CN101975953A - 一种手持昼夜激光成像测距仪 - Google Patents
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Abstract
一种手持昼夜激光成像测距仪，它由激光发射分系统、激光接收分系统、信息处理及显示分系统构成，其位置连接关系是：激光发射分系统和激光接收分系统位于系统前端，信息处理及显示分系统位于系统后端。该激光发射分系统由照明激光光源、测距激光光源、分光片和发射透镜组成；该激光接收分系统由接收透镜、分光片、电荷耦合器件CCD和雪崩光电二极管APD接收器组成；该信息处理及显示分系统由基于数字信号处理器DSP的信息处理单元和液晶显示器LCD构成。该设备以激光为照明光源，不受外部环境限制，能昼夜对目标进行测距。它集成了激光成像和激光测距两套分系统，且共孔径发射和接收，构思科学、结构新颖，在激光成像和测距技术领域里具有广阔地应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种光、机、电、算一体化的激光成像系统和激光测距系统，特别是涉及一种手持昼夜激光成像测距仪，它集成了激光成像与激光测距功能。属于激光成像和激光测距技术领域。
(二)背景技术
激光测距仪由于具有非接触测量，测量距离远，测距快捷简便，测距精度高等优点而被广泛采用。其中，基于脉冲时间飞行法测距的激光测距仪由于结构简单，实现容易而被广泛采用。它通过脉冲激光器发送激光脉冲照射到待测目标表面，待测目标表面将反射照射其上的激光，被目标反射的激光信号由探测器接收。激光测距仪的控制电路记录激光脉冲的发射时间和激光脉冲的返回时间，计算发送脉冲和接收脉冲两者之间的时间差，再乘以光速即可获得激光脉冲的往返的距离值。
常用的激光测距仪主要是在白天进行测距。它与望远镜相结合，人眼通过望远镜的目镜观瞄被测目标。由于传统的激光测距仪只能在环境照度适合人眼观测时才可使用。而当待测目标在阴影黑暗处，或者在夜晚时，则人眼很难寻找到被测目标的准确位置，甚至无法看到目标，因此这种情况下无法使用普通激光测距仪实施有效测量。而基于微光成像的测距仪仍需要借助目标周围的微弱光照来发现目标再进行测距，基于红外成像的测距仪需要借助目标物自身的热辐射发现目标物后再进行测距。这两者都是被动成像设备，它们的成像效果受到周围环境光照情况或目标与背景的红外辐射特性的制约。如果环境光照极弱或者目标物没有明显热辐射，传统激光测距仪将失去夜视的能力，无法寻找目标进行测距。
本发明手持昼夜激光成像测距仪将激光成像和激光测距集成在一起，很好的克服了单独使用激光测距仪黑暗时人眼无法观测目标而导致无法测距的问题。它以激光泛光照明目标，无需依靠环境照明和目标物本身的热辐射，可以全天时成像，因此可实现昼夜测距。同时，激光成像和激光测距两套分系统共孔径发射，共孔径接收，缩小了设备体积和重量。结合这套设备可以昼夜成像并测距，体积小，重量轻的优势，其可广泛应用于安防、监控和测量等领域
(三)发明内容
1、目的：本发明的目的是提供一种手持昼夜激光成像测距仪，它可以昼夜成像并测距。该设备克服以往激光测距仪夜间因环境照度低人眼无法观测目标而无法测距的缺点，通过将激光成像与激光测距集成在一起，激光成像分系统和激光测距分系统共用发射光学系统，同时它们也共用接收光学系统。该设备结构新颖、体积小、重量轻、性能稳定、抗干扰性强，便于携带。
2、技术方案：
如图1所示，本发明一种手持昼夜激光成像测距仪，它由激光发射分系统、激光接收分系统、信息处理及显示分系统组成。它们之间的位置连接关系是：激光发射分系统和激光接收分系统位于系统前端，信息处理及显示分系统位于系统后端。
所述激光发射分系统由激光波长为808nm的半导体激光器、激光波长为905nm的半导体激光器、焦距为f1的发射透镜、焦距为f2的发射透镜和分光片构成。
其间的位置连接关系是：激光波长为808nm的半导体激光器与焦距为f1的发射透镜的光轴同轴放置，焦距为f1的发射透镜使波长为808nm的激光以较大发散角照射出去。激光波长为905nm的半导体激光器与焦距为f2的发射透镜的光轴同轴放置，且焦距为f2的发射透镜放置在激光波长为905nm的半导体激光器前方，使激光发射角变小。焦距为f1的发射透镜的光轴与焦距为f2的发射透镜的光轴互相垂直。分光片与两个透镜光轴均成45°角放置，放置在激光波长为808nm的半导体激光器与焦距为f1的发射透镜之间，且放在焦距为f2的发射透镜前端。分光片将波长为808nm的激光进行透射，将波长为905nm的激光进行反射，反射后的光经过焦距为f1的发射透镜发射出去后成为2mrad准直光束；
所述激光接收分系统由接收透镜、分光片、雪崩光电二极管APD接收器、电荷耦合器件CCD构成。其间的位置连接关系是：该电荷耦合器件CCD与接收透镜光轴同轴放置，该雪崩光电二极管APD接收器与接收透镜光轴垂直放置，该分光片放在电荷耦合器件CCD与接收透镜之间。分光片与接收透镜光轴成45°角放置。分光片将入射光中波长为808nm的激光进行透射，将波长为905nm的激光进行反射。透过的光被电荷耦合器件CCD接收，反射的光被雪崩光电二极管APD接收器接收。
所述信息处理及显示分系统由基于数字信号处理器DSP的信息处理单元及液晶显示器LCD构成。它们之间的位置连接关系是：液晶显示器LCD放置在基于数字信号处理器DSP的信息处理单元的后侧。雪崩光电二极管APD接收器与电荷耦合器件CCD接收到的光信号传给基于数字信号处理DSP的实时处理控制单元处理转换后由液晶显示器LCD将图像信息和测距数据显示出来。
其中，该接收透镜的焦距是80mm，有效口径是54.0mm；
其中，该雪崩光电二极管APD接收器是PerkinElmer公司的Silicon APD，型号为C30737LH-500-92；
其中，该电荷耦合器件CCD是Sony公司的1/3-inch B/W Sony CCD，型号为BS-568，最低照度0.01Lux/F1.2，规格(mm)49(L)×29(W)×54(H)；
其中，该基于数字信号处理器DSP的信息处理单元采用的是Ti公司的DM642芯片；
其中，该液晶显示器LCD的规格是126.5(w)×100(H)×84.672(V)mm，型号为JD50MLXDRD001-A056N52。
本发明的工作原理及流程是：该设备工作时，激光波长为808nm的半导体激光器发射的激光透射过分光片和焦距为f1的发射透镜后以较大发散角照射到观测区域，该激光为主动成像的照明光源；从观测区域返回的激光经过接收透镜、透射过分光片后投射到与光轴同轴的电荷耦合器件CCD，然后电荷耦合器件CCD将图像信息传给处理系统进行图像处理并由显示屏显示出实时图像；在显示屏中观测到待测目标时，将显示屏上的电子十字刻线对准待测目标，进行测距。
测距时，激光波长为905nm的半导体激光器发射激光脉冲，经过焦距为f2的发射透镜后激光发射角变小，然后经分光片进行反射，再经过焦距为f1的发射透镜，使照射光束成为2mrad准平直光束照射到待测目标上；从待测目标返回的光束通过接收透镜，再由分光镜反射后投射到雪崩光电二极管APD接收器上，然后由雪崩光电二极管APD接收器传给处理显示分系统就可以得到待测目标的距离信息了。
3、优点和功效：
(1)该设备可昼夜成像测距，全天时监视观测区域；
(2)激光成像与激光测距共孔径发射，共孔径接收。减小了设备体积和重量；
(3)激光夜视功能和激光测距功能高度集成；
(4)可以准确获得目标距离信息。
(四)附图说明
图1为手持昼夜激光成像测距仪的结构示意图
图中符号说明如下：
1激光波长为808nm的半导体激光器；2激光波长为905nm的半导体激光器；3焦距为f2的发射透镜；4分光片；5焦距为f1的发射透镜；6电荷耦合器件CCD；7分光片；8雪崩光电二极管APD接收器；9接收透镜；10基于数字信号处理器DSP的信息处理单元；11液晶显示器LCD。
(五)具体实施方式
见图1，本发明一种手持昼夜激光成像测距仪，它由激光波长为808nm的半导体激光器1、激光波长为905nm的半导体激光器2、焦距为f2的发射透镜3、分光片4和焦距为f1的发射透镜5组成的激光发射系统，电荷耦合器件CCD 6、分光片7、雪崩光电二极管APD接收器8和接收透镜9组成的激光接收系统以及基于数字信号处理器DSP的信息处理单元10和液晶显示器LCD 11构成。它们之间的位置连接关系是：激光发射分系统和激光接收分系统位于系统前端，信息处理及显示分系统位于系统后端。
所述激光发射分系统由激光波长为808nm的半导体激光器1、激光波长为905nm的激光器2、焦距为f1的发射透镜5、焦距为f2的发射透镜3和分光片4构成。
其中，激光源是由半导体激光器构成，半导体激光器1产生波长为808nm的激光，半导体激光器2产生波长为905nm的激光，两个半导体激光器1、2垂直放置；
其中，激光波长为808nm的半导体激光器1与焦距为f1的发射透镜5的光轴同轴放置，焦距为f1的发射透镜5使波长为808nm的激光以较大发散角照射出去。激光波长为905nm的半导体激光器2与焦距为f2的发射透镜3的光轴同轴放置，且焦距为f2的发射透镜3放置在产生激光波长为905nm的半导体激光器2前方，使激光发射角变小。焦距为f1的发射透镜5的光轴与焦距为f2的发射透镜3的光轴互相垂直；
其中，分光片4与两个透镜光轴均成45°角放置，放置在激光波长为808nm的半导体激光器1与焦距为f1的发射透镜5之间，且放在焦距为f2的发射透镜3前端。分光片4将波长为808nm的激光透射过去，将波长为905nm的激光进行反射，反射后的光经过焦距为f1的发射透镜5发射出去后成为2mrad准直光束；
所述激光接收分系统由接收透镜9、分光片7、雪崩光电二极管APD接收器8、电荷耦合器件CCD 6构成。
其中，电荷耦合器件CCD 6与接收透镜9光轴同轴放置，雪崩光电二极管APD接收器8与接收透镜9光轴垂直放置，分光片7放在电荷耦合器件CCD 6与接收透镜9之间。分光片7与接收透镜9光轴成45°角放置。分光片7将波长为808nm的激光进行透射，将波长为905nm的激光进行反射。透过的光被电荷耦合器件CCD 6接收，反射的光被雪崩光电二极管APD接收器8接收。
所述信息处理及显示分系统由基于数字信号处理器DSP的信息处理单元10及液晶显示器LCD11构成。雪崩光电二极管APD接收器8与电荷耦合器件CCD 6接收到的光信号传给基于数字信号处理器DSP的信息处理单元10处理转换后由液晶显示器LCD 11将图像信息和测距数据显示出来。
其中，该接收透镜的焦距是80mm，有效口径是54.0mm；
其中，该雪崩光电二极管APD接收器是PerkinElmer公司的Silicon APD，型号为C30737LH-500-92；
其中，该电荷耦合器件CCD是Sony公司的1/3-inch B/W Sony CCD，型号为BS-568，最低照度0.01Lux/F1.2，规格(mm)49(L)×29(W)×54(H)；
其中，该基于数字信号处理器DSP的信息处理单元采用的是Ti公司的DM642芯片；
其中，该液晶显示器LCD的规格是126.5(w)×100(H)×84.672(V)mm，型号为JD50MLXDRD001-A056N52。
图1所示为手持昼夜激光成像测距仪结构示意图，激光波长为808nm的半导体激光器1发射的激光透射过分光片4和焦距为f1的发射透镜5后以较大发散角照射到观测区域；从观测区域返回的激光经过接收透镜9、透射过分光片7后投射到与光轴同轴的电荷耦合器件CCD6，然后电荷耦合器件CCD 6将图像信息传给基于数字信号处理器DSP的信息处理单元10，按照相应的算法对采集到的图像进行处理，并由液晶显示器LCD 11显示出实时图像；在液晶显示器LCD 11中观测到待测目标时，将液晶显示器LCD 11上的电子十字刻线对准待测目标，触发激光波长为905nm的半导体激光器2发射激光脉冲，经过焦距为f2的发射透镜3后激光发射角变小，然后经分光片4进行反射，再经过焦距为f1的发射透镜5，使照射光束成为2mrad准平光束照射到待测目标上；从待测目标返回的光束通过接收透镜9，再由分光镜7反射后投射到雪崩光电二极管APD接收器8上，然后由雪崩光电二极管APD接收器8传给基于数字信号处理器DSP的信息处理单元10，计算出待测目标距离信息后，与激光成像模块呈现的图像进行叠加，然后在液晶显示器LCD 11看到实时场景的同时就可以得到待测目标的距离信息了。
Claims (6)
1.一种手持昼夜激光成像测距仪，其特征在于：它由激光发射分系统、激光接收分系统、信息处理及显示分系统组成，它们之间的位置连接关系是：激光发射分系统和激光接收分系统位于系统前端，信息处理及显示分系统位于系统后端；
所述激光发射分系统由激光波长为808nm的半导体激光器、激光波长为905nm的半导体激光器、焦距为f1的发射透镜、焦距为f2的发射透镜和分光片构成，其间的位置连接关系是：该激光波长为808nm的半导体激光器与焦距为f1的发射透镜的光轴同轴放置，该焦距为f1的发射透镜使波长为808nm的激光以较大发散角照射出去；该激光波长为905nm的半导体激光器与焦距为f2的发射透镜的光轴同轴放置，且焦距为f2的发射透镜放置在激光波长为905nm的半导体激光器前方，使激光发射角变小；该焦距为f1的发射透镜的光轴与焦距为f2的发射透镜的光轴互相垂直；该分光片与两个透镜光轴均成45°角放置，放置在激光波长为808nm的半导体激光器与焦距为f1的发射透镜之间，且放在焦距为f2的发射透镜前端；分光片将波长为808nm的激光进行透射，将波长为905nm的激光进行反射，反射后的光经过焦距为f1的发射透镜发射出去后成为2mrad准直光束；
所述激光接收分系统由接收透镜、分光片、雪崩光电二极管APD接收器、电荷耦合器件CCD构成，其间的位置连接关系是：该电荷耦合器件CCD与接收透镜光轴同轴放置，该雪崩光电二极管APD接收器与接收透镜光轴垂直放置，该分光片放在电荷耦合器件CCD与接收透镜之间，分光片与接收透镜光轴成45°角放置；分光片将入射光中波长为808nm的激光进行透射，将波长为905nm的激光进行反射；透过的光被电荷耦合器件CCD接收，反射的光被雪崩光电二极管APD接收器接收；
所述信息处理及显示分系统由基于数字信号处理器DSP的信息处理单元及液晶显示器LCD构成，它们之间的位置连接关系是：液晶显示器LCD放置在基于数字信号处理器DSP的信息处理单元的后侧；雪崩光电二极管APD接收器与电荷耦合器件CCD接收到的光信号传给基于数字信号处理器DSP的信息处理单元处理转换后由液晶显示器LCD将图像信息和测距数据显示出来。
2.根据权利要求1所述的一种手持昼夜激光成像测距仪，其特征在于：该接收透镜的焦距是80mm，有效口径是54.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种手持昼夜激光成像测距仪，其特征在于：该雪崩光电二极管APD接收器是PerkinElmer公司的Silicon APD，型号为C30737LH-500-92。
4.根据权利要求1所述的一种手持昼夜激光成像测距仪，其特征在于：该电荷耦合器件CCD是Sony公司的1/3-inch B/W Sony CCD，型号为BS-568，最低照度0.01Lux/F1.2，规格为49×29×54mm。
5.根据权利要求1所述的一种手持昼夜激光成像测距仪，其特征在于：该基于数字信号处理器DSP的信息处理单元采用的是Ti公司的DM642芯片。
6.根据权利要求1所述的一种手持昼夜激光成像测距仪，其特征在于：该液晶显示器LCD的规格是126.5×100×84.672mm，型号为JD50MLXD RD001-A056N52。
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