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(shí)能在可見(jiàn)度差的條件，如在夜間、有煙霧和塵埃時(shí)和不良氣候條件下，提供良好的觀(guān)察能力。有時(shí)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，在各自的電磁譜段中工作，困其測距性能不同而使相關(guān)性較差。因此，就產(chǎn)生了匹配系統的概念，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(guān)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(wèn)題的分析
首先分析如何將兩者相結合，先見(jiàn)圖1所示的兩個(gè)光電系統方框圖。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(lái)，其間還有其共同性 光學(xué)裝置、
紅外探測器、制冷系統及電子電路。由于紅外探測器、冷卻系統和光學(xué)系統這些模塊價(jià)格都比較昂
貴，人們不得不考慮是否能使兩部分系統共用這些模塊，這樣這種組合系統的成本會(huì )大大降低。
深入一步研究，就能發(fā)現兩者集成的難度，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(jìn)行研究 測距儀利用一原始通用組件探測器作接收器。進(jìn)一步研究，發(fā)現有三力面的問(wèn)題：(1)熱象儀探測器與測距儀探測器的瞬時(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)美國通用組件系統熱象儀探測器的時(shí)間常數太低，使接收激光脈沖輻射失真。下面將給出如何解決這些問(wèn)題的細節 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，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(chǎng)景的輻射線(xiàn)路是通過(guò)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(xiàn)路，虛線(xiàn)表示來(lái)自場(chǎng)景中心(代表目標)并射到探測器上的輻射，虛線(xiàn)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(guān)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(xiàn))不再射到探測器上，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“圍繞探測器 的探測器象平面附近。圖3的下左圖示出象平面對著(zhù)圖的上部旋轉90 的表示圖。所接收的激光測距儀輻射通過(guò)上述棱鏡、第二個(gè)棱鏡、準直透鏡、另一個(gè)棱鏡、一個(gè)成象透鏡和一個(gè)棱鏡，最后射到探測元上 最后說(shuō)到的一個(gè)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(gè)方法已申請專(zhuān)利“ (法國專(zhuān)利3506088(21．8．1986))。
圖3的上部在下右側示出稱(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調制盤(pán)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(wèn)題
(一) 由掃描反射鏡導致的圖象運動(dòng)
圖4中示出所接收的激光測距儀輻射的時(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(gè)) 兩個(gè)圓表示所接收的激光測距儀光斑 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光斑的位置 這兩種目標距離的時(shí)間過(guò)程羞就相當于一—咱過(guò)掃描反射鏡掃描速度的平移— — 探測器長(cháng)度的一半左右，激光器發(fā)射用的時(shí)間標度設計成能使從近目標(有高強度，在圖4上部)來(lái)的激光回波，只有部分落在探測元上；從遠處目標(低強度)來(lái)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(shí)間增益(TPG)函數，這在泣：用來(lái)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(gè)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(wú)和第180個(gè)激光測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(xiàn)通路
一股的激光測距儀中用電子學(xué)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(dòng)(由于掃描)
(二) 熱像儀和激光測距儀的匹配視場(chǎng)
由一光學(xué)系統完成激光測距儀接收器及熱象儀的視場(chǎng)匹配，見(jiàn)圖3左下(準直鏡和成象鏡)。兩種視場(chǎng)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(zhù)所接收的激光功率還有測距性能下降。調整精度和穩定的要求稍松了一點(diǎn)。
(三) 探測器時(shí)間常數
典型通用組件探{輿j器元的時(shí)間常數大約相當于IMHz的帶寬。然而，為了接收從CO2-TEA 激光器來(lái)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(gè)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(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系統中完成這一工作，進(jìn)而需要通過(guò)更先進(jìn)的脈沖數據處理來(lái)改進(jìn)測量精度。