技术领域
[0001] 本
发明涉及距离选通夜视成像技术领域，尤其涉及一种基于远距离脉冲激光选通成像的时序控制系统及方法。
背景技术
[0002] 对远距离目标进行
图像采集在岛礁、边防、海警、舰载光电侦查设备中具有广泛的潜在应用需求，观察距离越远，越能提前对目标形态，动作做出预判并及时采取有效措施或发出警报，但在实际应用过程中，远距离目标信息采集受到环境因素的影响很大，尤其是在雨、雾、
雪等恶劣天气条件下，目标信息会被严重干扰甚至被淹没，导致有效观察距离急剧下降。
[0003] 常规距离选通激光夜视技术主要利用大功率
半导体脉冲
激光器作为主动照明
光源，通过激光发射系统对出射激光进行
准直后照射目标，然后将被照射目标身上反射回来的
信号光通过光接收镜头收集后进入到选通ICCD(增强电荷
耦合器件)中进行光电转换，从而得到目标图像信息。成像过程中，
中央处理器会控制时序
控制器首先对半导体
脉冲激光器发射脉冲
控制信号，同时根据目标距离算出脉冲飞行时间，在光脉冲即将进入选通ICCD时，时序控制器给选通ICCD发送一个略大于激光脉冲宽度的开
门信号接收光脉冲信号，接收完毕后关闭选通ICCD直到下一个光脉冲信号到来时再次开启选通ICCD。通过这种距离选通的方法，可以有效的解决主动夜视照明过程中带来的后向散射严重的问题。
[0004] 但是，传统的距离选通激光夜视技术采用一脉冲发射，一脉冲接收为一个工作周期，在实际产品应用过程中，由于人眼安全方面的要求及激光器自身
散热和
稳定性方面的限制，半导体激光器的发射功率不能做到很大，而随着光脉冲传输距离的增加，在空气中的吸收损耗也将增大，同时飞行时间越长，一个工作周期的运行时间也会增加，例如，对3公里目标进行成像时，光脉冲的一个工作周期为20us，而对6公里目标成像时，光脉冲的一个工作周期增加到40us,在同等激光功率输出、同等脉冲累积时间的情况下，单位时间内选通ICCD接收到的光脉冲个数减少了50％，加上传输过程中的损耗，对远距离目标进行成像时。选通ICCD接收到的目标反射信号光将非常微弱，有时甚至会被器件自身噪声所淹没，从而导致图像目标模糊甚至无图像目标信息。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于远距离脉冲激光选通成像的时序控制系统及方法，从而解决
现有技术中存在的前述问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007] 一种基于远距离脉冲激光选通成像时序控制系统，包括中央处理器(100)、时序控制器(200)、激光发射模
块(300)、
光信号接收模块(500)、图像
信号处理模块(600)和图像显示器(700)，所述中央处理器分别与所述时序控制器(200)、所述图像信号处理模块(600)和所述图像显示器(700)通信连接，所述时序控制器(200)与所述激光发射模块(300)和所述光信号接收模块(500)相连。
[0008] 优选地，所述激光发射模块(300)包括激光扩束镜头(320)和脉冲激光器(310)，所述激光扩束镜头(320)、所述脉冲激光器(310)和所述时序控制器(200)顺次相连；所述的脉冲激光器(310)可以是带外触发的固体脉冲激光器或半导体脉冲激光器或光纤脉冲激光器；
[0009] 所述的激光扩束镜头(320)要求能够对所述的脉冲激光器(310)的出射光进行准直和整形，使得发射光束的发散
角更小，发射光斑
质量近似为平顶光；所述光信号接收模块(500)包括接收光学镜头(510)、滤光片(520)和选通ICCD器材(530)，所述接收光学镜头(510)、所述滤光片(520)、所述选通ICCD器材(530)和所述时序控制器(200)顺次相连；所述的接收光学镜头(510)可以是长焦摄远镜头、卡塞格林式望远镜等长焦镜头；
[0010] 所述的接收光学镜头(510)用来收集从所述的激光扩束镜头(320)发射的光脉冲照射在所述的目标(400)后的反射和散射光信号；
[0011] 所述的滤光片(520)为对应所述的脉冲激光器(310)发射激光
波长的窄带滤光片；所述的滤光片(520)可以滤除所述的接收光学镜头(510)收集的信号光中的杂散信号，只接收所述的脉冲激光器(310)的出射光波长±10nm范围的光信号；
[0012] 所述的选通ICCD器件(530)为高速响应的选通像增强器，所述的选通ICCD器件(530)后端耦合了CCD或CMOS成像器件，成像器件可以通过网络端口直接传输数字图像信号；
[0013] 优选地，所述中央处理器(100)带有RS422通信
接口，VGA
信号传输接口，千兆网路传输接口；所述中央处理器(100)包括
笔记本电脑、普通工作电脑、工控机、
嵌入式系统中的任意一种。
[0014] 优选地，所述中央处理器(100)通过RS422
通信接口与所述时序控制器(200)通信；所述中央处理器(100)通过网线与图像信号处理模块(600)通信，所述中央处理器(100)通过VGA或HDMI
电缆将目标信号显示在所述的图像显示器(700)上。
[0015] 优选地，所述图像信号处理模块(600)为常规图像信号处理模块，所述的图像信号处理模块(600)可以将所述的选通ICCD器件(530)通过网络端口传输过来的图像信号进行图像滤波处理，并对目标图像信号进行图像增强处理，将处理好的图像信号通过网络端口传输到所述的中央处理器(100)；
[0016] 优选地，所诉时序控制器(200)包括CPLD，FPGA为主芯片的高速时序控制
电路模块；所述时序控制器(200)带有至少1路RS422通信接口，至少带有2路接口为同轴电缆母座的TTL高速脉冲
输出信号接口；
[0017] 所述的时序控制器(200)通过同轴电缆将脉冲信号发送到所述的脉冲激光器(310)；
[0018] 所述的时序控制器(200)通过同轴电缆将延迟时间T-(Td+t)后的
开关信号发送到所述的选通ICCD器件(520)。
[0019] 本发明的另一个目的是在气象条件不佳或能见度不良情况下的夜视成像过程中，通过精确控制所述的激光发射模块(300)的发射时间和所述的光信号接收模块(500)的接收时间，可以通过倍频的方式提高选通ICCD接收的反射光信号强度，从而提高远距离目标夜视成像过程的成像
亮度和清晰度，进而在不改变激光器和选通ICCD
硬件的前提下，提高了成像作用距离。
[0020] 值得注意的是，精确控制所述的激光发射模块(300)的发射时间和所述的光信号接收模块(500)的接收时间具体是指所述的脉冲激光器(310)发射的激光脉冲宽度为Tp，所述的选通ICCD器件(530)的开关门持续时间为Tr，所述的距离选通成像装置完成一个脉冲发射和一个脉冲接收的时间周期为T，所述的选通ICCD器件(530)的关门时间到下一个所述的脉冲激光器(310)的激光脉冲发射的上升沿时间为t。
[0021] 采用上述系统进行远距离脉冲激光选通成像时序控制的方法，包括以下步骤：
[0022] S1，时序控制器(200)在工作周期T内向脉冲激光器(310)发射2～3个脉冲宽度为Tp的光脉冲信号，同时所述时序控制器(200)也向选通ICCD器件(530)发送2～3个开关门宽度为Tr的脉冲信号；
[0023] S2，所述光脉冲信号传输至激光扩束镜头(320)进行光束整形，然后朝目标(400)飞行并在所述目标(400)上发生反射和漫反射，经过反射和漫反射之后的光脉冲信号进入接收光学镜头(510)，所述接收光学镜头(510)将收集的目标反射和散射光脉冲信号通过滤光片(520)过滤后进入到所述选通ICCD器件(530)；
[0024] S3，此时所述选通ICCD器件(530)接收来自时序控制器(200)的开关信号，所述选通ICCD器件(530)打开并将进入的目标反射和散射光脉冲信号通过光
电信号转换为目标图像信号；
[0025] S4，所述选通ICCD器件(530)得到的目标图像信号经图像信号处理器(600)采集并进行图像信号去噪处理后发送给所述中央处理器(100)，所述的中央处理器(100)将收到的目标图像
数字信号进一步进行图像增强处理后将图像目标信号显示在所述的图像显示器(700)。
[0026] 优选地，当所述选通ICCD器件(530)第一次开门时，所述脉冲激光器(310)的第一个激光脉冲刚好到达与所述目标(400)距离R的
位置，所述选通ICCD器件(530)接收到的反射信号为第一个激光脉冲处于R/2距离时的空气散射信号；
[0027] 所述的脉冲激光器(310)发射第二激光脉冲时，所述的选通ICCD器件(530)处于关闭状态；
[0028] 当所述选通ICCD器件(530)第二次开门时，所述脉冲激光器(310)发射的第一个激光脉冲刚好到达所述选通ICCD器件(530)，所述选通ICCD器件(530)接收的是第一个激光脉冲从所述的目标(400)上反射的信号，信号接收完毕后，所述的选通ICCD器件(530)关闭，此时所述的脉冲激光器(310)发射的第二个激光脉冲刚好到达所述的目标(400)。
[0029] 优选地，当时序控制器(200)在工作周期T内向脉冲激光器(310)发射2个脉冲宽度为Tp的光脉冲信号，同时所述时序控制器(200)也向选通ICCD器件(530)发送2个开关门宽度为Tr的脉冲信号；所述选通成像装置在一个工作周期T内，所述的选通ICCD器件(530)接收2个反射的激光脉冲信号。
[0030] 优选地，当时序控制器(200)在工作周期T内向脉冲激光器(310)发射3个脉冲宽度为Tp的光脉冲信号，同时所述时序控制器(200)也向选通ICCD器件(530)发送3个开关门宽度为Tr的脉冲信号；所述选通成像装置在一个工作周期T内，所述的选通ICCD器件(530)接收3个反射的激光脉冲信号。
[0031] 本发明的有益效果是：
[0032] 本发明公开了一种基于远距离脉冲激光选通成像的时序控制系统及方法，在现有距离选通成像设备
基础上，通过精确控制所述的脉冲激光器(310)的发射时间和选通ICCD(530)的接收时间可以实现采用二倍频或三倍频的方式得到远距离目标的图像信息，从而提高了单位时间内所述的选通ICCD(530)能够得到更多的目标反射和散射信号，提高了选通成像的目标图像亮度，从而可以对更远的目标进行距离选通成像。
附图说明
[0033] 图1是
实施例1中提供的远距离脉冲激光选通的时序控制系统组成结构
框图；
[0034] 图2是采用实施例1中提供的远距离脉冲激光选通的时序控制方法的时序控制图；
[0035] 其中，时序A为常规的距离选通成像技术采用的一脉冲发射，一脉冲接收的工作模式的时序关系，激光脉冲宽度为Tp，选通ICCD器件的开门持续时间为Tr，成像装置完成一个脉冲发射和接收的时间周期为T，选通ICCD器件的关门时间到下一个脉冲发射的上升沿时间为t；
[0036] 时序B为基于常规距离选通成像技术的二倍频脉冲激光选通成像技术时序关系，成像装置完成一个脉冲发射和接收的时间周期为T/2；
[0037] 时序C为基于常规距离选通成像技术的三倍频脉冲激光选通成像技术时序关系，成像装置完成一个脉冲发射和接收的时间周期为T/3。
[0038] 图3是实施例2中的时序控制方法对距离为7500米的目标进行实际成像的效果图。
具体实施方式
[0039] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0040] 实施例1
[0041] 本实施例提供一种基于远距离脉冲激光选通成像时序控制系统，如图1所示，包括中央处理器(100)、时序控制器(200)、激光发射模块(300)、光信号接收模块(500)、图像信号处理模块(600)和图像显示器(700)，所述中央处理器分别与所述时序控制器(200)、所述图像信号处理模块(600)和所述图像显示器(700)通信连接，所述时序控制器(200)与所述激光发射模块(300)和所述光信号接收模块(500)相连。
[0042] 本实施例中的所述激光发射模块(300)包括激光扩束镜头(320)和脉冲激光器(310)，所述激光扩束镜头(320)、所述脉冲激光器(310)和所述时序控制器(200)顺次相连；所述的脉冲激光器(310)可以是带外触发的固体脉冲激光器或半导体脉冲激光器；所述的激光扩束镜头(320)要求能够对所述的脉冲激光器(310)的出射光进行准直和整形，使得发射光束的发散角更小，发射光斑质量近似为平顶光。
[0043] 本实施例中所述光信号接收模块(500)包括接收光学镜头(510)、滤光片(520)和选通ICCD器材(530)，所述接收光学镜头(510)、所述滤光片(520)、所述选通ICCD器材(530)和所述时序控制器(200)顺次相连。所述的接收光学镜头(510)可以是长焦摄远镜头、卡塞格林式望远镜等长焦镜头；
[0044] 所述的接收光学镜头(510)用来收集从所述的激光扩束镜头(320)发射的光脉冲照射在所述的目标(400)后的反射和散射光信号；
[0045] 所述的滤光片(520)为对应所述的脉冲激光器(310)发射激光波长的窄带滤光片；所述的滤光片(520)可以滤除所述的接收光学镜头(510)收集的信号光中的杂散信号；
[0046] 所述的选通ICCD器件(530)为高速响应的选通像增强器，所述的选通ICCD器件(530)后端耦合了CCD或CMOS成像器件，成像器件可以通过网络端口直接传输数字图像信号。
[0047] 本实施例中的所述中央处理器(100)带有RS422通信接口，VGA信号传输接口，千兆网路传输接口；可以是笔记本电脑、普通工作电脑、工控机、嵌入式系统等多种上位机中的任意一种。本实施例中为笔记本电脑。
[0048] 所述中央处理器(100)通过RS422通信接口与所述时序控制器(200)通信；所述中央处理器(100)通过千兆网线与图像信号处理模块(600)通信，所述中央处理器(100)通过VGA电缆将目标信号显示在所述的的图像显示器(700)上。
[0049] 本实施例中的所述图像信号处理模块(600)为常规图像信号处理模块，所述的图像信号处理模块(600)可以将所述的选通ICCD器件(530)通过网络端口传输过来的图像信号进行图像滤波处理，并对目标图像信号进行图像增强处理，将处理好的图像信号通过网络端口传输到所述的中央处理器(100)；
[0050] 本实施例中的所述时序控制器(200)包括CPLD，FPGA为主芯片的高速时序控制电路模块；所述时序控制器(200)带有RS422通信接口，至少带有2路接口为同轴电缆母座的TTL高速脉冲输出信号接口；
[0051] 所述的时序控制器(200)通过同轴电缆将脉冲信号发送到所述的脉冲激光器(310)；
[0052] 所述的时序控制器(200)通过同轴电缆将延迟时间T-(Td+t)后的开关信号发送到所述的选通ICCD器件(520)。
[0053] 实施例2
[0054] 本实施例采用实施例1中的系统进行远距离脉冲激光选通的时序控制方法，包括以下步骤：
[0055] S1，时序控制器(200)在工作周期T内向脉冲激光器(310)发射2个脉冲宽度为Tp的光脉冲信号，同时所述时序控制器(200)也向选通ICCD器件(530)发送2个开关门宽度为Tr的脉冲信号；
[0056] S2，所述光脉冲信号传输至激光扩束镜头(320)进行光束整形，然后朝目标(400)飞行并在所述目标(400)上发生反射和漫反射，经过反射和漫反射之后的光脉冲信号进入接收光学镜头(510)，所述接收光学镜头(510)将收集的目标反射和散射光脉冲信号通过滤光片(520)过滤后进入到所述选通ICCD器件(530)；
[0057] S3，此时所述选通ICCD器件(530)接收来自时序控制器(200)的开关信号，所述选通ICCD器件(530)打开并将进入的目标反射和散射光脉冲信号通过光电信号转换为目标图像信号；
[0058] S4，所述选通ICCD器件(530)得到的目标图像信号经图像信号处理器(600)采集并进行图像信号去噪处理后发送给所述中央处理器(100)，所述的中央处理器(100)将收到的目标图像数字信号进一步进行图像增强处理后将图像目标信号显示在所述的图像显示器(700)。
[0059] 具体的，当所述选通ICCD器件(530)第一次开门时，所述脉冲激光器(310)的第一个激光脉冲刚好到达与所述目标(400)距离R的位置，所述选通ICCD器件(530)接收到的反射信号为第一个激光脉冲处于R/2距离时的空气散射信号；
[0060] 所述的脉冲激光器(310)发射第二激光脉冲时，所述的选通ICCD器件(530)处于关闭状态；
[0061] 当所述选通ICCD器件(530)第二次开门时，所述脉冲激光器(310)发射的第一个激光脉冲刚好到达所述选通ICCD器件(530)，所述选通ICCD器件(530)接收的是第一个激光脉冲从所述的目标(400)上反射的信号，信号接收完毕后，所述的选通ICCD器件(530)关闭，此时所述的脉冲激光器(310)发射的第二个激光脉冲刚好到达所述的目标(400)。
[0062] 具体的，当时序控制器(200)在工作周期T内向脉冲激光器(310)发射2个脉冲宽度为Tp的光脉冲信号，同时所述时序控制器(200)也向选通ICCD器件(530)发送2个开关门宽度为Tr的脉冲信号；所述选通成像装置在一个工作周期T内，所述的选通ICCD器件(530)接收2个反射的激光脉冲信号。
[0063] 实施例3
[0064] 本实施例提供一个具体的实施方法，首先时序控制器(200)通过同轴电缆将脉冲发射信号发送到所述的脉冲激光器(310)，所述的时序控制器(200)通过同轴电缆将延迟时间Td后的开关信号发送到所述的选通ICCD器件(520)。所述的脉冲激光器(310)在接收到所述的时序控制器(200)的发射信号后发射一个光脉冲信号，光脉冲信号通过光纤传输进入到所述的激光扩束镜头(320)进行光束整形，然后光脉冲朝向所述的目标(400)飞行，光脉冲飞行T/2时间后照射在所述的目标(400)上并发生反射和漫散射，反射和散射的光脉冲继续飞行T/2时间后进入所述的接收光学镜头(510)，所述的接收光学镜头(510)将收集的目标反射和散射光信号通过所述的滤光片(520)过滤后进入到所述的选通ICCD器件(530)，此时所述的时序控制器刚刚将所述的选通ICCD器件(530)开关信号送到，所述的选通ICCD器件(530)将进入的目标反射和散射光信号通过光电信号转换为目标图像信号。
[0065] 所述的选通ICCD器件(530)得到的目标图像信号被所述的图像信号处理器(600)采集并进行图像信号去噪处理后以千兆网络端口将数字信号发送给所述的中央处理器(100)，所述的中央处理器(100)内部将收到的目标图像数字信号进一步进行图像增强处理后通过VGA电缆将图像目标信号显示在所述的图像显示器(700)。
[0066] 附图2中所述的时序A在周期T内只发射了1个脉冲宽度为Tp的光脉冲给所述的脉冲激光器(310)，同时也发送了1个开关门宽度为Tr的脉冲给所述的选通ICCD器件(530)。
[0067] 附图2中所述的时序B在周期T内发射了2个脉冲宽度为Tp的光脉冲给所述的脉冲激光器(310)，同时也发送了2个开关门宽度为Tr的脉冲给所述的选通ICCD器件(530)。所述的时序B的一个脉冲发射周期为T/2，所述的时序B的第一个选通ICCD器件开门时，此时第一个激光脉冲刚好到达距离所述的目标(400)距离R，所述的选通ICCD器件(530)接收到的反射信号为第一个激光脉冲处于R/2距离时的空气散射信号，由于没有所述的目标(400)反射信号，所述的选通ICCD(530)得到的信号为空，第二激光脉冲发射时，所述的选通ICCD器件(530)处于关闭状态，当所述的时序B的第二个选通ICCD器件开门信号到达时，第一个激光脉冲刚好到达所述的选通ICCD器件(530)，此时所述的选通ICCD器件(530)接收的是第一个激光脉冲从目标上反射的信号，信号接收完毕后，所述的选通ICCD器件(530)关闭，此时第二激光脉冲刚好到达所述的目标(400)，通过精确的时间设置，每一个所述的选通ICCD器件(530)接收的都是所述的脉冲激光器(310)发射的同步脉冲激光的前一个脉冲激光。如此类推，在原来的距离选通成像一个收发周期T内，所述的选通ICCD器件(530)接收了2个激光脉冲。
[0068] 附图2中所述的时序C在周期T内发射了3个脉冲宽度为Tp的光脉冲给所述的脉冲激光器(310)，同时也发送了3个开关门宽度为Tr的脉冲给所述的选通ICCD器件(530)。所述的时序C的一个脉冲发射周期为T/3，所述的时序C的第一个选通ICCD器件开门时，此时第一个激光脉冲刚好到达距离所述的目标(400)距离R，所述的选通ICCD器件(530)接收到的反射信号为第一个激光脉冲处于R/3距离时的空气散射信号，由于没有所述的目标(400)反射信号，所述的选通ICCD(530)得到的信号为空，第二激光脉冲发射时，所述的选通ICCD器件(530)处于关闭状态，当所述的时序C的第二个选通ICCD器件开门信号到达时，第一个激光脉冲刚好到达所述的选通ICCD器件(530)，此时所述的选通ICCD器件(530)接收的是第一个激光脉冲从目标上反射的信号，信号接收完毕后，所述的选通ICCD器件(530)关闭，此时第二激光脉冲刚好到达所述的目标(400)，通过精确的时间设置，每一个所述的选通ICCD器件(530)接收的都是所述的脉冲激光器(310)发射的同步脉冲激光的前一个脉冲激光。以此类推，在原来的距离选通成像一个收发周期T内，所述的选通ICCD器件(530)接收了3个激光脉冲。
[0069] 附图3是采用二倍频和三倍频进行脉冲激光选通成像时得到的实际试验图像，图中边框中的
建筑物距离成像装置距离为7500米。
[0070] 通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
[0071] 本发明公开了一种基于远距离脉冲激光选通成像的时序控制系统及方法，在现有距离选通成像设备基础上，通过精确控制所述的脉冲激光器(310)的发射时间和选通ICCD(530)的接收时间可以实现采用二倍频或三倍频的方式得到远距离目标的图像信息，从而提高了单位时间内所述的选通ICCD(530)能够得到更多的目标反射和散射信号，提高了选通成像的目标图像亮度，从而可以对更远的目标进行距离选通成像。
[0072] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
