴长度方向的尺寸为5mm；圆筒状电磁聚焦环的外半径为35.5mm；

第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极的内半径为40mm；沿光轴长度方向的尺寸为23.5mm；第一聚焦电极、第二聚焦电极和第三聚焦电极之间的间距为4.5mm；

扫描偏转系统两个上下对称放置的平折板中两个平行板的间距为3.5mm；

阳极的小端外半径为5.5mm，大端外半径为45.5mm，沿光轴长度方向的尺寸为81mm；阳极孔的外半径为5.5mm，内半径为2mm；阳极电子出口对应的外半径为45mm；

荧光屏的曲率半径为45mm，沿光轴方向的长度为45mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明激光雷达四维探测系统采用单透镜聚集系统大探测面积条纹变像管结构，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。

通过理论分析，当成像激光雷达工作于单狭缝模式时：

本发明在5km的探测距离下，在三个方向分别可以实现如下探测范围及精度：

X方向：探测范围为349m，探测精度为174.5mm；

Y方向：探测范围为87m，探测精度为11.1mm；

Z方向(景深方向)：探测范围为99.9mm，探测精度为333nm.

当成像激光雷达工作于多狭缝模式时：

本发明在5km的探测距离下，在三个方向分别可以实现如下探测范围及精度：

X方向：探测范围为349m，探测精度为9.2mm；

Y方向：探测范围为87m，探测精度为11.1mm；

Z方向(景深方向)：探测范围为99.9mm，探测精度为17.53nm。

2、本发明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，其光电阴极有效成像面积为Φ50mm，静态空间分辨率高于40lp/mm；动态扫描模式下，在全屏扫描时间为0.66ns时，时间分辨率优于60ps，扫描方向及狭缝方向的空间分辨率均高于10lp/mm。

3、本发明激光雷达探测系统既可工作于单狭缝模式，也可工作于多狭缝模式，工作于多狭缝模式时，光电阴极至少可容纳19条狭缝。

4、本发明条纹管探测器结构简单，易于装配，电压可调节性强。

本发明的聚焦系统采用聚焦能力强的单透镜聚焦系统，其中，第一聚焦电极与第三聚焦电极的电势差为0V，因此，只需调节第一聚焦电极与第二聚焦电极的电压，便可实现交叉点与聚焦点的良好调节。

附图说明

图1为本发明实施例中一种大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统示意图；

图2为本发明实施例中内增强型具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹管示意图；

图3为本发明实施例中外增强型具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹管示意图；

图4为本发明实施例中发射光学系统示意图；

图5为本发明实施例中接收光学系统示意图；

图6为方向(坐标)说明图示。

图7为条纹管探测器的多狭缝工作模式仿真图示。

图中附图标记为：1-脉冲激光器，2-发射光学系统，21-第一望远镜，22-整形系统，3-延时器系统，4-接收光学系统，41-第二望远镜，42-物镜，5-光纤传像器，6-条纹管探测器，61-光电阴极，611-圆筒状电磁聚焦环，62-聚焦系统，621-第一聚焦电极，622-第二聚焦电极，623-第三聚集电极，63-扫描偏转系统，631-平行板，632-梯形倾斜板，64-阳极，641-阳极孔，65-荧光屏，66-MCP，67-球形结构光纤面板，68-像增强器，7-CCD相机，8-信号处理系统。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“前、后、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一或第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接：同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例一种大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统的结构参见图1，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，可采用输出光脉冲波长为532nm的Nd:YAG固体脉冲激光器。在其他实施例中也可以采用其他类型脉冲激光器，如二氧化碳激光器、激光二极管阵列等。

发射光学系统2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。如图4所示，可以为沿光路依次设置的第一望远镜21和整形系统22，整形系统22可以为扩束整形系统，还可以为压缩整形系统。本实施例中采用扩束整形系统，且第一望远镜21为折反射式望远镜。

延时器系统3用于控制脉冲激光器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。一般选用延迟触发电路作为延时器系统。

接收光学系统4用于接收经过目标表面反射的回波信号。如图5所示，本实施例接收光学系统4包括沿光路依次设置的第二望远镜41和物镜42。

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，可以采用光纤面板或变比光锥，当为变比光锥时，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4出射的光脉冲尺寸相同。

条纹管探测器6用于将回波信号的高速时间信息转化为低速空间信息，本实施例采用具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹变像管结构，参见图2和图3，其中图2为内增强型具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹管示意图，图3为外增强型具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹管示意图。从图2和图3可以看出，条纹管探测器6包括光电阴极61、聚焦系统62、扫描偏转系统63、阳极64及荧光屏65。光电阴极61包括球面光电阴极，靠近球面光电阴极的后端部设置有一个圆筒状电磁聚焦环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，由三个圆筒状电极组成，可将三个圆筒状电极沿电子传播方向依次定义为第一聚焦电极621，第二聚焦电极622和第三聚焦电极623，三个圆筒状电极的内半径、外半径及轴向长度均相等。光电阴极61与单透镜聚焦系统之间通过陶瓷环连接，具体为圆筒状电磁聚焦环611与第一聚焦电极621通过陶瓷环连接。聚焦系统62内的第一聚焦电极621，第二聚焦电极622和第三聚焦电极623依次通过陶瓷环连接。扫描偏转系统63为平折型结构，包括两个上下对称放置的平折板，平折板包括平行板631与梯形倾斜板632，平行板631采用薄片型长方体结构，梯形倾斜板632采用梯形结构。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曲率半径。阳极64与第三聚焦电极623之间通过陶瓷环连接；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；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。图2为内增强型具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹管，因此在偏转系统63的后端、阳极64内部等位区还设置有MCP66，用于倍增电子信号。图3为外增强型具有单透镜聚焦系统的大探测面积条纹管，因此在荧光屏65的后端依次设有球形结构光纤面板67与像增强器68，球形结构光纤面板67与荧光屏65同心，像增强器68位于球形结构光纤面板67后端，用于增强可见光信号。本实施例中第一聚焦电极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。球面光电阴极的曲率半径为58mm～62mm，可选60mm；球冠高度为11mm～13mm，可选12mm；圆筒状电磁聚焦环611沿光轴长度方向的尺寸为4mm～6mm，可选5mm，圆筒状电磁聚焦环611的外半径为35.5mm。第一聚焦电极621、第二聚焦电极622和第三聚焦电极623的内半径为35mm～45mm，可选40mm，厚度为0.5mm，沿光轴长度方向的尺寸为20mm～25mm，可选23.5mm；第一聚焦电极621、第二聚焦电极622和第三聚焦电极623之间的间距为3mm～6mm，可选4.5mm；第一聚焦电极621、第二聚焦电极622和第三聚焦电极623的长径比均为0.28～0.30。扫描偏转系统63两个上下对称放置的平折板中两个平行板631的间距为3mm～4mm，可选3.5mm。阳极64的小端外半径为5mm～6mm，可选5.5mm；大端外半径为为40mm～50mm，可选45.5mm；厚度为0.5mm，沿光轴长度方向的尺寸为80mm～82mm，可选81mm；阳极孔641的外半径为5mm～6mm为较佳，可选5.5mm，内半径为1.5mm～2.5mm，可选2mm。阳极电子出口对应的外半径为40mm～50mm，可选45mm。球面荧光屏65的曲率半径为40mm～50mm，可选45mm；沿光轴方向的长度为40mm～50mm，可选45mm。

CCD相机7用于记录条纹管探测器6输出的条纹像，本实施例可选用高帧频CCD；如帧频大于100Hz。

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。

本发明激光雷达探测系统既可工作于单狭缝模式，也可工作于多狭缝模式，工作于多狭缝模式时，光电阴极至少可容纳19条狭缝，如图7，为条纹管探测器的多狭缝工作模式仿真图示。

本实施例大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统的具体工作过程为：脉冲激光器1发射波长为532nm的脉冲光信号，经过发射光学系统2进行脉冲整形，即在方位角方向(横向，X方向)展宽成一束扇形光，在水平方向上垂直于方位角方向(扫描方向，Y方向)进行压缩，之后辐照至探测目标物表面，目标物反射的回波信号进入接收光学系统4并通过光纤传像器5进行聚焦，条纹管探测器6的光电阴极狭缝接收光脉冲并将其转换为光电子，不同时刻进入条纹管探测器6的光电子被扫描至荧光屏的不同位置，反映了目标物的距离信息和景深信息。采用CCD相机7采集并记录条纹管探测器6荧光屏上的条纹像，并将其读出至信号处理系统8，由信号处理系统8对图像进行还原重构，并进行噪声处理和目标提取算法，获得目标的一个“切片”上(即二维)的距离信息和强度信息。随着雷达系统的运行，激光器发射多个脉冲光，并被目标反射后由条纹管接收，将多次反射的回波信号融合，最终得到目标的三维距离像与强度像。

通过下述过程评估上述大探测视场、高精度条纹管成像激光雷达四维探测系统的距离分辨率及景深等指标。

假设成像激光雷达搭载于民用测绘飞机平台上，飞机运行速度为v＝80km/h，工作于单狭缝模式下，且距离探测目标距离H＝5km，激光脉冲的重复频率f

首先，计算成像激光雷达照射到探测目标物的线斑长度L

L

其次，确定条纹管光电阴极上的水平线对数M：

单透镜聚焦系统条纹管光电阴极在50mm长光电阴极范围内空间分辨率达到40lp/mm，即条纹管光电阴极上的水平线对数M为：

M＝50mm·40lp/mm＝2000；

再次，确定成像激光雷达沿X方向的距离分辨率X

X

再次，确定成像激光雷达照射到探测目标物的线斑长度L

L

之后，确定成像激光雷达沿Y方向的距离分辨率Y

a)当v≥f

b)当v≤f

最后，确定条纹管成像激光雷达沿Z方向的距离分辨率为：Z

成像激光雷达工作于多狭缝模式：

首先，计算成像激光雷达照射到探测目标物的线斑长度L

L

其次，确定条纹管光电阴极上的水平线对数M：

单透镜聚焦系统条纹管光电阴极在50mm长光电阴极范围内空间分辨率达到40lp/mm，即条纹管光电阴极上的水平线对数M为：

M＝19·50mm·40lp/mm＝38000；

再次，确定成像激光雷达沿X方向的距离分辨率X

X

再次，确定成像激光雷达照射到探测目标物的线斑长度L

L

之后，确定成像激光雷达沿Y方向的距离分辨率Y

a)当v≥f

b)当v≤f

此外，条纹管成像激光雷达沿Z方向的距离分辨率为：Z