一种具有测距功能的被动成像系统及其测距方法

摘要

本发明公开了一种具有测距功能的被动成像系统及其测距方法，该系统包括：高频低能量脉冲激光发射装置，用于发射高频低能量激光脉冲，并扩束整形以达到远距离；光电二极管阵列探测器成像装置，用于接收由目标反射回的激光光斑及背景图像，并通过调整积分时间来获取距离值；视频放大及模数转换装置，用于将光电二极管阵列探测器成像装置的光生电荷转换为电压，并经过模数转换器将模拟图像数字化；数字图像处理与时序发生的数字处理装置，用于对视频放大及模数转换装置输入的数字图像进行预处理及目标提取。本发明实现了高性能被动成像和测距功能的结合。

说明书

技术领域

本发明属于激光成像与测距技术领域，尤其是一种具有测距功能的被 动成像系统及其测距方法。

背景技术

用于测距的积分电容，晶体管资源，可以实现很短的积分时间窗 (10ns-10μs)，实现门控功能对接收信号积分。

当前市场上的激光测距仪均为非成像测距仪，采用发散角很小的激光 束照射到目标上形成激光测量点，利用点探测器接收来自测量点的反射或 散射的激光信号，通过反演获取目标距离。由于激光照射到目标上时形成 的激光点尺寸很小，从而导致寻的困难，即对远距离目标测距时激光束很 难瞄准目标，特别是小目标。

为解决此问题，激光测距仪被辅以瞄准望远镜，观察者可以通过望远 镜寻找被测目标。但是，望远镜式测距仪仅在环境照度适宜的情况下才可 有效寻的，当在夜间等低照度情况下则无法有效寻的，且当环境照度较高 或者激光波长为人眼不可见时，人眼很难发现目标上的激光测量点，为此 通常对瞄准望远镜和激光测距仪进行校准和标定，通过瞄准望远镜上的十 字刻线来选取测量点，但这会导致望远镜测距仪对冲击很敏感。

此外，莱卡地球系统开发股份有限公司发明了一种具有瞄准装置的测 距仪(发明专利号ZL02814430.9)。该测距仪采用可见光光束照射目标， 在目标上形成测量点，借助瞄准装置观察测量点以保障光学接收系统有效 接收来自目标的信号实现目标测距。但是对低照度环境下目标测距时，该 测距仪的瞄准装置仍无法有效寻的。

针对低照度环境下寻的问题，北京航空航天大学发明了一种手持昼夜 激光成像测距仪(发明专利申请号：201010293433.2)，包括激光成像分系 统和激光测距分系统，其中，激光成像分系统实现低照度环境下目标的有 效探测，激光测距分系统则实现目标测距。该激光成像测距仪主要是采用 激光成像分系统替代瞄准望远镜，仍以十字刻线来瞄准目标，因此，本质 上与传统的望远镜式激光测距仪相同，仍然对冲击敏感，且激光束难以对 远距离小目标形成有效测量点。

综上所述，目前激光测距仪的激光束发散角很小，在测距时，目标上 的激光测量点比较小，因而，对于远距离目标，尤其是小目标测距时，存 在寻的困难的问题。

本发明主要针对前述的激光成像分系统和激光测距分系统，具体图示 见附图2，要解决目前影响其中激光测距是基于飞行时间(TOF)原理， 而影响测距范围的主要因素如下：

1.系统接收视场较大，会引入较多的背景噪声，导致信噪比SNR降 低，从而影响测量距离范围；

2.光电倍增管也会引入较大的噪声，影响测距；

3.为测量远距离目标，采用高能量低频率的脉冲激光器，其体积笨重 且成本高；

4.若测距与被动成像使用同一接收光学系统，因此测距系统接收面积 会受限制。

因此，迫切需要有一种具有测距和被动成像两种功能的光电系统，在 测距和被动成像两个方面都能很好解决上述提到的问题，比如测距范围变 小、SNR降低，响应时间长等。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有测距功能的被动成像 系统及其测距方法，以很好地解决现有的激光成像分系统和激光测距分系 统在测距和被动成像两个方面的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种具有测距功能的被动 成像系统，该系统包括高频低能量脉冲激光发射装置、光电二极管阵列探 测器成像装置、视频放大及模数转换装置和数字图像处理与时序发生的数 字处理装置，其中：高频低能量脉冲激光发射装置，用于发射高频低能量 激光脉冲，并扩束整形以达到远距离；光电二极管阵列探测器成像装置， 用于接收由目标反射回的激光光斑及背景图像，并通过调整积分时间来获 取距离值；视频放大及模数转换装置，用于将光电二极管阵列探测器成像 装置的光生电荷转换为电压，并经过模数转换器将模拟图像数字化；数字 图像处理与时序发生的数字处理装置，用于对视频放大及模数转换装置输 入的数字图像进行预处理及目标提取。

上述方案中，该高频低能量脉冲激光发射装置包括脉冲激光器104和 激光发射光学系统1041，其中：脉冲激光器104用于产生高频低能量激光 脉冲；激光发射光学系统1041用于改善激光的准直度以得到理想的远距 离测量效果。

上述方案中，该光电二极管阵列探测器成像装置包括光电二极管阵列 探测器102和成像光学系统101；其中：光电二极管阵列探测器102用于 将微弱光信号转换为电信号，进而得到图像以及相应目标的距离值；成像 光学系统101用于接收微弱光信号并汇聚至探测器表面，增大探测器的有 效接收面积。

上述方案中，该光电二极管阵列探测器102包括行地址选择电路1025、 列地址选择电路1026、地址数据复用器1024、读出控制单元1027、APD 二极管单元1021、门控积分器1022和Q／V电荷电压转换电路1023，其中： 行地址选择电路1025用于选择二极管阵列探测器的行数，列地址选择电 路1026用于选择二极管阵列探测器的列数，二者结合选定阵列探测器中 的某个探测器单元；地址数据复用器1024用于分时实现地址总线和数据 总线的功能；读出控制单元1027用于读出阵列及子阵列探测器信号的控 制电路；APD二极管单元1021用于接收微弱光转为电信号；门控积分器 1022用于调整积分时间；Q／V电荷电压转换电路1023用于将二极管的光 生电荷转换为电压。

上述方案中，该视频放大及模数转换装置111用于对视频模拟信号实 现视频放大及AD转换，最后将模拟图像数字化，并将得到的数字图像输 出给数字图像处理与时序发生的数字处理装置108。

上述方案中，该数字图像处理与时序发生的数字处理装置108包括用 于常规图像处理的光斑探测处理单元110、距离监测单元109和时钟发生 器103，其中：光斑探测处理单元110用于接收探测图像，并与给定阈值 比较，以确定目标反射信号是否存在；距离监测单元109用来根据获取图 像判断目标有无进而控制时钟发生器103产生粗定位与精定位的积分窗偏 移信号，包括偏移信号0ff或off_f；时钟发生器103，用来提供距离监测单 元109的控制信号及成像单元的控制信号，并根据目标有无来调整探测器 的门控积分时间。

上述方案中，该时钟发生器103提供的距离监测单元109的控制信号 及成像单元的控制信号包括：高频低能量的脉冲激光器104发射脉冲的起 始信号，光电二极管1021与积分器1022的连接有无信号，其中光电二极 管1021与积分器1022的连接有无信号用于实现积分，产生门控功能。

为达到上述目的的另一个方面，本发明提供了一种基于所述的具有测 距功能的被动成像系统的测距方法，该测距方法包括粗定位与精定位两个 步骤，是先粗定位后精定位，具体包括：

其一，粗定位阶段，由目标反射回的光脉冲经过光电二极管转换为相 应的电荷，并通过积分器积分，在预定时间值为F，从发射脉冲到开始积 分的偏移值off，的时间窗，其中，off<1／f及F<1／f；将积分信号与第一 个预定阈值比较，只要积分信号低于阈值，积分、比较的步骤迭代进行， 采用时间窗的新偏移值，其值相对前一个偏移值off增加F，一旦积分信 号超过预定阈值，目标的粗定位距离值确定，对应由时间F和偏移值为off_g；

其二，精定位阶段，先预设时间值F，偏移值off_f等于off_g；将积分 信号与第二个预定阈值比较，只要积分信号低于阈值，积分、比较的步骤 重复进行，采用时间窗的新偏移值，其值相对前一个偏移值off_f增加d， 其中，d<F，及off_g<off_f<off_g+F；当第一次迭代小于第二个阈值，则继 续迭代，直到大于第二个阈值；若第一次迭代大于第二个阈值，则迭代结 束。

上述方案中，所述预定时间值F和从发射脉冲到开始积分的偏移值off 是由目标的大概距离值决定的，偏移值增加量d是由定位精度决定的。

上述方案中，所述粗定位阶段。在将积分信号与第一个预定阈值比较 之前，对目标返回信号积分；根据对目标估计的最小信号和积分次数，初 步决定第一个阈值和第二个阈值。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，与激光测距仪与成像系统简单组合相比， 本发明具有以下有益效果：

1、通过门控积分器调整积分时间代替TOF实现测距，因此可以采用 单个探测器系统(光学系统与探测器)实现测距和成像功能。

2、由于省去了TOF激光测距，不采用APD探测器，且避免使用宽 带放大器系统，使得测距通道噪声小；

3、采用门控积分器功能，可有效滤除大气的散射的影响，从而可以 校正由于大气强散射对目标测距不准；

4、采用调整门控积分器功能测距，取代TOF测距，因此可以使用低 能量高频率脉冲激光器，避免使用成本高，体积大的低频高能量激光器；

5、采用相同的光学接收系统及探测器，实现高性能被动成像和测距 功能的结合。

附图说明

图1是本发明提供的具有测距功能的被动成像系统的示意图；

图2是传统的激光仪测距仪与被动成像系统简单结合的光电系统的示 意图，是现有的激光成像测距技术，用于与图1所示的本发明提供的具有 测距功能的被动成像系统进行对照，便于理解本发明的改进之处及带来的 优点；

图3(a)是本发明提供的具有测距功能的被动成像系统对目标实现测 距的粗定位阶段时序模式示意图；

图3(b)是本发明提供的具有测距功能的被动成像系统对目标实现测 距的精定位阶段时序模式示意图；

图4是本发明提供的具有测距功能的被动成像系统探测目标最大距离 与激光发射频率的关系曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1所示，本发明提供的这种具有测距功能的被动成像系统， 包括高频低能量脉冲激光发射装置、光电二极管阵列探测器成像装置、视 频放大及模数转换装置和数字图像处理与时序发生的数字处理装置，其中：

高频低能量脉冲激光发射装置，用于发射高频低能量激光脉冲，并扩 束整形以达到远距离；

光电二极管阵列探测器成像装置，用于接收由目标反射回的激光光斑 及背景图像，并通过调整积分时间来获取距离值；

视频放大及模数转换装置，用于将光电二极管阵列探测器成像装置的 光生电荷转换为电压，并经过模数转换器将模拟图像数字化；

数字图像处理与时序发生的数字处理装置，用于对视频放大及模数转 换装置输入的数字图像进行预处理及目标提取。

其中，该高频低能量脉冲激光发射装置包括脉冲激光器104和激光发 射光学系统1041，脉冲激光器104用于产生高频低能量激光脉冲，激光发 射光学系统1041用于改善激光的准直度以得到理想的远距离测量效果。

该光电二极管阵列探测器成像装置包括光电二极管阵列探测器102和 成像光学系统101；其中，光电二极管阵列探测器102用于将微弱光信号 转换为电信号，进而得到图像以及相应目标的距离值，成像光学系统101 用于接收微弱光信号并汇聚至探测器表面，增大探测器的有效接收面积。

该光电二极管阵列探测器102包括行地址选择电路1025、列地址选择 电路1026、地址数据复用器1024、读出控制单元1027、APD二极管单元 1021、门控积分器1022和Q／V电荷电压转换电路1023，其中行地址选择 电路1025用于选择二极管阵列探测器的行数，列地址选择电路1026用于 选择二极管阵列探测器的列数，二者结合选定阵列探测器中的某个探测器 单元；地址数据复用器1024用于分时实现地址总线和数据总线的功能， 读出控制单元1027用于读出阵列及子阵列探测器信号的控制电路，APD 二极管单元1021用于接收微弱光转为电信号，门控积分器1022用于调整 积分时间，Q／V电荷电压转换电路1023用于将二极管的光生电荷转换为 申压。

视频放大及模数转换装置111用于对视频模拟信号实现视频放大及 AD转换，最后将模拟图像数字化，并将得到的数字图像输出给数字图像 处理与时序发生的数字处理装置108；

该数字图像处理与时序发生的数字处理装置108包括用于常规图像处 理的光斑探测处理单元110、距离监测单元109和时钟发生器103，其中 光斑探测处理单元110用于接收探测图像，并与给定阈值比较，以确定目 标反射信号是否存在；距离监测单元109用来根据获取图像判断目标有无 进而控制时钟发生器103产生粗定位与精定位的积分窗偏移信号，包括偏 移信号off或off_f；时钟发生器103，用来提供距离监测单元109的控制信 号及成像单元的控制信号，并根据目标有无来调整探测器的门控积分时间。 这些控制信号分别是：高频低能量的脉冲激光器104发射脉冲的起始信号， 光电二极管1021与积分器1022的连接有无信号(该连接信号用于实现积 分，产生门控功能)。

该装置中，由于采用调整探测器的积分时间来测距，所以成像与测距 为同一部分，因此图2中描述的激光测距接收部分包括测距探测器205， 及放大电路2051与滤波电路2052，光学接收部分206都变的没必要。距 离计算模块，也被前述的粗定位与精定位方法替代，信号积分、比较运算 方法可在数字处理单元实现。该装置采用同一探测系统，可以通过增大接 收光学系统的尺寸来提供高探测系统的灵敏度。

本装置中，光电二极管阵列探测器102，其积分器1022用于门控功能， 只对目标积分而对场景不积分，可以用于实现测距功能。因此计算距离不 再是由飞行时间(TOF)决定，其中，飞行时间由激光发射时刻到目标反射 信号接收时刻的时间差决定。

图3示出了本发明测距方法的步骤，对目标实现测距的粗定位阶段时 序模式示意图(a)，对目标实现测距的精定位阶段时序模式示意图(b)。

其一，目标粗定位方法步骤如下：

举例，由系统确定的脉冲激光器的脉宽为10ns，重复频率f小于某个 限定的值(即频率上限)，为避免系统的发射脉冲与接收脉冲重叠。其中， 频率上限是根据图4的最大测量距离计算的。由图4可知，测量距离为 10km，其对应的重复频率上限值为20kHz.已知积分的时间窗为F，其频率 值等于激光发射频率，F<1／f.

为与由目标反射回的脉冲到达探测器的时刻同步，积分窗需要提前打 开，而后，在读出电路时，开始实现积分。时间窗的宽度F，由对应目标 定位的距离值Dis决定，此外，距离值是从原点开始，并由从发射脉冲到 开始积分时刻的偏移值决定，off<1／f。最后，积分窗的宽度F及偏移值 off，对应离原点的距离值为Dis。例如，积分窗宽度13.4μs，对应距离范 围2km。偏移值为20μs，对应离原点的距离为3km。因此，积分窗对应的 距离范围3-5km。根据目标的返回值，来确定是在或者不在该距离范围内。 如果目标落在该距离范围内，比如为4km，则目标返回信号开始积分，并 被探测到。也就是说，目标粗定位在3-5km，如图3(a)所示，目标返回 信号在积分窗内开始积分。相反，假设目标距离为6km，目标返回信号就 不会被探测到。

如果目标返回信号没有被探测到，意味着，探测信号小于预定的阈值。 通过调整积分窗时间的偏移值，对光电二极管转换的电荷信号进行积分、 并与设定的阈值比较，该步骤重复进行，直到积分信号值超过设定阈值， 其中积分窗需要偏移F(即新off值等于前off值加F之和)使对应距离值 为离原点O的距离5km的位置，即新积分窗对应的距离范围5-7km。为 确定该距离范围与下一个距离范围的连续性，我们使连续的两个积分窗稍 微有重叠。积分窗偏移值为F-δF，δF为F值的1％。重复上述过程，直到 对目标实现粗定位。

其二，在粗定位阶段，时间窗是由‘粗’窗及偏移值off_g组成；在精定 位阶段，时间窗是在‘粗’窗基础上连续偏移off_f，其中新off_f值等于前off_f值加d之和。积分窗等于F或略小于F，该测距算法，一方面，可以对场 景中非目标信号不用积分，仅获得目标的距离值；另一方面，优化测距系 统的整体性能，包括SNR等。该算法对目标定位，取决于积分窗的连续 偏移值。实际中，当积分信号大于预定阈值，则目标返回信号只会出现在 几个时间窗，而当延迟d大于脉冲飞行时间，目标返回信号突然消失，即 积分窗时间只能在在‘粗’窗中偏移，其中off_g<off_f<off_g+F。定位精度由 积分窗的时间偏移值d决定，距离值由增加积分窗时间偏移值d或 1.5m／10ns来得出的精度。时间窗F为6.68μs，对应距离范围1km，偏移 值为1.33μs，对应提前距离值为200m。即，5个偏移值就可以足够覆盖 1km的距离范围，且测距精度为200m。例如，粗定位结果，目标在3-5km 范围内，时间窗F为6.68μs，对应距离范围1km，偏移值为1.33μs，对应 提前距离值为200m，这些都可以确定。若目标距离为3.5km，那么目标返 回信号在第3个时间窗出现被探测到，且在第4个时间窗消失。即目标精 测的距离范围为3.4-3.6km。

本发明，光电二极管阵列探测器102，其阵列由256行×320列组成， 该探测器的材料采用和激光照明波长一致的材料。其中，硅，适宜于探测 波长为0.4μm-1.1μm激光；锑铬汞CdHgTe，适宜于探测波长为0.4μm-1.5μm 激光；铟镓鉮InGaAs，适宜于探测波长为0.4μm-2.5μm激光。而且该探测 器阵列的每一个读出电路中的积分器，其积分电容的尺寸大小合适，以适 应被动成像的限制。为实现测距，积分器1022，通过占用必要的晶体管资 源，来实现很短的(10ns-10μs)积分窗周期的开启，并最终实现门控功能， 只对目标反射信号进行积分。

本发明，光电二极管阵列探测器102的读出电路的控制信号，由时钟 发生器103产生，以及精确的控制延迟或偏移值off或off_f用来对目标返 回信号的积分器的积分窗实现控制；由光电二极管1021与积分器1022的 连接有无信号实现门控功能，也由时钟发生器103提供；这使低能量、高 频率脉冲脉冲激光器104就可以满足系统要求。

本发明，目标成像在光电二极管阵列探测器102中的大小与位置是随 机的，通过控制行选择电路1025与列选择电路1026进行选择行与列的地 址，可以得到目标所在子阵列的探测器。而且，可以通过激光器重复频率 提高到很高(达到20kHz)，仅读取我们感兴趣区域。将被动成像探测器 的整个观察视场分为若干个子视场，等效于阵列探测器的若干个子探测单 元的。在给定的视场下，如果单个视场很小，则产生的光子噪声可以忽略 不计，这样可以探测很弱的信号，实现对很远的激光光斑探测。子阵列读 出电路可以使小尺寸(几十个像素)的图像读出帧速度很高(50μs-100μs)。 然而子阵列探测器的尺寸通常会大于传统的激光测距探测器的尺寸，使得 测距发射与接收通道方面的平衡大打折扣。

综上所述，读取子阵列大小为32列×10行，获取距离信息大约几ms。 因此空间大小可调的子阵列，提供以下优点：

1、减少背景的光子噪声，提高了光斑探测与测距的灵敏度；

2、简化了接收目镜的设计；

3、减少了相应电路的噪声与电路带宽，提高增益灵敏度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。