專利名稱：：可獲得目標(biāo)位置信息的相干激光測距儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及激光測距，是一種可獲得目標(biāo)位置信息的相干激光測距儀。此激光測距儀在得到目標(biāo)距離信息的同時(shí)，通過對干涉圖像的處理獲得目標(biāo)位置信息，并將其作為反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整測距儀的機(jī)電偏轉(zhuǎn)裝置，保證測距儀的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和接收望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo)。本實(shí)用新型也可應(yīng)用到相干激光通信中，接收機(jī)在得到傳輸信息的同時(shí)，也可得到通信對方的位置信息，通信對方的位置信息控制通信終端的跟瞄系統(tǒng)，保證接收望遠(yuǎn)鏡和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的對望。
背景技術(shù)：
：激光測距因其具有長測程、高精度、高分辨率、抗干擾能力強(qiáng)、小體積等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事上的各種測距，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的準(zhǔn)確打擊。上世紀(jì)60年代末已批量裝備部隊(duì)。至今已發(fā)展了第一代紅寶石激光測距儀、第二代Nd:YAG激光測距儀、第三代對人眼安全的固體激光和C02激光測距儀，正向著第四代小型化、系統(tǒng)化、通用組件化的人眼安全遠(yuǎn)程激光測距發(fā)展，最大測程預(yù)計(jì)可達(dá)到幾十萬公里，精度達(dá)到毫米量級。激光測距按照發(fā)射光束類型可分為脈沖激光測距儀和連續(xù)波激光測距儀。目前軍用激光測距儀以脈沖方式為主，且多采用固體激光器。探測體制,直接探測和相干探測兩種。采用相干探測方法的相干測距儀，在回波中加入了本振波，探測二者的混頻光束，大大提高探測靈敏度，從而增加了測距儀的最大測程，并且相千探測具有優(yōu)良的波長選擇性和抗背景噪聲性能，這些特點(diǎn)改善了激光測距儀的性能，因而在近些年來得到了極大關(guān)注。最大測程作為激光測距儀的主要性能之一，除了和目標(biāo)被照射面積、目標(biāo)反射率等實(shí)際應(yīng)用條件有關(guān)，在很大程度上還受到接收機(jī)靈敏度以及光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量影響。相干激光測距方法是顯著提高激光測距儀最大測程的有效途徑。而采用連續(xù)波體制便于對光束的控制，利于本振波和回波的混頻合束。相干測距儀通常由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分組成。發(fā)射機(jī)主要包括發(fā)射激光器、光調(diào)制器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)等。接收機(jī)主要包括接收光學(xué)系統(tǒng)、光橋接器、光電探測、本振激光器以及鎖相環(huán)路組成。發(fā)射機(jī)的光束調(diào)制后經(jīng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡壓縮發(fā)散角，瞄準(zhǔn)被測目標(biāo)發(fā)射。由目標(biāo)返回的回波進(jìn)入接收望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行濾波后，和本振激光器發(fā)出的本振波在光橋接器內(nèi)混頻，混頻光束經(jīng)過光電探測、解調(diào)等信號(hào)處理得到目標(biāo)的距離信息。距離信息同時(shí)也作為控制信號(hào)，通過鎖相環(huán)路對本振激光器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使本振波和發(fā)射波的位相關(guān)系保持恒定。這種相干測距儀的缺點(diǎn)是只能獲得目標(biāo)的距離信息。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可獲得目標(biāo)位置信息的相干激光測距儀，該測距儀既可得到目標(biāo)距離信息，又可獲得目標(biāo)位置信息。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種可獲得目標(biāo)位置信息的相干激光測距儀，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)由發(fā)射激光器、光調(diào)制器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)組成，接收機(jī)包括接收光學(xué)系統(tǒng)、本振激光器、光橋接器、光電探測器、鎖相環(huán)路和CCD攝像機(jī)，其特點(diǎn)是所述的光橋接器(9)兩個(gè)輸入端分別連接所述的接收光學(xué)系統(tǒng)和本振激光器，該光橋接器的輸出端分別接所述的光電探測器和CCD攝像機(jī)，所述的光電探測器經(jīng)鎖相環(huán)路與本振激光器相連，所述的CCD攝像機(jī)的輸出端與一具有干涉圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)相連，該計(jì)算機(jī)的輸出端與所述的接收光學(xué)系統(tǒng)和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的控制部分相連。所述的發(fā)射激光器和本振激光器的頻率相同或不同。所述的鎖相環(huán)路為平衡鎖相環(huán)、科斯塔斯鎖相環(huán)路、決策驅(qū)動(dòng)鎖相環(huán)路、同歩位鎖相環(huán)路或高頻振蕩鎖相環(huán)路。利用所述的相干激光測距儀的測距方法，包括下列歩驟①首先打開發(fā)射激光器，本振激光器暫不工作，發(fā)射激光器發(fā)出的光束通過光調(diào)制器調(diào)制后，由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)對調(diào)制后的光束進(jìn)行擴(kuò)束、準(zhǔn)直，偏轉(zhuǎn)瞄準(zhǔn)后向目標(biāo)發(fā)射，經(jīng)過目標(biāo)反射后，由接收光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行接收、濾波，得到回波，CCD攝像機(jī)上僅有回波產(chǎn)生的光斑；②若回波在CCD攝像機(jī)上的光斑恰好落在極坐標(biāo)系的極軸上，說明回波在原標(biāo)定的坐標(biāo)系下的方位角P為零，此時(shí)恰有俯仰角a和千涉圖像中心位置的偏離量R之間--對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系；③若回波在CCD攝像機(jī)上的光斑不在極坐標(biāo)系的極軸上，需旋轉(zhuǎn)CCD攝像機(jī)的極坐標(biāo)系，使光斑落在新的極坐標(biāo)系的極軸上，回波在新的坐標(biāo)系下的方位角卩為零，目標(biāo)的方位角(3等于原坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的角度；④此時(shí)再打開本振激光器，回波和本振激光器發(fā)射的本振波一起由光橋接器混頻，得到混頻光束，該混頻光束在CCD攝像機(jī)上得到干涉圖像；⑤獲得的干涉圖像經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)窖b有干涉圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理分析，最終得到包括俯仰角(X和方位角卩在內(nèi)的目標(biāo)位置信息；⑥以目標(biāo)位置信號(hào)作為控制信號(hào)，傳輸給發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)的控制部分，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的控制部分將得到的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)角度和實(shí)際目標(biāo)位置信息進(jìn)行比較，將兩者的差值作為反饋信號(hào)，驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械部分進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，校正發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的偏轉(zhuǎn)方向，保證發(fā)射望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，同樣接收光學(xué)系統(tǒng)的控制部分也將接收望遠(yuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)角度和實(shí)際目標(biāo)位置信息的差值作為反饋信號(hào)，驅(qū)動(dòng)接收望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械部分，保證接收射望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)瞄準(zhǔn)目標(biāo)；⑦在對干涉圖像進(jìn)行處理的同時(shí)，混頻光束經(jīng)光電探測器探測、處理后得到目標(biāo)距離信號(hào)，并經(jīng)過鎖相環(huán)路變換為本振激光器的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)本振光波，以保證回波和本振波兩者之間固定的位相關(guān)系。所述的計(jì)算機(jī)的干涉圖像處理軟件對干涉圖像的處理程序包括①濾波處理目的是去除原始干涉圖像中圖像輪廓模糊的噪聲點(diǎn)，加強(qiáng)圖像輪廓，改善圖像質(zhì)量；②二值化處理選取合適的灰度閎值，灰度值大于閾值的點(diǎn)作為背景，其灰度值為0。小于閾值的點(diǎn)為區(qū)域點(diǎn)，灰度值為l，這樣就將濾波后的干涉圖像變?yōu)槎祱D像，便于進(jìn)一歩分析；③提取邊緣明暗條紋邊界上灰度值突變，使灰度值分布圖上出現(xiàn)極值點(diǎn)，根據(jù)這一特性得到干涉條紋的邊緣坐標(biāo)；④確定中心點(diǎn)偏移量R:利用干涉圖像上環(huán)狀干涉條紋的對稱性，由得到的干涉條紋邊緣坐標(biāo)，確定出中心點(diǎn)偏離量R;⑤計(jì)算俯仰角a:由己知的本振光參數(shù)Z。和獲得的中心點(diǎn)偏離量R，利用關(guān)系式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>，推算出俯仰角ct。本實(shí)用新型的技術(shù)效果本實(shí)用新型可獲得目標(biāo)位置信息的相干激光測距儀采用連續(xù)波和相千探測的體制，并在傳統(tǒng)相干探測基礎(chǔ)上加入了干涉圖像處理，可同時(shí)得到距離信息和目標(biāo)位置信息。利用獲得的目標(biāo)位置信息作為反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)控制接收光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)電部分，保證測距儀的接收望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo)。由于采用的是CCD成像和計(jì)算機(jī)圖像處理的方法，本實(shí)用新型省去了光電探測所使用的光電二極管和大量電子線路，理論公式更直觀，實(shí)際信號(hào)處理更簡單。本實(shí)用新型也可應(yīng)用到相干激光通信中，接收機(jī)同時(shí)得到傳輸信息和通信對方的位置信息，位置信息用于控制通信終端的跟瞄系統(tǒng)，保證接收望遠(yuǎn)鏡和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的對望。圖1是本實(shí)用新型帶有干涉圖像處理的相干激光測距儀的坐標(biāo)定義示意圖。圖2是本實(shí)用新型帶有干涉圖像處理的相干激光測距儀中干涉圖像處理軟件的流程圖。圖3是本實(shí)用新型帶有干涉圖像處理的相干激光測距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例的示意圖。圖中1為發(fā)射激光器；2為光調(diào)制器；3為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)；4為目標(biāo)；5為接收光學(xué)系統(tǒng)；6為回波；7為本振激光器；8為本振波；9為光橋接器；IO為光電探測器；ll為目標(biāo)距離信息；12為鎖相環(huán)路；13為CCD攝像機(jī)；14為具有干涉圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)；15為干涉圖像；16為目標(biāo)位置信號(hào)；17為0度相移混頻光束；18為180度相移混頻光束；19為90度相移混頻光束；20為270度相移混頻光束；21為濾波處理；22為二值化處理；23為提取干涉條紋邊緣；24為確定中心點(diǎn)偏移量R;25為計(jì)算俯仰角(X。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一歩詳細(xì)說明本實(shí)用新型，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。先請參閱圖3，圖3是本實(shí)用新型帶有干涉圖像處理的相干激光測距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，本實(shí)用新型可獲得目標(biāo)位置信息的相千激光測距儀，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)由發(fā)射激光器l、光調(diào)制器2、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3組成，接收機(jī)包括接收光學(xué)系統(tǒng)5、本振激光器7、光橋接器9、光電探測器IO、鎖相環(huán)路12和CCD攝像機(jī)13，其特征在于所述的光橋接器9的兩個(gè)輸入端分別連接接收光學(xué)系統(tǒng)5和本振激光器7,該光橋接器9的輸出端分別接所述的光電探測器10和CCD攝像機(jī)13，所述的光電探測器10經(jīng)鎖相環(huán)路12與本振激光器7相連，所述的CCD攝像機(jī)13的輸出端與一具有干涉圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)14相連，該計(jì)算機(jī)14的輸出端與所述的接收光學(xué)系統(tǒng)5和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3的控制部分相連。所述的發(fā)射激光器1和本振激光器7的頻率可以相同也可不同，兩者頻率相同時(shí)光電探測爭10的類型為零差探測，不同時(shí)光電探測器10的類型為外差探測。為了更清晰直觀，現(xiàn)以零差探測為例，說明本實(shí)用新型通過干涉圖像15得到目標(biāo)位置信息16的原理。請參閱圖l，所述的回波6為平面波，場強(qiáng)表達(dá)式為五,(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"為波矢f的俯仰角即與z軸夾角，-為方位角即波矢g在xoy平面投影與x軸夾角，A:,t、<v、^:為^在x、y、z軸上的分量，A為振幅，伊。,為初始位相。本振波8為點(diǎn)源坐標(biāo)在(&，JVZ。)的球面波，場強(qiáng)表達(dá)式為￡"2(x,y,z)=flexp(，+p02)(2)其中r=[(;c—;02+(y—^)2+(Z—2。)2〗'2,A2為波矢幅值，B為振幅，％2為初始位相。該球面波在菲涅耳近似下有￡2"少，力=細(xì)(》exp"{[(x—x。)2+^—〗}.'),)若球面波點(diǎn)源在(0,0，zn)，以xoy平面為干涉面，得到平面波和球面波的干涉場強(qiáng)分布，_y一Iv一/(x，少)=爿2++2^5cosA;(xsinGrcos/+>>siri"siny0--^~+Ap0)(4)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸使方位角|3=0，并將干涉面變換到極坐標(biāo)系下，則有如下干涉場強(qiáng)分布/O)=爿—+2v45cos/r(rsin"--+Ap0)()2;一o因此，所有極大點(diǎn)位置，即干涉圖上的亮條紋分布為(a"-z。sinor)2=2w/lr,,+z02sin2or+由表達(dá)式(6)形式可知，得到的干涉圖為明暗相間的環(huán)狀條紋，且環(huán)狀條紋的中心點(diǎn)偏移量為及-z。sina〖7)對于激光測距儀，本振光參數(shù)z。已知，環(huán)狀干涉條紋的中心點(diǎn)偏移量R僅是回波俯仰角a的函數(shù)。只要得到干涉圖像上環(huán)狀干涉條紋的中心點(diǎn)偏移量R就可推算出回波的俯仰角a。在俯仰角很小的情況下，例如空間激光通信，可認(rèn)為干涉條紋圓環(huán)中心位置和俯仰角為簡單的線型關(guān)系，更利于直接對比目標(biāo)位置變化。CCD攝像機(jī)13獲得干涉圖像15，經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸給安裝有干涉圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)14進(jìn)行處理分析。干涉圖像處理軟件的主要功能是從干涉圖像15中確定環(huán)狀干涉條紋的中心點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而推算出俯仰角a。干涉圖像處理軟件包括濾波處理21、二值化處理22、提取邊緣23、確定中心點(diǎn)偏移量R24和計(jì)算俯仰角a25五個(gè)步驟。如圖2所示。下面分別說明這五個(gè)歩驟的目的1、濾波處理21:目的是去除原始干涉圖像15中圖像輪廓模糊的噪聲點(diǎn)，加強(qiáng)圖像輪廓，改善圖像質(zhì)量；2、二值化處理22:選取合適的灰度閾值，灰度值大于閾值的點(diǎn)作為背景，其灰度值為0。小于閾值的點(diǎn)為區(qū)域點(diǎn)，灰度值為l，這樣就將濾波后的干涉圖像變?yōu)槎祱D像，便于進(jìn)一歩分析；3、提取邊緣23:明暗條紋邊界上灰度值突變，使灰度值分布圖上出現(xiàn)極值點(diǎn)，根據(jù)這一特性得到干涉條紋的邊緣坐標(biāo)；4、確定中心點(diǎn)偏移量R24:利用干涉圖像15上環(huán)狀干涉條紋的對稱性，由得到的干涉條紋邊緣坐標(biāo)，確定出中心點(diǎn)偏離量R;5、計(jì)算俯仰角a25:由已知的本振光參數(shù)z。和獲得的中心點(diǎn)偏離量R，利用關(guān)系式/-z。sina,推算出俯仰角a。本實(shí)用新型的整個(gè)工作過程綜合說明如下-1、首先打開發(fā)射激光器l，本振激光器暫不工作，發(fā)射激光器l發(fā)出的光束通過光調(diào)制器2調(diào)制后，由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3對調(diào)制后的光束進(jìn)行擴(kuò)束、準(zhǔn)直，偏轉(zhuǎn)瞄準(zhǔn)后向目標(biāo)4發(fā)射。2、經(jīng)過目標(biāo)4反射后，由接收光學(xué)系統(tǒng)5進(jìn)行接收、濾波，得到回波6。由于只有回波6，沒有本振波8，光橋接器9此時(shí)沒有起到混頻的作用，因此CCD攝像機(jī)13上僅有回波6產(chǎn)生的光斑。3、若回波6在CCD攝像機(jī)13上的光斑恰好落在極坐標(biāo)系的極軸上，說明回波6在原標(biāo)定的坐標(biāo)系下的方位角p為零，此時(shí)恰有俯仰角a和干涉圖像中心位置R之間一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。4、若回波6在CCD攝像機(jī)13上的光斑不在原極坐標(biāo)系的極軸上，說明回波6在原標(biāo)定坐標(biāo)系下的方位角p不為零，俯仰角a和干涉圖像中心位置R之間沒有一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。在此情況下，需旋轉(zhuǎn)CCD攝像機(jī)13的極坐標(biāo)系，使光斑落在新極坐標(biāo)系的極軸上，回波6在新的坐標(biāo)系下的方位角P為零，目標(biāo)方位角p由原坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度得到。5、此時(shí)再打開本振激光器7，回波6和本振激光器7發(fā)射的本振波8—起由光橋接器9混頻，得到混頻光束，利用任意一束混頻光束在CCD攝像機(jī)13上得到干涉圖像15。6、獲得的干涉圖像15經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)窖b有干涉圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)14中進(jìn)行處理分析，最終得到包括俯仰角a和方位角p在內(nèi)的目標(biāo)位置信息16。7、目標(biāo)位置信號(hào)16作為控制信號(hào)，傳輸給發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3和接收光學(xué)系統(tǒng)5的機(jī)電控制部分。通常，光學(xué)系統(tǒng)中的望遠(yuǎn)鏡上都安裝有編碼器，可獲得自身的偏轉(zhuǎn)角度。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3的控制部分將得到的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)角度和實(shí)際目標(biāo)位置信息16進(jìn)行比較，將兩者的差值作為反饋信號(hào)，驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械部分進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，校正發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的偏轉(zhuǎn)方向，保證發(fā)射望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)瞄準(zhǔn)目標(biāo)4。同樣的，接收光學(xué)系統(tǒng)5中的控制部分也將接收望遠(yuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)角度和實(shí)際目標(biāo)位置信息16的差值作為反饋信號(hào)，驅(qū)動(dòng)接收望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械部分，保證接收射望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)瞄準(zhǔn)目標(biāo)4;8、在對干涉圖像15進(jìn)行處理的同時(shí)，混頻光束經(jīng)光電探測器10探測、處理后得到目標(biāo)距離信號(hào)11，并經(jīng)過鎖相環(huán)路12變換為本振激光器7的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)本振光波8，以保證回波6和本振波8兩者之間固定的位相關(guān)系。對于發(fā)射激光器1和本振激光器7的頻率不同的外差探測情況，可以同理得到帶有兩波矢比例系數(shù)的干涉場強(qiáng)分布以及亮環(huán)中心位置，在此不再贅述。為減小相位噪聲對系統(tǒng)精度的影響，激光測距系統(tǒng)中的激光器，包括發(fā)射激光器1和本振激光器7，應(yīng)具有良好的窄線寬高穩(wěn)頻性能。實(shí)驗(yàn)表明，工作波長小于1.4nm的激光能量會(huì)在人眼聚焦于視網(wǎng)膜，因此從實(shí)際應(yīng)用角度考慮，激光測距儀的工作波長應(yīng)大于1.4pm，以保證使用者的人眼安全。光調(diào)制器2具有多個(gè)不同的調(diào)制頻率，以得到不同的測量精度，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行分級測量。光橋接器9的主要功能是在空間精確合成信號(hào)激光波前和本振激光波前，以產(chǎn)生兩者的差頻。在性能上分為％度相移兩通道輸出，180度相移兩通道輸出和90度相移四通道輸出等結(jié)構(gòu)，180度相移2x2光橋接器可用于平衡鎖相環(huán)路接收機(jī)，90度相移2x2光橋接器可用于科斯塔斯鎖相環(huán)路接收機(jī)，90度相移2x4光橋接器可用于平衡接收和科斯塔斯鎖相環(huán)路相結(jié)合的接收機(jī)。鎖相環(huán)路11的結(jié)構(gòu)需和光電橋接器9以及光電接收相匹配。不同鎖相環(huán)路類型的性能、以及對使用信號(hào)類型和前置電路要求均不同。目前廣泛使用的鎖相環(huán)路類型有平衡鎖相環(huán)(BalancedPhaseLockedLoop)、科斯塔斯鎖相環(huán)路(CostasPhaseLockedLoop)、決策驅(qū)動(dòng)鎖相環(huán)路(Decision-DrivenPhasedLockedLoop)、同步位鎖相環(huán)路(Sync-BitPhaseLockedLoop)和高頻振蕩鎖相環(huán)路(DitherPhaseLockedLoop)。這幾種環(huán)路的性能比較如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)施例采用零差探測方式，發(fā)射激光器1和本振激光器7均選用Nd:YAG激光器，工作波長為1.54pm，為人眼安全波長范圍。光調(diào)制器2采用鈮酸鋰晶體制成的電光調(diào)制器。光電探測器10為平衡接收方式，鎖相環(huán)路12采用科斯塔斯鎖相環(huán)路形式與之匹配。光橋接器9選用90度相移2x4雙折射自由空間光橋接器[參見文獻(xiàn)1:雙折射自由空間光橋接器，國家發(fā)明專利]。CCD攝像機(jī)13有效尺寸為500x500象素，象素尺寸為1(Himxl(^m。干涉圖像15由數(shù)據(jù)線傳輸至安裝有圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)14。干涉圖像處理軟件所使用的編程語言是VC++,編程軟件是MicrosoftVisualC++6.0。其主要功能對CCD攝像機(jī)13獲得的干涉圖像15進(jìn)行處理分析，得到中心點(diǎn)偏移量R，進(jìn)而推算出俯仰角a，得到包括俯仰角a和方位角p在內(nèi)的百標(biāo)位置信息16。干涉圖像處理軟件14包括濾波處理21、二值化處理22、提取邊緣23、確定中心點(diǎn)偏移量R24和計(jì)算俯仰角a25五個(gè)步驟。下面分別說明這五個(gè)步驟的具體采用的算法和工作情況-1、濾波處理21:實(shí)施例采用Sobel算子的空間巻積法，利用微分增加高頻成分的特性，去除原始干涉圖像15中使圖像輪廓模糊的噪聲點(diǎn)，加強(qiáng)以改善圖像質(zhì)量；2、二值化處理22:實(shí)施例采用一維最大熵閾值法，針對圖像的不同區(qū)域算出不同的分割閾值，利用閾值分割將原始圖象變?yōu)槎祱D像，背景灰度值為0，區(qū)域灰度值為1;3、提取邊緣23:實(shí)施例采用邊界跟蹤法得到二值化圖像的內(nèi)邊界點(diǎn)，根據(jù)干涉條紋的閉合性，有閉合邊界的區(qū)域可判斷為亮環(huán)，因此可得到千涉圖像上所有干涉條紋邊緣的位置坐標(biāo)；4、確定中心點(diǎn)偏移量R24:利用干涉圖像15上環(huán)狀干涉條紋的對稱性，由得到的干涉條紋邊緣坐標(biāo)，確定出中心點(diǎn)偏離量R;5、計(jì)算俯仰角a25:由已知的本振光參數(shù)Zo和獲得的中心點(diǎn)偏離量R，利用關(guān)系式(6)，計(jì)算出俯仰角a。本實(shí)用新型實(shí)施例的整個(gè)工作情況描述如下。1)發(fā)射激光器1發(fā)出的光束經(jīng)光調(diào)制器2調(diào)制，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)3對調(diào)制后的發(fā)射光束進(jìn)行擴(kuò)束、準(zhǔn)直，調(diào)整發(fā)射角度后向目標(biāo)4發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)4反射后進(jìn)入接收機(jī)。2)假設(shè)目標(biāo)4在初始位置時(shí)，俯仰角a為30。，方位角p為45。。開啟發(fā)射激光器1，暫不丌啟本振激光器7，發(fā)射光束經(jīng)目標(biāo)4反射得到回波6，回波6在CCD攝像機(jī)13上的光斑不在極坐標(biāo)系的極軸上，即可判斷出方位角p不為零，旋轉(zhuǎn)CCD攝像機(jī)13極坐標(biāo)系，使光斑落在極坐標(biāo)系的極軸上，使回波6在新極坐標(biāo)系下的方位角卩為零，并由極坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度得到目標(biāo)的方位角卩=45°。3)然后開啟本振激光器7，回波6和本振波8經(jīng)光橋接器9混頻合束，得到兩兩之間有90度位移的四束混頻光束0度相移混頻光束17、180度相移混頻光束18、90度相移混頻光束19、270度相移混頻光束20。利用分光鏡取0度相移混頻光束17的部分光在CCD攝像機(jī)13上得到干涉圖像L5。4)獲得的干涉圖像15經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)窖b有干涉圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)14中進(jìn)行處理分析，測得中心點(diǎn)偏移量R的最佳值為5.00mm。最后利用關(guān)系式(6)推算出俯仰角a為30。。整個(gè)圖像處理過程完畢，得到目標(biāo)位置信息16:俯仰角01=30°，方位角P=45°。誤差主要由回波6的質(zhì)量、CCD攝像機(jī)13的象素尺寸以及干涉圖處理軟件14所用算法有關(guān)。在前兩者己知的情況下，可通過調(diào)整干涉圖像處理軟件的算法并通過軟件處理來對誤差進(jìn)行補(bǔ)償。5)當(dāng)目標(biāo)4移動(dòng)，俯仰角和方位角變化為a=45°，方位角p-60。時(shí)，在上次測量結(jié)果的基礎(chǔ)上，需再將CCD攝像機(jī)13坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)15°，使回波6的光斑落在坐標(biāo)軸上，可知方位角fi變化了15°,即(3=60°。同時(shí)干涉圖像的中心點(diǎn)偏移量R隨目標(biāo)位置變化漂移，測得最佳值為A"-7.07/mw。同樣由式(6)計(jì)算得到的方位角ot為45°，即可知目標(biāo)的俯仰角a移動(dòng)了15°。這樣就得到了目標(biāo)位置移動(dòng)后的位置信息16:俯仰角(1=45°，方位角|3=60°。權(quán)利要求1、一種可獲得目標(biāo)位置信息的相干激光測距儀，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)由發(fā)射激光器(1)、光調(diào)制器(2)、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(3)組成，接收機(jī)包括接收光學(xué)系統(tǒng)(5)、本振激光器(7)、光橋接器(9)、光電探測器(10)、鎖相環(huán)路(12)和CCD攝像機(jī)(13)，其特征在于所述的光橋接器(9)的兩個(gè)輸入端分別連接接收光學(xué)系統(tǒng)(5)和本振激光器(7)，該光橋接器(9)的輸出端分別接所述的光電探測器(10)和CCD攝像機(jī)(13)，所述的光電探測器(10)經(jīng)鎖相環(huán)路(12)與本振激光器(7)相連，所述的CCD攝像機(jī)(13)的輸出端與一具有干涉圖像處理軟件的計(jì)算機(jī)(14)相連，該計(jì)算機(jī)(14)的輸出端與所述的接收光學(xué)系統(tǒng)(5)和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(3)的控制部分相連。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干激光測距儀，其特征在于所述的發(fā)射澂光器(1)和本振激光器(7)的頻率相同或不同。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干激光測距儀，其特征在于所述的鎖相環(huán)路(12)為平衡鎖相環(huán)、科斯塔斯鎖相環(huán)路、決策驅(qū)動(dòng)鎖相環(huán)路、同步位鎖相環(huán)路或高頻振蕩鎖相環(huán)路。專利摘要一種可獲得目標(biāo)位置信息的相干激光測距儀，采用連續(xù)波和相干探測體制，系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩大部分。發(fā)射機(jī)由發(fā)射激光器、光調(diào)制器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)組成，接收機(jī)由接收光學(xué)系統(tǒng)、本振激光器、光橋接器、光電探測器、鎖相環(huán)路，以及CCD攝像機(jī)、干涉圖像處理軟件組成。接收機(jī)在相干探測得到傳輸距離信息的同時(shí)，利用回波和本振光波在CCD攝像機(jī)上得到的干涉圖，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像處理和分析，獲得的目標(biāo)位置信息和目標(biāo)距離信息，實(shí)時(shí)控制光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)電部分，保證測距儀的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和接收望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo)。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)性能更完善、最大測程更遠(yuǎn)的相干激光測距。文檔編號(hào)G01S17/00GK201032490SQ20072006835公開日2008年3月5日申請日期2007年3月29日優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日發(fā)明者劉德安,劉立人,孫建鋒,竹欒,楠許申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所