二氧化碳激光測(cè)距儀和熱象儀的集成方案

二氧化碳激光測(cè)距儀和熱像儀的集成方案

一、引 言
眾所周知．熱像儀有時(shí)能在可見(jiàn)度差的條件，如在夜間、有煙霧和塵埃時(shí)和不良?xì)夂驐l件下，提供良好的觀察能力。有時(shí)侯要在這種狀況下測(cè)定遠(yuǎn)處目標(biāo)的距離，就使用激光測(cè)距儀(LRF)，通常為紅寶石或Nd：YAG型。熱象儀和固體激光器組臺(tái)成的 混合 系統(tǒng)，在各自的電磁譜段中工作，困其測(cè)距性能不同而使相關(guān)性較差。因此，就產(chǎn)生了匹配系統(tǒng)的概念，即一種是白天采用望遠(yuǎn)鏡與固體激光測(cè)距儀組合，另一種是熱象儀與CO2激光測(cè)距儀的組合。有關(guān)匹配的概念已討論了許多年，下面的內(nèi)容僅限于討論熱象儀與C0 激光測(cè)距儀的組臺(tái)
二、問(wèn)題的分析
首先分析如何將兩者相結(jié)合，先見(jiàn)圖1所示的兩個(gè)光電系統(tǒng)方框圖。圖中左邊是熱象儀元件，右
邊是二氧化碳激光測(cè)距儀接收器元件。雖各有不同，但乍看起來(lái)，其間還有其共同性 光學(xué)裝置、
紅外探測(cè)器、制冷系統(tǒng)及電子電路。由于紅外探測(cè)器、冷卻系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)這些模塊價(jià)格都比較昂
貴，人們不得不考慮是否能使兩部分系統(tǒng)共用這些模塊，這樣這種組合系統(tǒng)的成本會(huì)大大降低。
深入一步研究，就能發(fā)現(xiàn)兩者集成的難度，如圖2所示。圖中從左至右，集成度逐漸增大 文獻(xiàn)
[1]和【2]對(duì)其高度集成的不同階段有描述 本文針
  圖I 熱象儀和蒴2光測(cè)距儀接收器的主元件
對(duì)最大高集成度進(jìn)行研究 測(cè)距儀利用一原始通用組件探測(cè)器作接收器。進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)有三力面的問(wèn)題：(1)熱象儀探測(cè)器與測(cè)距儀探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)的不匹配約相差5倍；(2 熱象儀固有的掃描在激光脈沖的飛行過(guò)程中有圖象移動(dòng)；(3)美國(guó)通用組件系統(tǒng)熱象儀探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)太低，使接收激光脈沖輻射失真。下面將給出如何解決這些問(wèn)題的細(xì)節(jié) 解決』：述問(wèn)題采取折衷辦法是不可避免的。
 
三、解決辦法
F面研究的系統(tǒng)，代表二氧化碳激光測(cè)距儀和熱象儀的組臺(tái)，其工作原理如圖3所示 圖的上半部是通用組件熱象儀的示意圖，場(chǎng)景的輻射線路是通過(guò)掃描反射鏡和紅外成象器到達(dá)操測(cè)器上 圖中示出略有不同的兩種輻射線路，虛線表示來(lái)自場(chǎng)景中心(代表目標(biāo))并射到探測(cè)器上的輻射，虛線還示出掃描反射鏡的相應(yīng)位置。另一掃描反射鏡位置表示熱象儀觀察熱場(chǎng)景中心時(shí)的狀態(tài)，也在圖中示出 來(lái)自場(chǎng)景中心的輻射(直線)不再射到探測(cè)器上，而是射到其象平面的角落。在這個(gè)位置，有一塊棱鏡，稱(chēng)作“折迭光學(xué)裝置的一部分。折迭光學(xué)裝置位于“圍繞探測(cè)器 的探測(cè)器象平面附近。圖3的下左圖示出象平面對(duì)著圖的上部旋轉(zhuǎn)90 的表示圖。所接收的激光測(cè)距儀輻射通過(guò)上述棱鏡、第二個(gè)棱鏡、準(zhǔn)直透鏡、另一個(gè)棱鏡、一個(gè)成象透鏡和一個(gè)棱鏡，最后射到探測(cè)元上 最后說(shuō)到的一個(gè)棱鏡僅示在圖3的下右側(cè)，表示圖3的構(gòu)造，下左向右旋轉(zhuǎn)90。。用熱象儀接收激光測(cè)距儀輻射的這個(gè)方法已申請(qǐng)專(zhuān)利“ (法國(guó)專(zhuān)利3506088(21．8．1986))。
圖3的上部在下右側(cè)示出稱(chēng)作：“掃描位置傳感器 。顯然，如果COz-TEA激光器的觸發(fā)器與前視紅9~(FLIR)掃描反射鏡的位置精確同步，那么FLIR調(diào)制盤(pán)與從激光測(cè)距儀探測(cè)器接收到的信號(hào)相重合是有效的。這種方法就是掃描位置傳感器。它用光電方法敏感到激光訓(xùn)塒的精確位置
下面我們看看這種原理能否解決上述問(wèn)題
(一) 由掃描反射鏡導(dǎo)致的圖象運(yùn)動(dòng)
圖4中示出所接收的激光測(cè)距儀輻射的時(shí)間過(guò)程示意圖。圖4下部分示出一部分熱象儀探測(cè)器陣列作為例子 。
圖4的中部示出放大了的激光測(cè)距儀接收元件(第180個(gè)) 兩個(gè)圓表示所接收的激光測(cè)距儀光斑 兩個(gè)圓代表不同距離(500m和5000m)時(shí)第180個(gè)探惻元上的激光目標(biāo)光斑的位置 這兩種目標(biāo)距離的時(shí)間過(guò)程羞就相當(dāng)于一—咱過(guò)掃描反射鏡掃描速度的平移— — 探測(cè)器長(zhǎng)度的一半左右，激光器發(fā)射用的時(shí)間標(biāo)度設(shè)計(jì)成能使從近目標(biāo)(有高強(qiáng)度，在圖4上部)來(lái)的激光回波，只有部分落在探測(cè)元上；從遠(yuǎn)處目標(biāo)(低強(qiáng)度)來(lái)的回波則全部落到探測(cè)元上。這種設(shè)計(jì)方案代表一種固有的可編程時(shí)間增益(TPG)函數(shù)，這在泣：用來(lái)集成CO：LRF的熱成象系縫 ~X120探測(cè)單元工作．標(biāo)準(zhǔn)的美國(guó)通用組件探測(cè)器有180個(gè)探測(cè)元·因此． 般只用180元中的3～150元：在本倒子中，我們用其中的1～120元 這樣，在熱象墳探測(cè)無(wú)和第180個(gè)激光測(cè)距儀接收元之刪有足夠的空間容納折迭光學(xué)裝置，而不影響熱象儀的光線通路
一股的激光測(cè)距儀中用電子學(xué)方法都能做到。
  
圖3 散光測(cè)距儀接收器與熱象儀集成工作原理。 閆4 距離相美的回渡脈沖運(yùn)動(dòng)(由于掃描)
(二) 熱像儀和激光測(cè)距儀的匹配視場(chǎng)
由一光學(xué)系統(tǒng)完成激光測(cè)距儀接收器及熱象儀的視場(chǎng)匹配，見(jiàn)圖3左下(準(zhǔn)直鏡和成象鏡)。兩種視場(chǎng)完全相適應(yīng)是不可能的。投影到熱象儀象平面的激光測(cè)距儀目標(biāo)光斑太于探測(cè)元。這就意味著所接收的激光功率還有測(cè)距性能下降。調(diào)整精度和穩(wěn)定的要求稍松了一點(diǎn)。
(三) 探測(cè)器時(shí)間常數(shù)
典型通用組件探{輿j器元的時(shí)間常數(shù)大約相當(dāng)于IMHz的帶寬。然而，為了接收從CO2-TEA 激光器來(lái)的激光測(cè)距儀輻射，它應(yīng)大于或等于IOMHz。所以，典型通用組件探測(cè)器的探測(cè)元代表所接收的激光測(cè)距儀輻射的一個(gè)低通濾波器。激光i受I距儀接收器的電子電路要設(shè)計(jì)成使探測(cè)器的低通特性通過(guò)高通濾波器的行為作修正。第一步就在我們所建立的試驗(yàn)系統(tǒng)中完成這一工作，進(jìn)而需要通過(guò)更先進(jìn)的脈沖數(shù)據(jù)處理來(lái)改進(jìn)測(cè)量精度。