专利名称：：可获得目标位置信息的相干激光测距仪的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及激光测距，是一种可获得目标位置信息的相干激光测距仪。此激光测距仪在得到目标距离信息的同时，通过对干涉图像的处理获得目标位置信息，并将其作为反馈信号，实时调整测距仪的机电偏转装置，保证测距仪的发射望远镜和接收望远镜瞄准目标。本实用新型也可应用到相干激光通信中，接收机在得到传输信息的同时，也可得到通信对方的位置信息，通信对方的位置信息控制通信终端的跟瞄系统，保证接收望远镜和发射望远镜的对望。
背景技术：
：激光测距因其具有长测程、高精度、高分辨率、抗干扰能力强、小体积等特点，广泛应用于军事上的各种测距，以实现对目标的准确打击。上世纪60年代末已批量装备部队。至今已发展了第一代红宝石激光测距仪、第二代Nd:YAG激光测距仪、第三代对人眼安全的固体激光和C02激光测距仪，正向着第四代小型化、系统化、通用组件化的人眼安全远程激光测距发展，最大测程预计可达到几十万公里，精度达到毫米量级。激光测距按照发射光束类型可分为脉冲激光测距仪和连续波激光测距仪。目前军用激光测距仪以脉冲方式为主，且多采用固体激光器。探测体制,直接探测和相干探测两种。采用相干探测方法的相干测距仪，在回波中加入了本振波，探测二者的混频光束，大大提高探测灵敏度，从而增加了测距仪的最大测程，并且相千探测具有优良的波长选择性和抗背景噪声性能，这些特点改善了激光测距仪的性能，因而在近些年来得到了极大关注。最大测程作为激光测距仪的主要性能之一，除了和目标被照射面积、目标反射率等实际应用条件有关，在很大程度上还受到接收机灵敏度以及光学系统质量影响。相干激光测距方法是显著提高激光测距仪最大测程的有效途径。而采用连续波体制便于对光束的控制，利于本振波和回波的混频合束。相干测距仪通常由发射机和接收机两部分组成。发射机主要包括发射激光器、光调制器、发射光学系统等。接收机主要包括接收光学系统、光桥接器、光电探测、本振激光器以及锁相环路组成。发射机的光束调制后经发射望远镜压缩发散角，瞄准被测目标发射。由目标返回的回波进入接收望远镜进行滤波后，和本振激光器发出的本振波在光桥接器内混频，混频光束经过光电探测、解调等信号处理得到目标的距离信息。距离信息同时也作为控制信号，通过锁相环路对本振激光器进行调节，使本振波和发射波的位相关系保持恒定。这种相干测距仪的缺点是只能获得目标的距离信息。
发明内容本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可获得目标位置信息的相干激光测距仪，该测距仪既可得到目标距离信息，又可获得目标位置信息。本实用新型的技术解决方案如下一种可获得目标位置信息的相干激光测距仪，包括发射机和接收机，发射机由发射激光器、光调制器、发射光学系统组成，接收机包括接收光学系统、本振激光器、光桥接器、光电探测器、锁相环路和CCD摄像机，其特点是所述的光桥接器(9)两个输入端分别连接所述的接收光学系统和本振激光器，该光桥接器的输出端分别接所述的光电探测器和CCD摄像机，所述的光电探测器经锁相环路与本振激光器相连，所述的CCD摄像机的输出端与一具有干涉图像处理软件的计算机相连，该计算机的输出端与所述的接收光学系统和发射光学系统的控制部分相连。所述的发射激光器和本振激光器的频率相同或不同。所述的锁相环路为平衡锁相环、科斯塔斯锁相环路、决策驱动锁相环路、同歩位锁相环路或高频振荡锁相环路。利用所述的相干激光测距仪的测距方法，包括下列歩骤①首先打开发射激光器，本振激光器暂不工作，发射激光器发出的光束通过光调制器调制后，由发射光学系统对调制后的光束进行扩束、准直，偏转瞄准后向目标发射，经过目标反射后，由接收光学系统进行接收、滤波，得到回波，CCD摄像机上仅有回波产生的光斑；②若回波在CCD摄像机上的光斑恰好落在极坐标系的极轴上，说明回波在原标定的坐标系下的方位角P为零，此时恰有俯仰角a和千涉图像中心位置的偏离量R之间--对应的函数关系；③若回波在CCD摄像机上的光斑不在极坐标系的极轴上，需旋转CCD摄像机的极坐标系，使光斑落在新的极坐标系的极轴上，回波在新的坐标系下的方位角卩为零，目标的方位角(3等于原坐标系旋转的角度；④此时再打开本振激光器，回波和本振激光器发射的本振波一起由光桥接器混频，得到混频光束，该混频光束在CCD摄像机上得到干涉图像；⑤获得的干涉图像经数据线传输到装有干涉图像处理软件的计算机中进行处理分析，最终得到包括俯仰角(X和方位角卩在内的目标位置信息；⑥以目标位置信号作为控制信号，传输给发射光学系统和接收光学系统的控制部分，发射光学系统的控制部分将得到的发射望远镜偏转角度和实际目标位置信息进行比较，将两者的差值作为反馈信号，驱动望远镜的机械部分进行偏转，校正发射望远镜的偏转方向，保证发射望远镜实时瞄准目标，同样接收光学系统的控制部分也将接收望远镜偏转角度和实际目标位置信息的差值作为反馈信号，驱动接收望远镜的机械部分，保证接收射望远镜实时瞄准目标；⑦在对干涉图像进行处理的同时，混频光束经光电探测器探测、处理后得到目标距离信号，并经过锁相环路变换为本振激光器的控制信号，调节本振光波，以保证回波和本振波两者之间固定的位相关系。所述的计算机的干涉图像处理软件对干涉图像的处理程序包括①滤波处理目的是去除原始干涉图像中图像轮廓模糊的噪声点，加强图像轮廓，改善图像质量；②二值化处理选取合适的灰度闳值，灰度值大于阈值的点作为背景，其灰度值为0。小于阈值的点为区域点，灰度值为l，这样就将滤波后的干涉图像变为二值图像，便于进一歩分析；③提取边缘明暗条纹边界上灰度值突变，使灰度值分布图上出现极值点，根据这一特性得到干涉条纹的边缘坐标；④确定中心点偏移量R:利用干涉图像上环状干涉条纹的对称性，由得到的干涉条纹边缘坐标，确定出中心点偏离量R;⑤计算俯仰角a:由己知的本振光参数Z。和获得的中心点偏离量R，利用关系式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>，推算出俯仰角ct。本实用新型的技术效果本实用新型可获得目标位置信息的相干激光测距仪采用连续波和相千探测的体制，并在传统相干探测基础上加入了干涉图像处理，可同时得到距离信息和目标位置信息。利用获得的目标位置信息作为反馈信号，实时控制接收光学系统的机电部分，保证测距仪的接收望远镜瞄准目标。由于采用的是CCD成像和计算机图像处理的方法，本实用新型省去了光电探测所使用的光电二极管和大量电子线路，理论公式更直观，实际信号处理更简单。本实用新型也可应用到相干激光通信中，接收机同时得到传输信息和通信对方的位置信息，位置信息用于控制通信终端的跟瞄系统，保证接收望远镜和发射望远镜的对望。图1是本实用新型带有干涉图像处理的相干激光测距仪的坐标定义示意图。图2是本实用新型带有干涉图像处理的相干激光测距仪中干涉图像处理软件的流程图。图3是本实用新型带有干涉图像处理的相干激光测距仪的系统结构框图。图4是本实用新型实施例的示意图。图中1为发射激光器；2为光调制器；3为发射光学系统；4为目标；5为接收光学系统；6为回波；7为本振激光器；8为本振波；9为光桥接器；IO为光电探测器；ll为目标距离信息；12为锁相环路；13为CCD摄像机；14为具有干涉图像处理软件的计算机；15为干涉图像；16为目标位置信号；17为0度相移混频光束；18为180度相移混频光束；19为90度相移混频光束；20为270度相移混频光束；21为滤波处理；22为二值化处理；23为提取干涉条纹边缘；24为确定中心点偏移量R;25为计算俯仰角(X。具体实施方式以下结合附图和实施例进一歩详细说明本实用新型，但不应以此限制本实用新型的保护范围。先请参阅图3，图3是本实用新型带有干涉图像处理的相干激光测距仪的系统结构框图。由图可见，本实用新型可获得目标位置信息的相千激光測距仪，包括发射机和接收机，发射机由发射激光器l、光调制器2、发射光学系统3组成，接收机包括接收光学系统5、本振激光器7、光桥接器9、光电探测器IO、锁相环路12和CCD摄像机13，其特征在于所述的光桥接器9的两个输入端分别连接接收光学系统5和本振激光器7,该光桥接器9的输出端分别接所述的光电探测器10和CCD摄像机13，所述的光电探测器10经锁相环路12与本振激光器7相连，所述的CCD摄像机13的输出端与一具有干涉图像处理软件的计算机14相连，该计算机14的输出端与所述的接收光学系统5和发射光学系统3的控制部分相连。所述的发射激光器1和本振激光器7的频率可以相同也可不同，两者频率相同时光电探测爭10的类型为零差探测，不同时光电探测器10的类型为外差探测。为了更清晰直观，现以零差探测为例，说明本实用新型通过干涉图像15得到目标位置信息16的原理。请参阅图l，所述的回波6为平面波，场强表达式为五,(x，jy，z)=爿exp".F+p。,)=爿expjj'(、x+、j+夂:2)+p。,〗(t)=Jexp[A(xsinorcos;5+ysinorsin/3+zcosor)+p01]其中"为波矢f的俯仰角即与z轴夹角，-为方位角即波矢g在xoy平面投影与x轴夹角，A:,t、<v、^:为^在x、y、z轴上的分量，A为振幅，伊。,为初始位相。本振波8为点源坐标在(&，JVZ。)的球面波，场强表达式为￡"2(x,y,z)=flexp(，+p02)(2)其中r=[(;c—;02+(y—^)2+(Z—2。)2〗'2,A2为波矢幅值，B为振幅，％2为初始位相。该球面波在菲涅耳近似下有￡2"少，力=细(》exp"{[(x—x。)2+^—〗}.'),)若球面波点源在(0,0，zn)，以xoy平面为干涉面，得到平面波和球面波的干涉场强分布，_y一Iv一/(x，少)=爿2++2^5cosA;(xsinGrcos/+>>siri"siny0--^~+Ap0)(4)旋转坐标轴使方位角|3=0，并将干涉面变换到极坐标系下，则有如下干涉场强分布/O)=爿—+2v45cos/r(rsin"--+Ap0)()2;一o因此，所有极大点位置，即干涉图上的亮条纹分布为(a"-z。sinor)2=2w/lr,,+z02sin2or+由表达式(6)形式可知，得到的干涉图为明暗相间的环状条纹，且环状条纹的中心点偏移量为及-z。sina〖7)对于激光测距仪，本振光参数z。已知，环状干涉条纹的中心点偏移量R仅是回波俯仰角a的函数。只要得到干涉图像上环状干涉条纹的中心点偏移量R就可推算出回波的俯仰角a。在俯仰角很小的情况下，例如空间激光通信，可认为干涉条纹圆环中心位置和俯仰角为简单的线型关系，更利于直接对比目标位置变化。CCD摄像机13获得干涉图像15，经数据线传输给安装有干涉图像处理软件的计算机14进行处理分析。干涉图像处理软件的主要功能是从干涉图像15中确定环状干涉条纹的中心点坐标，进而推算出俯仰角a。干涉图像处理软件包括滤波处理21、二值化处理22、提取边缘23、确定中心点偏移量R24和计算俯仰角a25五个步骤。如图2所示。下面分别说明这五个歩骤的目的1、滤波处理21:目的是去除原始干涉图像15中图像轮廓模糊的噪声点，加强图像轮廓，改善图像质量；2、二值化处理22:选取合适的灰度阈值，灰度值大于阈值的点作为背景，其灰度值为0。小于阈值的点为区域点，灰度值为l，这样就将滤波后的干涉图像变为二值图像，便于进一歩分析；3、提取边缘23:明暗条纹边界上灰度值突变，使灰度值分布图上出现极值点，根据这一特性得到干涉条纹的边缘坐标；4、确定中心点偏移量R24:利用干涉图像15上环状干涉条纹的对称性，由得到的干涉条纹边缘坐标，确定出中心点偏离量R;5、计算俯仰角a25:由已知的本振光参数z。和获得的中心点偏离量R，利用关系式/-z。sina,推算出俯仰角a。本实用新型的整个工作过程综合说明如下-1、首先打开发射激光器l，本振激光器暂不工作，发射激光器l发出的光束通过光调制器2调制后，由发射光学系统3对调制后的光束进行扩束、准直，偏转瞄准后向目标4发射。2、经过目标4反射后，由接收光学系统5进行接收、滤波，得到回波6。由于只有回波6，没有本振波8，光桥接器9此时没有起到混频的作用，因此CCD摄像机13上仅有回波6产生的光斑。3、若回波6在CCD摄像机13上的光斑恰好落在极坐标系的极轴上，说明回波6在原标定的坐标系下的方位角p为零，此时恰有俯仰角a和干涉图像中心位置R之间一一对应的函数关系。4、若回波6在CCD摄像机13上的光斑不在原极坐标系的极轴上，说明回波6在原标定坐标系下的方位角p不为零，俯仰角a和干涉图像中心位置R之间没有一一对应的函数关系。在此情况下，需旋转CCD摄像机13的极坐标系，使光斑落在新极坐标系的极轴上，回波6在新的坐标系下的方位角P为零，目标方位角p由原坐标系旋转角度得到。5、此时再打开本振激光器7，回波6和本振激光器7发射的本振波8—起由光桥接器9混频，得到混频光束，利用任意一束混频光束在CCD摄像机13上得到干涉图像15。6、获得的干涉图像15经数据线传输到装有干涉图像处理软件的计算机14中进行处理分析，最终得到包括俯仰角a和方位角p在内的目标位置信息16。7、目标位置信号16作为控制信号，传输给发射光学系统3和接收光学系统5的机电控制部分。通常，光学系统中的望远镜上都安装有编码器，可获得自身的偏转角度。发射光学系统3的控制部分将得到的发射望远镜偏转角度和实际目标位置信息16进行比较，将两者的差值作为反馈信号，驱动望远镜的机械部分进行偏转，校正发射望远镜的偏转方向，保证发射望远镜实时瞄准目标4。同样的，接收光学系统5中的控制部分也将接收望远镜偏转角度和实际目标位置信息16的差值作为反馈信号，驱动接收望远镜的机械部分，保证接收射望远镜实时瞄准目标4;8、在对干涉图像15进行处理的同时，混频光束经光电探测器10探测、处理后得到目标距离信号11，并经过锁相环路12变换为本振激光器7的控制信号，调节本振光波8，以保证回波6和本振波8两者之间固定的位相关系。对于发射激光器1和本振激光器7的频率不同的外差探测情况，可以同理得到带有两波矢比例系数的干涉场强分布以及亮环中心位置，在此不再赘述。为减小相位噪声对系统精度的影响，激光测距系统中的激光器，包括发射激光器1和本振激光器7，应具有良好的窄线宽高稳频性能。实验表明，工作波长小于1.4nm的激光能量会在人眼聚焦于视网膜，因此从实际应用角度考虑，激光测距仪的工作波长应大于1.4pm，以保证使用者的人眼安全。光调制器2具有多个不同的调制频率，以得到不同的测量精度，实现对目标进行分级测量。光桥接器9的主要功能是在空间精确合成信号激光波前和本振激光波前，以产生两者的差频。在性能上分为％度相移两通道输出，180度相移两通道输出和90度相移四通道输出等结构，180度相移2x2光桥接器可用于平衡锁相环路接收机，90度相移2x2光桥接器可用于科斯塔斯锁相环路接收机，90度相移2x4光桥接器可用于平衡接收和科斯塔斯锁相环路相结合的接收机。锁相环路11的结构需和光电桥接器9以及光电接收相匹配。不同锁相环路类型的性能、以及对使用信号类型和前置电路要求均不同。目前广泛使用的锁相环路类型有平衡锁相环(BalancedPhaseLockedLoop)、科斯塔斯锁相环路(CostasPhaseLockedLoop)、决策驱动锁相环路(Decision-DrivenPhasedLockedLoop)、同步位锁相环路(Sync-BitPhaseLockedLoop)和高频振荡锁相环路(DitherPhaseLockedLoop)。这几种环路的性能比较如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>实施例的系统结构如图3所示。实施例采用零差探测方式，发射激光器1和本振激光器7均选用Nd:YAG激光器，工作波长为1.54pm，为人眼安全波长范围。光调制器2采用铌酸锂晶体制成的电光调制器。光电探测器10为平衡接收方式，锁相环路12采用科斯塔斯锁相环路形式与之匹配。光桥接器9选用90度相移2x4双折射自由空间光桥接器[参见文献1:双折射自由空间光桥接器，国家发明专利]。CCD摄像机13有效尺寸为500x500象素，象素尺寸为1(Himxl(^m。干涉图像15由数据线传输至安装有图像处理软件的计算机14。干涉图像处理软件所使用的编程语言是VC++,编程软件是MicrosoftVisualC++6.0。其主要功能对CCD摄像机13获得的干涉图像15进行处理分析，得到中心点偏移量R，进而推算出俯仰角a，得到包括俯仰角a和方位角p在内的百标位置信息16。干涉图像处理软件14包括滤波处理21、二值化处理22、提取边缘23、确定中心点偏移量R24和计算俯仰角a25五个步骤。下面分别说明这五个步骤的具体采用的算法和工作情况-1、滤波处理21:实施例采用Sobel算子的空间巻积法，利用微分增加高频成分的特性，去除原始干涉图像15中使图像轮廓模糊的噪声点，加强以改善图像质量；2、二值化处理22:实施例采用一维最大熵阈值法，针对图像的不同区域算出不同的分割阈值，利用阈值分割将原始图象变为二值图像，背景灰度值为0，区域灰度值为1;3、提取边缘23:实施例采用边界跟踪法得到二值化图像的内边界点，根据干涉条纹的闭合性，有闭合边界的区域可判断为亮环，因此可得到千涉图像上所有干涉条纹边缘的位置坐标；4、确定中心点偏移量R24:利用干涉图像15上环状干涉条纹的对称性，由得到的干涉条纹边缘坐标，确定出中心点偏离量R;5、计算俯仰角a25:由已知的本振光参数Zo和获得的中心点偏离量R，利用关系式(6)，计算出俯仰角a。本实用新型实施例的整个工作情况描述如下。1)发射激光器1发出的光束经光调制器2调制，发射光学系统3对调制后的发射光束进行扩束、准直，调整发射角度后向目标4发射，经目标4反射后进入接收机。2)假设目标4在初始位置时，俯仰角a为30。，方位角p为45。。开启发射激光器1，暂不丌启本振激光器7，发射光束经目标4反射得到回波6，回波6在CCD摄像机13上的光斑不在极坐标系的极轴上，即可判断出方位角p不为零，旋转CCD摄像机13极坐标系，使光斑落在极坐标系的极轴上，使回波6在新极坐标系下的方位角卩为零，并由极坐标系旋转角度得到目标的方位角卩=45°。3)然后开启本振激光器7，回波6和本振波8经光桥接器9混频合束，得到两两之间有90度位移的四束混频光束0度相移混频光束17、180度相移混频光束18、90度相移混频光束19、270度相移混频光束20。利用分光镜取0度相移混频光束17的部分光在CCD摄像机13上得到干涉图像L5。4)获得的干涉图像15经数据线传输到装有干涉图像处理软件的计算机14中进行处理分析，测得中心点偏移量R的最佳值为5.00mm。最后利用关系式(6)推算出俯仰角a为30。。整个图像处理过程完毕，得到目标位置信息16:俯仰角01=30°，方位角P=45°。误差主要由回波6的质量、CCD摄像机13的象素尺寸以及干涉图处理软件14所用算法有关。在前两者己知的情况下，可通过调整干涉图像处理软件的算法并通过软件处理来对误差进行补偿。5)当目标4移动，俯仰角和方位角变化为a=45°，方位角p-60。时，在上次测量结果的基础上，需再将CCD摄像机13坐标系旋转15°，使回波6的光斑落在坐标轴上，可知方位角fi变化了15°,即(3=60°。同时干涉图像的中心点偏移量R随目标位置变化漂移，测得最佳值为A"-7.07/mw。同样由式(6)计算得到的方位角ot为45°，即可知目标的俯仰角a移动了15°。这样就得到了目标位置移动后的位置信息16:俯仰角(1=45°，方位角|3=60°。权利要求1、一种可获得目标位置信息的相干激光测距仪，包括发射机和接收机，发射机由发射激光器(1)、光调制器(2)、发射光学系统(3)组成，接收机包括接收光学系统(5)、本振激光器(7)、光桥接器(9)、光电探测器(10)、锁相环路(12)和CCD摄像机(13)，其特征在于所述的光桥接器(9)的两个输入端分别连接接收光学系统(5)和本振激光器(7)，该光桥接器(9)的输出端分别接所述的光电探测器(10)和CCD摄像机(13)，所述的光电探测器(10)经锁相环路(12)与本振激光器(7)相连，所述的CCD摄像机(13)的输出端与一具有干涉图像处理软件的计算机(14)相连，该计算机(14)的输出端与所述的接收光学系统(5)和发射光学系统(3)的控制部分相连。2、根据权利要求1所述的相干激光测距仪，其特征在于所述的发射澂光器(1)和本振激光器(7)的频率相同或不同。3、根据权利要求1所述的相干激光测距仪，其特征在于所述的锁相环路(12)为平衡锁相环、科斯塔斯锁相环路、决策驱动锁相环路、同步位锁相环路或高频振荡锁相环路。专利摘要一种可获得目标位置信息的相干激光测距仪，采用连续波和相干探测体制，系统包括发射机和接收机两大部分。发射机由发射激光器、光调制器、发射光学系统组成，接收机由接收光学系统、本振激光器、光桥接器、光电探测器、锁相环路，以及CCD摄像机、干涉图像处理软件组成。接收机在相干探测得到传输距离信息的同时，利用回波和本振光波在CCD摄像机上得到的干涉图，经计算机图像处理和分析，获得的目标位置信息和目标距离信息，实时控制光学系统的机电部分，保证测距仪的发射望远镜和接收望远镜瞄准目标。本实用新型可实现性能更完善、最大测程更远的相干激光测距。文档编号G01S17/00GK201032490SQ20072006835公开日2008年3月5日申请日期2007年3月29日优先权日2007年3月29日发明者刘德安,刘立人,孙建锋,竹栾,楠许申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所