专利名称：带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管及其成像处理方法
技术领域：
本发明涉及一种条纹管，特别涉及一种带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管及其 成像处理方法。
背景技术：
以单狭缝条纹管作为探测器的成像激光雷达，这种成像机制，决定了作为发射源 的激光器和作为探测器的条纹管需要同时工作在一个很高的频率上。由于扫过视场内所有 目标所需的不同激光条纹光斑数不同，这个频率可能是成像频率的十几倍，几十倍甚至上 百倍。在保证激光单脉冲能量不下降的情况下，激光器发射频率无法大幅提高，制约了整个 雷达系统的最终成像频率。
为了解决成像频率的困难，多狭缝条纹管激光雷达被设计和制造出来，实现了激 光器、条纹管和成像的频率统一，并且因此被称为“闪光式”激光成像雷达。但它的缺点和 优点一样显而易见条纹管前端加入的光纤变换器在提升成像频率的同时也在很大程度上 削弱了光透过率，有超过50%的光信号损失在光纤变换器的两端耦合过程中；变换器中光 纤的粗细和数量限制了条纹管探测器的空间分辨能力，它的空间分辨率明显低于条纹管光 电阴极分辨能力；多狭缝条纹管对光电阴极的充分使用也带来了距离分辨率的下降，和单 狭缝相比，它的距离分辨率一般会下降几倍，这个倍率和光电阴极端光纤所排列的行数大 致相同；由于光纤变换器外加于条纹管前端，和单狭缝条纹管相比，体积显得较为庞大。
多狭缝通过光纤变换器充分利用了条纹管光电阴极的有效区域，而单狭缝仅仅使 用了其中的一行。单从获得的目标数据量来看，也许两种方式所获得的有效数据点数目相 差不多，但是这些数据点在目标上的分布方式却极为不同。多狭缝中，数据点均匀分布于某 一空间角内，因此会获得目标整体的较为粗糙的像；单狭缝中，数据点对应目标上的一行， 能够得到目标局部的较为精细的像。由此可以看出，充分利用条纹管光电阴极区域尽可能 多地获得目标上有效数据点是提闻频率和提闻分辨能力的关键。
无论在光电阴极前加装光纤变换器或者狭缝，都是对目标上信息的限制和过滤， 在去除这两种装置后，有效数据点数量将极大提升。同时，可以预见空间分辨能力提升。然 而，伴随着光纤变换器和狭缝的去除，目标信息的初始位置消失，不可避免地引入了 “时间 空间交叠”。发明内容
本发明的目的是为了解决目前的条纹管在没有光纤变换器和狭缝的情况下易引 入“时间空间交叠”而导致无法成像的问题，本发明提供一种带多个偏转电场的无狭缝成像 条纹管及其成像处理方法。
本发明的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管，它包括现有条纹管和两对偏转电 压板，所述现有条纹管的一对偏转电压板和所述二对偏转电压板均设置在现有条纹管内 部，三对偏转电压板构成六棱柱的六个侧面，每对偏转电压板平行设置，所述每对偏转电压板I中的一个偏转电压板接驱动电压信号，另一个偏转电压板接电源地。
上述条纹管的成像处理方法，它包括如下步骤
步骤一所述条纹管沿三个偏转方向获得相同大小的三幅条纹图像，建立与所述条纹图像相同大小的待恢复的空白图像，所述待恢复的空白图像包括多个待恢复点，所述待恢复点的坐标为(X，y)；
步骤二 遍历每一个待恢复点，并对所述每一个待恢复点做步骤二一至步骤二四处理，完成条纹管的成像处理；
步骤二一以待恢复点的坐标为原点，分别用相同的速度沿所述条纹管的三个偏转方向搜索目标点；
步骤二二分别判断搜索的三个目标点是否在相应偏转方向的条纹图像内，若都在，转入步骤二三，若有一个不在，则结束；
步骤二三确定所述三个目标点在相应偏转方向的条纹图像中与其坐标相同的坐标点，即在每幅条纹图像中获得一个坐标点，共获得三个坐标点，判断所述三个坐标点的强度值A是否都相等，若相等，则转入步骤二四；若不等，则结束；
步骤二四根据所述强度值A和所述目标点到待恢复点的距离值r还原待恢复目标点的强度像和距离像。
本发明的优点在于，通过改变条纹管中电场偏转方向，多次成像的方法能够消除 “时间空间交叠”，本发明在现有的条纹管中增加2对偏转电压板，使本发明为带有3个偏转电场的无狭缝的条纹管，本发明的结构简单易实现，本发明还提供了所述条纹管的成像处理方法，所述方法简单，且成像效果较好。
图1为本发明的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管的3对偏转电压板与光电阴极相对位置结构示意图。
图2为本发明的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管的3对偏转电压板的电气连接示意图。
图3为单狭缝条纹管成像示意图。4为狭缝，5为偏转电压板，6为磷屏。
图4为单狭缝条纹管成像后的CXD图像出现“时间空间交叠”现象的示意图。■ 表示CXD图像中光电子的到达位置，表示可能是C⑶图像中到达位置相对应的光电子的初始位置，箭头表示光电子在所述单狭缝条纹管的偏转方向。
图5为单狭缝条纹管的偏转电压方向围绕条纹管轴心连续转动时，成像后光电子的初始位置与到达位置的示意图。Cl表示CCD图像中光电子的到达位置，■表示可能是 CCD图像中到达位置相对应的光电子的初始位置，箭头表示光电子在所述单狭缝条纹管的偏转方向。
图6为具体实施方式
一所述的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管的三对偏转电压板中的一对偏转电压板工作时，光电子在CCD所获得的图像。.口表不CCD图像中光电子的到达位置，■表示可能是CCD图像中到达位置相对应的光电子的初始位置，箭头表示光电子在所述单狭缝条纹管的偏转方向。
图7为具体实施方 式一所述的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管的一对偏转电压板工作时，光电子在C⑶所获得的图像。.O表示CXD图像中光电子的到达位置，■表示可能是CCD图像中到达位置相对应的光电子的初始位置，箭头表示光电子在所述单狭缝条纹管的偏转方向。
图8为具体实施方式
一所述的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管的一对偏转电压板工作时，光电子在C⑶所获得的图像。.O表示CXD图像中光电子的到达位置，■表示可能是CCD图像中到达位置相对应的光电子的初始位置，箭头表示光电子在所述单狭缝条纹管的偏转方向。
图9为具体实施方式
二所述的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管的成像处理方法中建立的待恢复的空白图像。
图10为具体实施方式
二所述的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管的成像处理方法中沿所述本发明的条纹管的一个偏转方向搜索到目标点的示意图。 待恢复目标点， 〇表示搜索到的强度值为A的目标点，V表示搜索的速度，r为所述目标点到待恢复点的距离值，箭头表示偏转方向。
图11为具体实施方式
二所述的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管的成像处理方法中沿所述本发明的条纹管的一个偏转方向搜索到目标点的示意图。 待恢复目标点， 〇表示搜索到的强度值为A的目标点，V表示搜索的速度，r为所述目标点到待恢复点的距离值，箭头表示偏转方向。
图12为具体实施方式
二所述的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管的成像处理方法中沿所述本发明的条纹管的一个偏转方向搜索到目标点的示意图。 待恢复目标点， 〇表示搜索到的强度值为A的目标点，V表示搜索的速度，r为所述目标点到待恢复点的距离值，箭头表示偏转方向。
具体实施方式
具体实施方式
一结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管，它包括现有条纹管和两对偏转电压板1，所述现有条纹管的一对偏转电压板I和所述二对偏转电压板I均设置在现有条纹管内部，三对偏转电压板I构成六棱柱的六个侧面，每对偏转电压板I平行设置，所述每对偏转电压板I中的一个偏转电压板I接驱动电压信号，另一个偏转电压板I接电源地。
所述六棱柱的轴线与现有条纹管的阴极的有效工作区域2垂直，所述六棱柱与现有条纹管同轴。
以单狭缝条纹管成像为例，说明“时间空间混合”的产生。假设发射激光在空间被整形为面光束，照亮目标。目标上的回波信号经过望远镜系统收集，成像在条纹管光电阴极所在位置，一般情况下，成像区域为一个圆形。当把一个单狭缝的光阑放置在光电阴极上， 那么大部分目标的回波信息被遮挡，仅狭缝所在位置的像所对应的目标位置被保留，相应信息被采集。狭缝所在位置的目标回波信号，通过条纹管内部的随时间变化的电场，由于到达光电阴极时刻的不同，在电场中偏转不同的角度，轰击在条纹管磷屏上面，形成的条纹像最终被CCD相机采集。如图3所示。
提取条纹像中包含的目标距离(时间)信息的过程中，磷屏上电子轰击所形成的每一个亮点都来和初始位置(指光电阴极发射的电子通过偏转场时不发生偏转，直接轰击到磷屏上的位置)比较，结合条纹管扫描速度，计算出亮点所包含的距离信息。所获得的距离和强度信息在后续的图像重构算法中被安放在狭缝所对应的目标位置上。此时，由于已知初始位置，空间和时间信息能够回归到正确的位置上。多狭缝条纹管的提取过程与此相似，只不过是多条狭缝同时处理，重构拼接目标像时强度距离信息摆放位置有些差异。当去掉狭缝，相当于电子出发的初始位置从已知变为未知了，而且光电阴极上的所有被回波信号照亮的点所形成的光电子都参与到上面所述的过程中。这些不同位置的点经过不同角度的偏转，轰击在磷屏上。在对CCD相机获得的图像进行还原处理时，采集到的亮点可能是从偏转方向上任意一点发出的，无法确定光电子在阴极上的出发空间位置和出发时刻，这就是所谓的“时间空间交叠”。关于“时间空间交叠”的示意图如图4所示。
因为条纹管内部的偏转方向发生改变，并对同一目标场景多次探测，在绝大多数情况下，磷屏上所呈现的目标图案是不同的。但是仔细观察就会发现，这些图案间存在着某种关联，这种联系就是初始位置与偏移距离。在图5中，假设磷屏上某一点的初始位置为ο 点，光电子在通过偏转电场后，在磷屏上形成的亮点距离初始位置的偏移距离为r。如果条纹管的偏转电压方向围绕条纹管轴心连续转动，而光电子的发射位置和出发时刻不变。那么，磷屏上的亮点将形成一个以ο点为圆心，r为半径的圆环。环上的每一点都有相同的强度值，如果选择环上的某几个点，就同时选择了相应的几个偏转方向。将这几个点沿偏转方向的反方向延伸，这几条线将交与ο点。由此可以看出，“时间空间交叠”的问题可以通过改变条纹管中电场偏转方向，并多次成像的方法解决。
本实施方式中三对偏转电压板I安装在光电阴极后面，在使用中由激光器或光电二极管发出的外加信号触发，生成强度和方向随时间线性变化的电场。对于同一目标场景， 配合三次激光脉冲照射，三对电压板按顺序轮流独立工作，使光电阴极每次发射的电子沿三个不同的方向偏转，并通过磷屏后的CCD相机生成三幅图片。图6、图7和图8分别对应了三对偏转电压板I工作时，光电子的 偏移和C⑶所获得的图像。图6、图7和图8中■代表光电子初始位置，对应光电阴极上信号光照射位置。箭头表示从CCD位置观察所发现的光电子的偏转方向和最终在磷屏上的偏移距离。.口表示电子最终落在磷屏上,并被CCD采集到的位置。
具体实施方式
二 结合图9至图12说明本实施方式，本实施方式为对具体实施方式
一所述的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管的成像处理方法，它包括如下步骤
步骤一所述条纹管沿三个偏转方向获得相同大小的三幅条纹图像，建立与所述条纹图像相同大小的待恢复的空白图像，所述待恢复的空白图像包括多个待恢复点，所述待恢复点的坐标为(X，y)；
步骤二 遍历每一个待恢复点，并对所述每一个待恢复点做步骤二一至步骤二四处理，完成条纹管的成像处理；
步骤二一以待恢复点的坐标为原点，分别用相同的速度沿所述条纹管的三个偏转方向搜索目标点；
步骤二二分别判断搜索的三个目标点是否在相应偏转方向的条纹图像图像内， 若都在，转入步骤二三，若有一个不在，则结束；
步骤二三确定所述三个目标点在相应偏转方向的条纹图像中与其坐标相同的坐标点，即在每幅条纹图像中获得一个坐标点，共获得三个坐标点，判断所述三个坐标点的强度值A是否都相等，若相等，则转入步骤二四；若不等，则结束；
步骤二四根据所述强度值A和所述目标点到待恢复点的距离值r还原待恢复目 标点的强度像和距离像。
在方法中与所获CCD图像相同大小的空白图像作为待恢复图像，其中的每一点为 待恢复点。遍历每一待恢复点，假定每一待恢复点所对应的初始位置存在一个电子发射点。 三个搜索点从三幅偏转图像的初始位置出发，同时沿各自对应的电子偏移方向搜索图像中 的强度值，期间保持三幅图像中搜索点的移动速率相同，在三个搜索点同时获得相同的强 度值时，完成搜索，确定待恢复点的强度值和距离值。
图9至图12显不了这一搜索过程。图9表不空白的待恢复图像，图10、图11和 图12分别表示电子沿不同方向偏转时，在CCD上所形成的图像，几张图片的坐标和图9是 统一的。假设图9上的某一待恢复点Mk坐标为(X，y)，则在偏转图像图10、图11和图123 的搜索出发点坐标也同样为(X，y)，沿偏转图像中的搜索位置沿各自的电子偏移方向移动 搜索，移动速度为V。当三个搜索位置同时出现相同强度值A时，则算法认为这三个点是从 同一个初始位置出发，沿不同方向偏移所生成的。因此，这三个点的强度值A被作为待恢复 点的强度值记录下来；三个点距离待恢复点(x，y)的距离r作为待恢复点的距离值记录下 来。如果在三个方向的搜索中，没有相同强度的点同时出现，则认为该待恢复点对应的初始 位置没有光电子产生，即没有光信号照射在光电阴极上。当待回复图像的所有点用这种方 法搜索过后，就可以根据所记录的强度和距离信息还原出目标场景的强度像和距离像。
权利要求
1.带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管，其特征在于，它包括现有条纹管和两对偏转电压板(I)，所述现有条纹管的一对偏转电压板(I)和所述二对偏转电压板(I)均设置在现有条纹管内部，三对偏转电压板(I)构成六棱柱的六个侧面，每对偏转电压板(I)平行设置，所述每对偏转电压板(I)中的一个偏转电压板接驱动电压信号，另一个偏转电压板接电源地。
2.根据权利要求1所述的带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管的成像处理方法，其特征在于，它包括如下步骤步骤一所述条纹管沿三个偏转方向获得相同大小的三幅条纹图像，建立与所述条纹图像相同大小的待恢复的空白图像，所述待恢复的空白图像包括多个待恢复点，所述待恢复点的坐标为(X，y)；步骤二 遍历每一个待恢复点，并对所述每一个待恢复点做步骤二一至步骤二四处理， 完成条纹管的成像处理；步骤二一 以待恢复点的坐标为原点，分别用相同的速度沿所述条纹管的三个偏转方向搜索目标点；步骤二二分别判断搜索的三个目标点是否在相应偏转方向的条纹图像内，若都在，转入步骤二三，若有一个不在，则结束；步骤二三确定所述三个目标点在相应偏转方向的条纹图像中与其坐标相同的坐标点，即在每幅条纹图像中获得一个坐标点，共获得三个坐标点，判断所述三个坐标点的强度值A是否都相等，若相等，则转入步骤二四；若不等，则结束；步骤二四根据所述强度值A和所述目标点到待恢复点的距离值r还原待恢复目标点的强度像和距离像。
全文摘要
带多个偏转电场的无狭缝成像条纹管及其成像处理方法，涉及一种条纹管，为了解决目前的条纹管在没有光纤变换器和狭缝的情况下易引入“时间空间交叠”而导致无法成像的问题。在现有条纹管的内部增加两对偏转电压板，三对偏转电压板构成六棱柱的六个侧面，每对偏转电压板平行设置，每对偏转电压板中的一个偏转电压板接驱动电压信号，另一个偏转电压板接电源地。建立与条纹管获得的条纹图像相同大小的待恢复的空白图像，待恢复的空白图像包括多个待恢复点，遍历每一待恢复点，以待恢复点为原点在三幅条纹图像中沿各自偏转方向以相同速度搜索图像中的强度值，在三个搜索点同时获得相同的强度值时，确定待恢复点的强度值和距离值。它用于条纹管成像。
文档编号G01S17/89GK103048652SQ20131002504
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者王骐, 魏靖松, 孙剑锋, 郜键 申请人:哈尔滨工业大学