二氧化碳激光測距儀和熱象儀的集成方案

二氧化碳激光測距儀和熱像儀的集成方案

一、引 言
眾所周知．熱像儀有時能在可見度差的條件，如在夜間、有煙霧和塵埃時和不良氣候條件下，提供良好的觀察能力。有時侯要在這種狀況下測定遠處目標的距離，就使用激光測距儀(LRF)，通常為紅寶石或Nd：YAG型。熱象儀和固體激光器組臺成的 混合 系統(tǒng)，在各自的電磁譜段中工作，困其測距性能不同而使相關性較差。因此，就產生了匹配系統(tǒng)的概念，即一種是白天采用望遠鏡與固體激光測距儀組合，另一種是熱象儀與CO2激光測距儀的組合。有關匹配的概念已討論了許多年，下面的內容僅限于討論熱象儀與C0 激光測距儀的組臺
二、問題的分析
首先分析如何將兩者相結合，先見圖1所示的兩個光電系統(tǒng)方框圖。圖中左邊是熱象儀元件，右
邊是二氧化碳激光測距儀接收器元件。雖各有不同，但乍看起來，其間還有其共同性 光學裝置、
紅外探測器、制冷系統(tǒng)及電子電路。由于紅外探測器、冷卻系統(tǒng)和光學系統(tǒng)這些模塊價格都比較昂
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
[1]和【2]對其高度集成的不同階段有描述 本文針
  圖I 熱象儀和蒴2光測距儀接收器的主元件
對最大高集成度進行研究 測距儀利用一原始通用組件探測器作接收器。進一步研究，發(fā)現(xiàn)有三力面的問題：(1)熱象儀探測器與測距儀探測器的瞬時視場的不匹配約相差5倍；(2 熱象儀固有的掃描在激光脈沖的飛行過程中有圖象移動；(3)美國通用組件系統(tǒng)熱象儀探測器的時間常數(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題的細節(jié) 解決』：述問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距儀和熱象儀的組臺，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，場景的輻射線路是通過掃描反射鏡和紅外成象器到達操測器上 圖中示出略有不同的兩種輻射線路，虛線表示來自場景中心(代表目標)并射到探測器上的輻射，虛線還示出掃描反射鏡的相應位置。另一掃描反射鏡位置表示熱象儀觀察熱場景中心時的狀態(tài)，也在圖中示出 來自場景中心的輻射(直線)不再射到探測器上，而是射到其象平面的角落。在這個位置，有一塊棱鏡，稱作“折迭光學裝置的一部分。折迭光學裝置位于“圍繞探測器 的探測器象平面附近。圖3的下左圖示出象平面對著圖的上部旋轉90 的表示圖。所接收的激光測距儀輻射通過上述棱鏡、第二個棱鏡、準直透鏡、另一個棱鏡、一個成象透鏡和一個棱鏡，最后射到探測元上 最后說到的一個棱鏡僅示在圖3的下右側，表示圖3的構造，下左向右旋轉90。。用熱象儀接收激光測距儀輻射的這個方法已申請專利“ (法國專利3506088(21．8．1986))。
圖3的上部在下右側示出稱作：“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調制盤與從激光測距儀探測器接收到的信號相重合是有效的。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塒的精確位置
下面我們看看這種原理能否解決上述問題
(一) 由掃描反射鏡導致的圖象運動
圖4中示出所接收的激光測距儀輻射的時間過程示意圖。圖4下部分示出一部分熱象儀探測器陣列作為例子 。
圖4的中部示出放大了的激光測距儀接收元件(第180個) 兩個圓表示所接收的激光測距儀光斑 兩個圓代表不同距離(500m和5000m)時第180個探惻元上的激光目標光斑的位置 這兩種目標距離的時間過程羞就相當于一—咱過掃描反射鏡掃描速度的平移— — 探測器長度的一半左右，激光器發(fā)射用的時間標度設計成能使從近目標(有高強度，在圖4上部)來的激光回波，只有部分落在探測元上；從遠處目標(低強度)來的回波則全部落到探測元上。這種設計方案代表一種固有的可編程時間增益(TPG)函數(shù)，這在泣：用來集成CO：LRF的熱成象系縫 ~X120探測單元工作．標準的美國通用組件探測器有180個探測元·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，在熱象墳探測無和第180個激光測距儀接收元之刪有足夠的空間容納折迭光學裝置，而不影響熱象儀的光線通路
一股的激光測距儀中用電子學方法都能做到。
  
圖3 散光測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動(由于掃描)
(二) 熱像儀和激光測距儀的匹配視場
由一光學系統(tǒng)完成激光測距儀接收器及熱象儀的視場匹配，見圖3左下(準直鏡和成象鏡)。兩種視場完全相適應是不可能的。投影到熱象儀象平面的激光測距儀目標光斑太于探測元。這就意味著所接收的激光功率還有測距性能下降。調整精度和穩(wěn)定的要求稍松了一點。
(三) 探測器時間常數(shù)
典型通用組件探{輿j器元的時間常數(shù)大約相當于IMHz的帶寬。然而，為了接收從CO2-TEA 激光器來的激光測距儀輻射，它應大于或等于IOMHz。所以，典型通用組件探測器的探測元代表所接收的激光測距儀輻射的一個低通濾波器。激光i受I距儀接收器的電子電路要設計成使探測器的低通特性通過高通濾波器的行為作修正。第一步就在我們所建立的試驗系統(tǒng)中完成這一工作，進而需要通過更先進的脈沖數(shù)據(jù)處理來改進測量精度。