二氧化碳激光测距仪和热象仪的集成方案

二氧化碳激光测距仪和热像仪的集成方案

一、引 言
众所周知．热像仪有时能在可见度差的条件，如在夜间、有烟雾和尘埃时和不良气候条件下，提供良好的观察能力。有时侯要在这种状况下测定远处目标的距离，就使用激光测距仪(LRF)，通常为红宝石或Nd：YAG型。热象仪和固体激光器组台成的 混合 系统，在各自的电磁谱段中工作，困其测距性能不同而使相关性较差。因此，就产生了匹配系统的概念，即一种是白天采用望远镜与固体激光测距仪组合，另一种是热象仪与CO2激光测距仪的组合。有关匹配的概念已讨论了许多年，下面的内容仅限于讨论热象仪与C0 激光测距仪的组台
二、问题的分析
首先分析如何将两者相结合，先见图1所示的两个光电系统方框图。图中左边是热象仪元件，右
边是二氧化碳激光测距仪接收器元件。虽各有不同，但乍看起来，其间还有其共同性 光学装置、
红外探测器、制冷系统及电子电路。由于红外探测器、冷却系统和光学系统这些模块价格都比较昂
贵，人们不得不考虑是否能使两部分系统共用这些模块，这样这种组合系统的成本会大大降低。
深入一步研究，就能发现两者集成的难度，如图2所示。图中从左至右，集成度逐渐增大 文献
[1]和【2]对其高度集成的不同阶段有描述 本文针
  图I 热象仪和蒴2光测距仪接收器的主元件
对最大高集成度进行研究 测距仪利用一原始通用组件探测器作接收器。进一步研究，发现有三力面的问题：(1)热象仪探测器与测距仪探测器的瞬时视场的不匹配约相差5倍；(2 热象仪固有的扫描在激光脉冲的飞行过程中有图象移动；(3)美国通用组件系统热象仪探测器的时间常数太低，使接收激光脉冲辐射失真。下面将给出如何解决这些问题的细节 解决』：述问题采取折衷办法是不可避免的。
 
三、解决办法
F面研究的系统，代表二氧化碳激光测距仪和热象仪的组台，其工作原理如图3所示 图的上半部是通用组件热象仪的示意图，场景的辐射线路是通过扫描反射镜和红外成象器到达操测器上 图中示出略有不同的两种辐射线路，虚线表示来自场景中心(代表目标)并射到探测器上的辐射，虚线还示出扫描反射镜的相应位置。另一扫描反射镜位置表示热象仪观察热场景中心时的状态，也在图中示出 来自场景中心的辐射(直线)不再射到探测器上，而是射到其象平面的角落。在这个位置，有一块棱镜，称作“折迭光学装置的一部分。折迭光学装置位于“围绕探测器 的探测器象平面附近。图3的下左图示出象平面对着图的上部旋转90 的表示图。所接收的激光测距仪辐射通过上述棱镜、第二个棱镜、准直透镜、另一个棱镜、一个成象透镜和一个棱镜，最后射到探测元上 最后说到的一个棱镜仅示在图3的下右侧，表示图3的构造，下左向右旋转90。。用热象仪接收激光测距仪辐射的这个方法已申请专利“ (法国专利3506088(21．8．1986))。
图3的上部在下右侧示出称作：“扫描位置传感器 。显然，如果COz-TEA激光器的触发器与前视红9~(FLIR)扫描反射镜的位置精确同步，那么FLIR调制盘与从激光测距仪探测器接收到的信号相重合是有效的。这种方法就是扫描位置传感器。它用光电方法敏感到激光训埘的精确位置
下面我们看看这种原理能否解决上述问题
(一) 由扫描反射镜导致的图象运动
图4中示出所接收的激光测距仪辐射的时间过程示意图。图4下部分示出一部分热象仪探测器阵列作为例子 。
图4的中部示出放大了的激光测距仪接收元件(第180个) 两个圆表示所接收的激光测距仪光斑 两个圆代表不同距离(500m和5000m)时第180个探恻元上的激光目标光斑的位置 这两种目标距离的时间过程羞就相当于一—咱过扫描反射镜扫描速度的平移— — 探测器长度的一半左右，激光器发射用的时间标度设计成能使从近目标(有高强度，在图4上部)来的激光回波，只有部分落在探测元上；从远处目标(低强度)来的回波则全部落到探测元上。这种设计方案代表一种固有的可编程时间增益(TPG)函数，这在泣：用来集成CO：LRF的热成象系缝 ~X120探测单元工作．标准的美国通用组件探测器有180个探测元·因此． 般只用180元中的3～150元：在本倒子中，我们用其中的1～120元 这样，在热象坟探测无和第180个激光测距仪接收元之删有足够的空间容纳折迭光学装置，而不影响热象仪的光线通路
一股的激光测距仪中用电子学方法都能做到。
  
图3 散光测距仪接收器与热象仪集成工作原理。 闫4 距离相美的回渡脉冲运动(由于扫描)
(二) 热像仪和激光测距仪的匹配视场
由一光学系统完成激光测距仪接收器及热象仪的视场匹配，见图3左下(准直镜和成象镜)。两种视场完全相适应是不可能的。投影到热象仪象平面的激光测距仪目标光斑太于探测元。这就意味着所接收的激光功率还有测距性能下降。调整精度和稳定的要求稍松了一点。
(三) 探测器时间常数
典型通用组件探{舆j器元的时间常数大约相当于IMHz的带宽。然而，为了接收从CO2-TEA 激光器来的激光测距仪辐射，它应大于或等于IOMHz。所以，典型通用组件探测器的探测元代表所接收的激光测距仪辐射的一个低通滤波器。激光i受I距仪接收器的电子电路要设计成使探测器的低通特性通过高通滤波器的行为作修正。第一步就在我们所建立的试验系统中完成这一工作，进而需要通过更先进的脉冲数据处理来改进测量精度。