一种双模激光成像系统及成像方法与流程

本发明涉及激光雷达领域，特别涉及一种双模激光成像系统及成像方法。

背景技术：

现有的可见光和红外成像只有目标的二维图像而没有距离信息，而且可见光和红外成像设备的性能分别受光照条件和目标温度特性的影响。

现有的单一模式的切片选通式激光成像雷达、多狭缝条纹管激光成像雷达、连续波调制激光成像雷达、增益调制激光成像雷达，激光远程测距仪，只具有近距离对目标进行三维成像或远距离测量目标距离中一者的功能，与实际应用中即需要在远距离获取尽可能远的作用距离，又需要在近距离获取目标高分辨率距离信息利于目标识别的需求不匹配。

技术实现要素：

为了与实际应用中远距离需要获取尽可能远的单点作用距离，近距离需要获取目标多点距离信息利于目标识别相符合，本发明提供了一种双模激光成像系统及成像方法。

本发明提供的双模激光成像系统，包括激光光源、分光器、激光处理模块、激光分束模块、本振开关、回波信号接收模块、探测器、混频模块、及信号处理模块：

所述激光光源，用于产生种子源；

所述分光器，用于将所述种子源分成两路，一路发射至激光处理模块，一路作为本振信号发射至本振开关；

所述激光处理模块，用于对所述种子源进行调制、放大和整形处理；

所述激光分束模块，用于将经过调制、放大和整形处理后的种子源分成多路子光束后发射至待探测目标；

所述本振开关，用于在所述探测目标与激光雷达处于远距离模式下，输出所述本振信号到混频模块；在所述探测目标与激光雷达处于近距离模式下，禁止输出所述本振信号到混频模块；

所述回波信号接收模块，用于接收待探测目标反射的各路回波信号，并输出至所述混频模块；

所述混频模块，用于在接收到所述本振信号时，将所述各路回波信号与所述本振信号进行混频处理，得到混频后的各路回波信号并输出至所述探测器；在未接收到所述本振信号时，直接将所述各路回波信号输出至所述探测器；

所述探测器，用于分别对经过混频处理或未经过混频处理的各路回波信号进行光电转换、整形和放大处理后输出至信号处理模块；

所述信号处理模块，用于根据经过混频、光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号得到待探测目标的距离信息，或根据经过光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号得到待探测目标各点的距离像。

本发明提供的双模激光成像系统的成像方法，包括以下步骤：

产生种子源并分成两路，对其中一路种子源进行调制、放大和整形处理，将另一路种子源作为本振信号；

将经过调制、放大和整形处理后的种子源分成多路子光束后发射至待探测目标；

接收待探测目标反射的各路回波信号；

在所述探测目标与激光雷达处于远距离模式下，将所述各路回波信号与所述本振信号进行混频处理，得到混频后的各路回波信号，将混频后的各路回波信号进行光电转换、整形和放大处理，并根据经过混频、光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号得到待探测目标的距离信息；

在所述探测目标与激光雷达处于近距离模式下，直接将所述各路回波信号进行光电转换、整形和放大处理，并根据经过光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号得到待探测目标各点的距离像。

本发明的有益效果如下：

本发明能够在探测目标与激光雷达处于不同的模式时，使双模激光成像系统在直接探测和相干探测之间切换，不仅具有在近距离处成像快、分辨率高、实现简单等优点，而且还具有在远距离利用相干探测高灵敏度目标距离的能力，与实际应用中远距离需要获取尽可能远的单点作用距离，近距离需要获取目标多点距离信息利于目标识别相符合。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1是本发明装置实施例双模激光成像系统的结构示意图；

图2是本发明装置实施例实例1双模激光成像系统的结构示意图；

图3是本发明方法实施例双模激光成像系统的成像方法的流程图。

具体实施方式

为了与实际应用中远距离需要获取尽可能远的单点作用距离，近距离需要获取目标多点距离信息利于目标识别相符合，在航天探测着陆器降落在星球表面的过程中以及激光雷达对目标的识别过程中，更高效安全、更简单可靠着落在星球表面和完成目标识别。本发明提供了一种双模激光成像系统及成像方法，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

根据本发明的装置实施例，提供了一种双模激光成像系统，图1是本发明装置实施例双模激光成像系统的结构示意图，如图1所示，根据本发明装置实施例的双模激光成像系统包括包括激光光源10、分光器11、激光处理模块12、激光分束模块13、本振开关14、回波信号接收模块15、混频模块16、探测器17、及信号处理模块18；以下对本发明实施例的各个模块进行详细的说明。

具体的，所述激光光源，用于产生种子源。更加具体的，所述激光光源采用脉冲激光器。

所述分光器，用于将所述种子源分成两路，一路发射至激光处理模块，一路作为本振信号发射至本振开关。

具体的，所述激光处理模块，用于对所述种子源进行调制、放大和整形处理。

更加具体的，所述激光处理模块包括调制器、放大器和整形器；

所述调制器，用于所述种子源进行调制处理；

所述放大器，用于对调制后的种子源进行放大处理；

所述整形器，用于对放大后的种子源进行整形处理。

具体的，所述激光分束模块，用于将经过调制、放大和整形处理后的种子源分成多路子光束后发射至待探测目标。更加具体的，所述激光分束模块采用衍射分光系统，优选为高效延伸分光系统。

在本发明装置实施例中，所述探测器采用阵列APD(雪崩光电二极管)，包括N×N个探测单元；对应的，所述激光分束模块具体用于，将经过调制、放大和整形处理后的种子源分成N×N个子光束后发射至待探测目标。

具体的，所述本振开关，用于在所述探测目标与激光雷达处于远距离模式下，输出所述本振信号到混频模块；在所述探测目标与激光雷达处于近距离模式下，禁止输出所述本振信号到混频模块。

具体的，所述回波信号接收模块，用于接收待探测目标反射的各路回波信号。

更加具体的，所述回波信号接收模块为激光接收镜头，所述激光接收镜头可以为单口径镜头。

具体的，所述混频模块，用于在接收到所述本振信号时，将所述各路回波信号与所述本振信号进行混频处理，得到混频后的各路回波信号并输出至所述探测器；在未接收到所述本振信号时，直接将所述各路回波信号输出至所述探测器。

具体的，所述探测器，用于分别对经过混频处理或未经过混频处理的各路回波信号进行光电转换、整形和放大处理后输出至信号处理模块。

在本发明中，要调整回波信号接收模块、探测器、激光分束模块的位置，使得每个子光束经过待探测目标反射后能返回到相应的探测器单元。

具体的，所述信号处理模块，用于根据经过混频、光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号得到待探测目标的距离信息，或根据经过光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号得到待探测目标各点的距离像。

更加具体的，所述信号处理模块具体用于，

对经过混频、光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号进行分段频域处理，找出频谱最大时的信号段的延时，根据频谱最大时的信号段的延时得到待探测目标的距离信息；

对经过光电转换、整形和放大处理后的回波信号进行时域分析，并与设定的阈值进行比较，达到或者超过阈值时产生脉冲信号，根据脉冲信号得到待探测目标各点的距离像。

为了更好的说明本发明装置实施例的双模激光成像系统，给出实例1，图2是本发明装置实施例实例1双模激光成像系统的结构示意图(在图2中有些部件没有标出名称)。

在本发明装置实施例提供的双模激光成像系统中，激光光源采用脉冲激光器，探测器采用阵列APD(雪崩光电二极管)，采用双模激光探测体制，接收方式通过本振开关在直接探测和相干探测之间切换，当探测目标距离激光雷达较远时，打开本振开关，激光雷达处于相干探测模式，将阵列探测器当作单元探测器使用，使本振信号和回波信号混频，通过时频分析混频后的信号测出目标某点的距离信息；当激光雷达距离目标较近时，关闭本振开关，将阵列探测器当作多元探测器使用，阵列探测器上每个探测单元都会探测到一路子光束返回的距离信息，最终得到高分辨率距离像，有利于目标细节识别。

与可见光和红外成像相比，本发明装置实施例的双模激光成像系统采用的是主动激光照明，其成像效果与使用条件关系不大；与微波雷达相比，本发明装置实施例的双模激光成像系统具有微波雷达不可比拟的空间分辨率和距离分辨率(图像质量)，也不易受电磁干扰；与扫描型激光雷达相比，本发明装置实施例的双模激光成像系统具有成像速率高、图像质量不受光斑质量和扫描精度影响、无高速运动部件、可靠性高、不需要稳定平台、使用方便等特点；与单一模式的切片选通式激光成像雷达、多狭缝条纹管激光成像雷达、连续波调制激光成像雷达、增益调制激光成像雷达相比，本发明装置实施例的双模激光成像系统除了具有阵列探测三维成像在近距离处成像快、分辨率高、实现简单等优点，还具有在远距离利用相干探测高灵敏度目标距离的能力，与实际应用中远距离需要获取尽可能远的单点作用距离，近距离需要获取目标多点距离信息利于目标识别相符合。

根据本发明的方法实施例，提供了一种双模激光成像系统的成像方法，图2是本发明方法实施例的双模激光成像系统的成像方法的流程图，如图2所示，根据本发明方法实施例的双模激光成像系统的成像方法包括如下处理：

步骤201，产生种子源并分成两路，对其中一路种子源进行调制、放大和整形处理，将另一路种子源作为本振信号；

步骤202，将经过调制、放大和整形处理后的种子源分成多路子光束后发射至待探测目标；

步骤203，接收待探测目标反射的各路回波信号；

步骤204，在所述探测目标与激光雷达处于远距离模式下，将所述各路回波信号与所述本振信号进行混频处理，得到混频后的各路回波信号，将混频后的各路回波信号进行光电转换、整形和放大处理，并根据经过混频、光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号得到待探测目标的距离信息；

步骤205，在所述探测目标与激光雷达处于近距离模式下，直接将所述各路回波信号进行光电转换、整形和放大处理，并根据经过光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号得到待探测目标各点的距离像。

所述探测器采用阵列APD，包括N×N个探测单元，对应的，步骤202具体包括以下步骤：

将经过调制、放大和整形处理后的种子源分成N×N个子光束后发射至待探测目标。

具体的，根据经过混频、光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号得到待探测目标的距离信息具体包括以下步骤：

对经过混频、光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号进行分段频域处理，找出频谱最大时的信号段的延时，根据频谱最大时的信号段的延时得到待探测目标的距离信息。

具体的，根据经过光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号得到待探测目标各点的距离像具体包括以下步骤：

对经过光电转换、整形和放大处理后的回波信号进行时域分析，并与设定的阈值进行比较，达到或者超过阈值时产生脉冲信号，根据脉冲信号得到待探测目标各点的距离像。

为了详细的说明本发明的双模激光成像系统的成像方法，给出实例1。在实例1中，双模激光成像系统的成像方法包括以下步骤：

(1)、打开脉冲激光器，产生种子源；

(2)、将种子源分成两路，一路经过频率调制、斩波和功率放大，另一路进入本振开关；

(3)、经过放大后的激光信号经过整形进入激光分束系统，将一束激光分成N×N子光束，然后发射至探测目标，并记录下光束发射时刻tl，探测器的像元也为N×N；调整接收镜头、探测器、激光分束系统的位置，使得每个子光束经过目标物体反射后能返回到相应的探测器像元；

(4)激光接收镜头接收待探测目标反射的各路回波信号；

(5)在所述探测目标与激光雷达处于远距离模式下，使本振开关处于打开状态，将所述各路回波信号与所述本振信号进行混频处理，得到混频后的各路回波信号；所述混频后的各路回波信号分别进入到N×N面阵APD的相应的探测单元，每个探测单元对探测到激光信号进行光电转换，转换后的电信号经过整形、放大；对经过混频、光电转换、整形和放大处理后的各路回波信号进行分段频域处理，找出频谱最大时的信号段的延时，根据频谱最大时的信号段的延时得到待探测目标的距离信息；

(6)在所述探测目标与激光雷达处于近距离模式下，使本振开关处于关闭状态，直接使所述各路回波信号分别进入到N×N面阵APD的相应的探测单元，每个探测单元对探测到激光信号进行光电转换，转换后的电信号经过整形、放大，对经过光电转换、整形和放大处理后的回波信号进行时域分析，并与设定的阈值进行比较，达到或者超过阈值时产生脉冲信号，根据脉冲信号得到待探测目标各点的距离像；

(7)、将目标各点的距离像发送给上位机，并进行颜色编码，将视场内目标各点三维图像进行显示。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。