專利名稱：一種手持晝夜激光成像測距儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光、機、電、算一體化的激光成像系統和激光測距系統，特別是涉 及一種手持晝夜激光成像測距儀，它集成了激光成像與激光測距功能。屬于激光成像和激 光測距技術領域。( 二)
背景技術：
激光測距儀由于具有非接觸測量，測量距離遠，測距快捷簡便，測距精度高等優點 而被廣泛采用。其中，基于脈沖時間飛行法測距的激光測距儀由于結構簡單，實現容易而被 廣泛采用。它通過脈沖激光器發送激光脈沖照射到待測目標表面，待測目標表面將反射照 射其上的激光，被目標反射的激光信號由探測器接收。激光測距儀的控制電路記錄激光脈 沖的發射時間和激光脈沖的返回時間，計算發送脈沖和接收脈沖兩者之間的時間差，再乘 以光速即可獲得激光脈沖的往返的距離值。常用的激光測距儀主要是在白天進行測距。它與望遠鏡相結合，人眼通過望遠鏡 的目鏡觀瞄被測目標。由于傳統的激光測距儀只能在環境照度適合人眼觀測時才可使用。 而當待測目標在陰影黑暗處，或者在夜晚時，則人眼很難尋找到被測目標的準確位置，甚至 無法看到目標，因此這種情況下無法使用普通激光測距儀實施有效測量。而基于微光成像 的測距儀仍需要借助目標周圍的微弱光照來發現目標再進行測距，基于紅外成像的測距儀 需要借助目標物自身的熱輻射發現目標物后再進行測距。這兩者都是被動成像設備，它們 的成像效果受到周圍環境光照情況或目標與背景的紅外輻射特性的制約。如果環境光照極 弱或者目標物沒有明顯熱輻射，傳統激光測距儀將失去夜視的能力，無法尋找目標進行測 距。本發明手持晝夜激光成像測距儀將激光成像和激光測距集成在一起，很好的克服 了單獨使用激光測距儀黑暗時人眼無法觀測目標而導致無法測距的問題。它以激光泛光 照明目標，無需依靠環境照明和目標物本身的熱輻射，可以全天時成像，因此可實現晝夜測 距。同時，激光成像和激光測距兩套分系統共孔徑發射，共孔徑接收，縮小了設備體積和重 量。結合這套設備可以晝夜成像并測距，體積小，重量輕的優勢，其可廣泛應用于安防、監控 和測量等領域
發明內容
1、目的本發明的目的是提供一種手持晝夜激光成像測距儀，它可以晝夜成像并 測距。該設備克服以往激光測距儀夜間因環境照度低人眼無法觀測目標而無法測距的缺 點，通過將激光成像與激光測距集成在一起，激光成像分系統和激光測距分系統共用發射 光學系統，同時它們也共用接收光學系統。該設備結構新穎、體積小、重量輕、性能穩定、抗 干擾性強，便于攜帶。2、技術方案如圖1所示，本發明一種手持晝夜激光成像測距儀，它由激光發射分系統、激光接 收分系統、信息處理及顯示分系統組成。它們之間的位置連接關系是激光發射分系統和激光接收分系統位于系統前端，信息處理及顯示分系統位于系統后端。所述激光發射分系統由激光波長為808nm的半導體激光器、激光波長為905nm的 半導體激光器、焦距為Π的發射透鏡、焦距為f2的發射透鏡和分光片構成。其間的位置連接關系是激光波長為808nm的半導體激光器與焦距為fl的發射透 鏡的光軸同軸放置，焦距為Π的發射透鏡使波長為808nm的激光以較大發散角照射出去。 激光波長為905nm的半導體激光器與焦距為f2的發射透鏡的光軸同軸放置，且焦距為f2 的發射透鏡放置在激光波長為905nm的半導體激光器前方，使激光發射角變小。焦距為fl 的發射透鏡的光軸與焦距為f2的發射透鏡的光軸互相垂直。分光片與兩個透鏡光軸均成 45°角放置，放置在激光波長為808nm的半導體激光器與焦距為Π的發射透鏡之間，且放 在焦距為f2的發射透鏡前端。分光片將波長為808nm的激光進行透射，將波長為905nm的 激光進行反射，反射后的光經過焦距為Π的發射透鏡發射出去后成為2mrad準直光束；所述激光接收分系統由接收透鏡、分光片、雪崩光電二極管APD接收器、電荷耦合 器件CCD構成。其間的位置連接關系是該電荷耦合器件CCD與接收透鏡光軸同軸放置，該 雪崩光電二極管APD接收器與接收透鏡光軸垂直放置，該分光片放在電荷耦合器件CCD與 接收透鏡之間。分光片與接收透鏡光軸成45°角放置。分光片將入射光中波長為808nm的 激光進行透射，將波長為905nm的激光進行反射。透過的光被電荷耦合器件CCD接收，反射 的光被雪崩光電二極管APD接收器接收。所述信息處理及顯示分系統由基于數字信號處理器DSP的信息處理單元及液晶 顯示器LCD構成。它們之間的位置連接關系是液晶顯示器LCD放置在基于數字信號處理 器DSP的信息處理單元的后側。雪崩光電二極管APD接收器與電荷耦合器件CCD接收到的 光信號傳給基于數字信號處理DSP的實時處理控制單元處理轉換后由液晶顯示器LCD將圖 像信息和測距數據顯示出來。其中，該接收透鏡的焦距是80mm，有效口徑是54. Omm ；其中，該雪崩光電二極管APD接收器是PerkinElmer公司的Silicon APD，型號為 C30737LH-500-92 ；其中，該電荷耦合器件CCD是Sony公司的1/3-inch B/ff Sony CCD，型號為 BS-568，最低照度 0. 01Lux/Fl. 2，規格(mm) 49 (L) X 29 (W) X 54 (H)；其中，該基于數字信號處理器DSP的信息處理單元采用的是Ti公司的DM642芯 片；其中，該液晶顯示器LCD的規格是126. 5 (w) X 100 (H) X 84. 672 (V) mm，型號為 JD50MLXDRD001-A056N52。本發明的工作原理及流程是該設備工作時，激光波長為808nm的半導體激光器 發射的激光透射過分光片和焦距為Π的發射透鏡后以較大發散角照射到觀測區域，該激 光為主動成像的照明光源；從觀測區域返回的激光經過接收透鏡、透射過分光片后投射到 與光軸同軸的電荷耦合器件CCD，然后電荷耦合器件CCD將圖像信息傳給處理系統進行圖 像處理并由顯示屏顯示出實時圖像；在顯示屏中觀測到待測目標時，將顯示屏上的電子十 字刻線對準待測目標，進行測距。測距時，激光波長為905nm的半導體激光器發射激光脈沖，經過焦距為f2的發射 透鏡后激光發射角變小，然后經分光片進行反射，再經過焦距為Π的發射透鏡，使照射光
4束成為2mrad準平直光束照射到待測目標上；從待測目標返回的光束通過接收透鏡，再由 分光鏡反射后投射到雪崩光電二極管APD接收器上，然后由雪崩光電二極管APD接收器傳 給處理顯示分系統就可以得到待測目標的距離信息了。3、優點和功效(1)該設備可晝夜成像測距，全天時監視觀測區域；(2)激光成像與激光測距共孔徑發射，共孔徑接收。減小了設備體積和重量；(3)激光夜視功能和激光測距功能高度集成；(4)可以準確獲得目標距離信息。
圖1為手持晝夜激光成像測距儀的結構示意中符號說明如下1激光波長為808nm的半導體激光器；2激光波長為905nm的半導體激光器；3焦 距為f2的發射透鏡；4分光片；5焦距為f 1的發射透鏡；6電荷耦合器件CXD ；7分光片；8 雪崩光電二極管APD接收器；9接收透鏡；10基于數字信號處理器DSP的信息處理單元；11 液晶顯示器IXD。
具體實施例方式見圖1，本發明一種手持晝夜激光成像測距儀，它由激光波長為808nm的半導體激 光器1、激光波長為905nm的半導體激光器2、焦距為f2的發射透鏡3、分光片4和焦距為 fl的發射透鏡5組成的激光發射系統，電荷耦合器件CCD 6、分光片7、雪崩光電二極管APD 接收器8和接收透鏡9組成的激光接收系統以及基于數字信號處理器DSP的信息處理單元 10和液晶顯示器LCD 11構成。它們之間的位置連接關系是激光發射分系統和激光接收 分系統位于系統前端，信息處理及顯示分系統位于系統后端。所述激光發射分系統由激光波長為808nm的半導體激光器1、激光波長為905nm的 激光器2、焦距為Π的發射透鏡5、焦距為f2的發射透鏡3和分光片4構成。其中，激光源是由半導體激光器構成，半導體激光器1產生波長為808nm的激光， 半導體激光器2產生波長為905nm的激光，兩個半導體激光器1、2垂直放置；其中，激光波長為808nm的半導體激光器1與焦距為fl的發射透鏡5的光軸同軸 放置，焦距為fl的發射透鏡5使波長為808nm的激光以較大發散角照射出去。激光波長為 905nm的半導體激光器2與焦距為f2的發射透鏡3的光軸同軸放置，且焦距為f2的發射透 鏡3放置在產生激光波長為905nm的半導體激光器2前方，使激光發射角變小。焦距為Π 的發射透鏡5的光軸與焦距為f2的發射透鏡3的光軸互相垂直；其中，分光片4與兩個透鏡光軸均成45°角放置，放置在激光波長為808nm的半導 體激光器1與焦距為Π的發射透鏡5之間，且放在焦距為f2的發射透鏡3前端。分光片 4將波長為808nm的激光透射過去，將波長為905nm的激光進行反射，反射后的光經過焦距 為f 1的發射透鏡5發射出去后成為2mrad準直光束；所述激光接收分系統由接收透鏡9、分光片7、雪崩光電二極管APD接收器8、電荷 耦合器件CXD 6構成。
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其中，電荷耦合器件CXD 6與接收透鏡9光軸同軸放置，雪崩光電二極管APD接收 器8與接收透鏡9光軸垂直放置，分光片7放在電荷耦合器件CXD 6與接收透鏡9之間。分 光片7與接收透鏡9光軸成45°角放置。分光片7將波長為808nm的激光進行透射，將波 長為905nm的激光進行反射。透過的光被電荷耦合器件CCD 6接收，反射的光被雪崩光電 二極管APD接收器8接收。所述信息處理及顯示分系統由基于數字信號處理器DSP的信息處理單元10及液 晶顯示器LCDll構成。雪崩光電二極管APD接收器8與電荷耦合器件CCD 6接收到的光信 號傳給基于數字信號處理器DSP的信息處理單元10處理轉換后由液晶顯示器IXD 11將圖 像信息和測距數據顯示出來。其中，該接收透鏡的焦距是80mm，有效口徑是54. Omm ；其中，該雪崩光電二極管APD接收器是PerkinElmer公司的Silicon APD，型號為 C30737LH-500-92 ；其中，該電荷耦合器件CCD是Sony公司的1/3-inch B/ff Sony CCD，型號為 BS-568，最低照度 0. 01Lux/Fl. 2，規格(mm) 49 (L) X 29 (W) X 54 (H)；其中，該基于數字信號處理器DSP的信息處理單元采用的是Ti公司的DM642芯 片；其中，該液晶顯示器LCD的規格是126. 5 (w) X 100 (H) X 84. 672 (V) mm，型號為 JD50MLXDRD001-A056N52。圖1所示為手持晝夜激光成像測距儀結構示意圖，激光波長為808nm的半導體激 光器1發射的激光透射過分光片4和焦距為Π的發射透鏡5后以較大發散角照射到觀測 區域；從觀測區域返回的激光經過接收透鏡9、透射過分光片7后投射到與光軸同軸的電荷 耦合器件CCD6，然后電荷耦合器件CCD 6將圖像信息傳給基于數字信號處理器DSP的信息 處理單元10，按照相應的算法對采集到的圖像進行處理，并由液晶顯示器IXD 11顯示出實 時圖像；在液晶顯示器IXD 11中觀測到待測目標時，將液晶顯示器IXD 11上的電子十字刻 線對準待測目標，觸發激光波長為905nm的半導體激光器2發射激光脈沖，經過焦距為f2 的發射透鏡3后激光發射角變小，然后經分光片4進行反射，再經過焦距為Π的發射透鏡 5，使照射光束成為2mrad準平光束照射到待測目標上；從待測目標返回的光束通過接收透 鏡9，再由分光鏡7反射后投射到雪崩光電二極管APD接收器8上，然后由雪崩光電二極管 APD接收器8傳給基于數字信號處理器DSP的信息處理單元10，計算出待測目標距離信息 后，與激光成像模塊呈現的圖像進行疊加，然后在液晶顯示器LCD 11看到實時場景的同時 就可以得到待測目標的距離信息了。
權利要求
一種手持晝夜激光成像測距儀，其特征在于它由激光發射分系統、激光接收分系統、信息處理及顯示分系統組成，它們之間的位置連接關系是激光發射分系統和激光接收分系統位于系統前端，信息處理及顯示分系統位于系統后端；所述激光發射分系統由激光波長為808nm的半導體激光器、激光波長為905nm的半導體激光器、焦距為f1的發射透鏡、焦距為f2的發射透鏡和分光片構成，其間的位置連接關系是該激光波長為808nm的半導體激光器與焦距為f1的發射透鏡的光軸同軸放置，該焦距為f1的發射透鏡使波長為808nm的激光以較大發散角照射出去；該激光波長為905nm的半導體激光器與焦距為f2的發射透鏡的光軸同軸放置，且焦距為f2的發射透鏡放置在激光波長為905nm的半導體激光器前方，使激光發射角變小；該焦距為f1的發射透鏡的光軸與焦距為f2的發射透鏡的光軸互相垂直；該分光片與兩個透鏡光軸均成45°角放置，放置在激光波長為808nm的半導體激光器與焦距為f1的發射透鏡之間，且放在焦距為f2的發射透鏡前端；分光片將波長為808nm的激光進行透射，將波長為905nm的激光進行反射，反射后的光經過焦距為f1的發射透鏡發射出去后成為2mrad準直光束；所述激光接收分系統由接收透鏡、分光片、雪崩光電二極管APD接收器、電荷耦合器件CCD構成，其間的位置連接關系是該電荷耦合器件CCD與接收透鏡光軸同軸放置，該雪崩光電二極管APD接收器與接收透鏡光軸垂直放置，該分光片放在電荷耦合器件CCD與接收透鏡之間，分光片與接收透鏡光軸成45°角放置；分光片將入射光中波長為808nm的激光進行透射，將波長為905nm的激光進行反射；透過的光被電荷耦合器件CCD接收，反射的光被雪崩光電二極管APD接收器接收；所述信息處理及顯示分系統由基于數字信號處理器DSP的信息處理單元及液晶顯示器LCD構成，它們之間的位置連接關系是液晶顯示器LCD放置在基于數字信號處理器DSP的信息處理單元的后側；雪崩光電二極管APD接收器與電荷耦合器件CCD接收到的光信號傳給基于數字信號處理器DSP的信息處理單元處理轉換后由液晶顯示器LCD將圖像信息和測距數據顯示出來。
2.根據權利要求1所述的一種手持晝夜激光成像測距儀，其特征在于該接收透鏡的 焦距是80mm，有效口徑是54. 0mm。
3.根據權利要求1所述的一種手持晝夜激光成像測距儀，其特征在于該雪崩光電二 極管 APD 接收器是 PerkinElmer 公司的 Silicon APD，型號為 C30737LH-500-92。
4.根據權利要求1所述的一種手持晝夜激光成像測距儀，其特征在于該電荷耦合器 件 CCD 是 Sony 公司的 1/3-inch B/ff Sony CCD，型號為 BS-568，最低照度 0. 01Lux/Fl. 2，規 格為 49 X 29 X 54mm。
5.根據權利要求1所述的一種手持晝夜激光成像測距儀，其特征在于該基于數字信 號處理器DSP的信息處理單元采用的是Ti公司的DM642芯片。
6.根據權利要求1所述的一種手持晝夜激光成像測距儀，其特征在于該液晶顯示器 LCD 的規格是 126. 5X100X84. 672mm，型號為 JD50MLXD RD001-A056N52。
全文摘要
一種手持晝夜激光成像測距儀，它由激光發射分系統、激光接收分系統、信息處理及顯示分系統構成，其位置連接關系是激光發射分系統和激光接收分系統位于系統前端，信息處理及顯示分系統位于系統后端。該激光發射分系統由照明激光光源、測距激光光源、分光片和發射透鏡組成；該激光接收分系統由接收透鏡、分光片、電荷耦合器件CCD和雪崩光電二極管APD接收器組成；該信息處理及顯示分系統由基于數字信號處理器DSP的信息處理單元和液晶顯示器LCD構成。該設備以激光為照明光源，不受外部環境限制，能晝夜對目標進行測距。它集成了激光成像和激光測距兩套分系統，且共孔徑發射和接收，構思科學、結構新穎，在激光成像和測距技術領域里具有廣闊地應用前景。
文檔編號G01S17/89GK101975953SQ20101029343
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月27日 優先權日2010年9月27日
發明者任熙明, 黨二升, 吳磊, 李麗 申請人:北京航空航天大學