一种扫描相机系统

1.本实用新型实施例涉及水下成像领域，尤其涉及一种扫描相机系统。


背景技术：

2.目前水下成像探测技术主要有有声探测和光电探测两种途径。有声探测技术探测距离较远，但成像的空间分辨率较差，难以完全适应高分辨率成像的需要；光电成像探测技术分辨率高，但由于光线在水中快速衰减，往往需要辅助照明，且由于后向反射光的影响，使得人眼直接观察及传统连续照明电视成像的有效作用距离较短。
3.因此，需要提高水下光电成像系统的作用距离、视场和细节分辨能力，实现大视场、快速、高灵敏度的水下数据获取。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供一种扫描相机系统，能够实现大视场的水下目标探测成像。
5.本实用新型实施例提供以下技术方案：
6.第一方面，本实用新型实施例提供一种扫描相机系统，该扫描相机系统，包括：
7.双子型扫描变像管，用于将目标信号经斜坡电压扫描成像到荧光屏，双子型扫描变像管将目标信号耦合成像，以此进行第一角度的视场探测；
8.激光发射系统，用于照射被探测目标以便反射回波信号；
9.接收光学系统，用于将回波信号成像到双子型扫描变像管的光电阴极上；
10.扫描系统，用于产生斜坡电压以便使光电子偏转成像；
11.扫描触发延时系统，用于触发扫描系统开始扫描，以产生同步扫描电信号。
12.在一些实施例中，扫描相机还包括：
13.数据读出模块，连接双子型扫描变像管，用于将双子型扫描变像管获得的二维条纹图像转换为数字图像读出。
14.在一些实施例中，荧光屏和数据读出模块采用光纤耦合或光锥耦合的方式耦合在一起。
15.在一些实施例中，光电阴极和接收光学系统采用光纤耦合或光锥耦合的方式耦合在一起。
16.在一些实施例中，激光发射系统，包括：
17.激光发射器，连接激光分束器，用于发射激光；
18.扇形扩束匀光器，连接激光分束器，用于发射扇形激光光束以照射被探测目标；
19.激光分束器，连接激光发射器、扇形扩束匀光器和扫描触发延时系统，用于将激光进行分束。
20.在一些实施例中，扫描触发延时系统，包括：
21.光电二极管，连接激光发射系统，用于接收激光发射系统发送的同步光信号，并生
成同步电信号；
22.延时电路，连接光电二极管，用于接收同步电信号，并在第一延时时间后发送延时信号；
23.脉冲发生器，连接延时电路，用于接收延时信号，以产生脉冲信号触发所述扫描系统开始扫描。
24.在一些实施例中，扫描相机系统还包括：
25.终端，连接扫描触发延时系统，用于调整扫描相机系统进行延时扫描的第一延时时间。
26.在一些实施例中，扫描相机系统还包括：
27.图像采集卡，连接终端和数据读出模块，用于采集数据读出模块获得的数字图像并传输给终端。
28.本实用新型实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例公开了一种扫描相机系统，该扫描相机系统，包括：双子型扫描变像管，用于将目标信号经斜坡电压扫描成像到荧光屏，双子型扫描变像管将目标信号耦合成像，以此进行第一角度的视场探测；激光发射系统，用于照射被探测目标以便反射回波信号；接收光学系统，用于将回波信号成像到双子型扫描变像管的光电阴极上；扫描系统，用于产生斜坡电压以便使光电子偏转成像；扫描触发延时系统，用于触发扫描系统开始扫描，以产生同步扫描电信号。该扫描相机系统使用双子型扫描变像管，以此将视场扩大到传统相机的两倍，实现大视场水下目标成像探测，以改进现有水下探测成像视场角不足的问题。
附图说明
29.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
30.图1是本实用新型实施例提供的一种扫描相机系统的结构示意图；
31.图2是本实用新型实施例提供的一种扫描相机系统的详细结构示意图；
32.图3是本实用新型实施例提供的一种扫描相机系统的工作流程示意图。
33.具体实施方式中的附图标号如下：
34.激光发射系统110，激光发射器111，激光分束器112，扇形扩束匀光器113；扫描触发延时系统121，光电二极管1211，延时电路1212，脉冲发生器1213；扫描系统122；接收光学系统131；双子型扫描变像管132，狭缝1321，光电阴极1322，偏转板1323，微通道板1324，荧光屏1325；数据读出模块140；
35.终端210，图像采集卡220；
36.扫描相机系统300。
具体实施方式
37.为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可
以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。
38.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。
39.请参阅图1，图1是本实用新型实施例提供的一种扫描相机系统的结构示意图；
40.如图1所示，该扫描相机系统300包括激光发射系统110，扫描触发延时系统121，扫描系统122，双子型扫描变像管132，接收光学系统131。
41.激光发射系统110，连接扫描触发延时系统121，用于发射扇形激光光束以照射被探测目标以便反射回波信号，并在发射扇形激光光束时向扫描触发延时系统121发送同步光信号。
42.扫描触发延时系统121，连接激光发射系统110和扫描系统122，用于接收激光发射系统110发送的同步光信号，并在接收到该同步光信号的第一延时时间后，向扫描系统122发送脉冲信号，该脉冲信号触发该扫描系统开始扫描，以产生同步扫描电信号，其中，第一延时时间的时间量级包括纳秒，例如第一延时时间为5纳秒，进一步地，扫描触发延时系统121高重频触发可以采用5v/50ω正脉冲触发信号，并具备对输入触发信号的整形和限幅功能。
43.扫描系统122，连接扫描触发延时系统121和双子型扫描变像管132，用于接收扫描触发延时系统121发送的脉冲信号(同步扫描电信号)，并输出正负对称的斜坡高压脉冲，该斜坡高压脉冲使双子型扫描变像管132中的光电子偏转成像到荧光屏上，其中，斜坡高压脉冲幅度可以约为
±
3kv，最快上升时间可以为4ns，该斜坡高压脉冲作用于偏转板1323，使偏转板1323开始工作，扫描系统122可以为纳秒脉冲发生电路或纳秒级高压脉冲开关驱动电路。
44.接收光学系统131，连接双子型扫描变像管132，用于接收窄条状的扇形激光光束被水体和水下目标反射的激光回波脉冲，并将该激光回波脉冲成像在双子型扫描变像管132的光电阴极上的双狭缝上。
45.双子型扫描变像管132，双子型即两个变像管呈双子型架构共同工作以扩大视场，连接扫描系统122和接收光学系统131，用于将目标信号经斜坡电压扫描成像到荧光屏，双子型扫描变像管通过将所述目标信号耦合成像，以此进行第一角度的视场探测，其中，第一角度可以达到约60度，进一步地，本实用新型实施例的双子型扫描变像管132的变像管采用小体积、双子型的架构，可以扩大视场以及减小变像管高速相机水下探测系统的体积和重量。
46.其中，在本实用新型实施例中，该双子型扫描变像管132的结构参数可以为：
47.(1)、阴极为曲面，曲率半径为39mm；
48.(2)、栅极grid电压可用于调节有效工作面；
49.(3)、f1,f2电极计算厚度1mm；其余电极由于靠近管壁，计算厚度虽为1mm，实际可取任意值；
50.(4)、聚焦区渡越时间2.5ns左右，渡越时间弥散为80ps左右；聚焦区总长48mm，整管长130mm；
51.(5)、放大倍率m＝0.99～1(对应像面127mm)；
52.(6)、阳极光阑计算半径2.5mm，最小可取2mm；光阑出口有栅网；
53.(7)、荧光屏曲率半径为68mm，亦可直接采用平面荧光屏。
54.在本实用新型实施例中，还包括高稳定模块化高压电源，分别为扫描变像管、扫描电路供电。
55.在本实用新型实施例中，扫描相机系统还包括相机远程控制子系统和相机监控子系统，两个子系统通过rs232串行通讯接口或rs232/光纤转换模块相连。其中相机远程控制子系统由远程控制计算机和嵌入式计算机pc104两部分组成，用rj45网络通讯接口或rs232/光纤转换模块将二者连接起来；相机监控子系统由dsp tms320f2812芯片和相机控制模块、相机环境监测模块三部分组成，dsp芯片相应端口与监测和控制模块直接连接。
56.本实用新型实施例中，通过精准的延时扫描，使由被扫描目标反射回来的激光脉冲回波刚好在双子型扫描变像管132选通工作的时间内到达并成像，根据上述方式排除了大部分后向反射光，以大大减轻后向反射光对水下成像过程的影响，提高成像质量和探测距离，进一步地，通过双子型的扫描变像管，扫描相机的视场能达到60度，具有比只有30度视场探测角度的单管相机更远的水下成像探测距离、更高的距离测量精度、更大的方位视场角，提供更理想的水下三维图像信息。
57.在本实用新型实施例中，激光发射系统发射激光照射被探测目标，被探测目标反射回波信号；发射激光时扫描触发延时系统会接收同步光信号，使被探测目标反射的回波信号到达扫描相机时，正好产生同步扫描电信号，触发扫描系统开始扫描，以使扫描系统产生斜坡电压，该斜坡电压使双子型扫描变像管中的光电子在荧光屏上偏转成像；接收光学系统用于将被探测目标反射的回波信号成像到所述双子型扫描变像管的光电阴极上；双子型扫描变像管用于将目标信号经斜坡电压扫描成像到荧光屏，双子型扫描变像管通过适当角度将目标信号耦合成像，以此进行最大可达约60度的视场探测。
58.请参阅图2，图2是本实用新型实施例提供的一种扫描相机系统的详细结构示意图；
59.如图2所示，该扫描相机系统300包括激光发射系统110、扫描触发延时系统121、扫描系统122、接收光学系统131、双子型扫描变像管132、数据读出模块140，终端210和数据采集卡220。
60.激光发射系统110包括激光发射器111、激光分束器112、扇形扩束匀光器113。
61.激光发射器111，连接激光分束器112，用于发射激光，其中，激光发射器优选为纳米级激光发射器，用于发射纳米级激光，例如，发射波长为1064nm和532nm的激光，在本实用新型实施例中，优选532nm高功率激光发射器，用于发射波长为532nm的激光。
62.激光分束器112，连接激光发射器111、扇形扩束匀光器113和光电二极管1211，用于将激光发射器111发射的激光进行分束，使一小部分激光光束发射到光电二极管1211以产生同步电信号，其中，激光分束器112包括折射激光分束器及衍射激光分束器。
63.扇形扩束匀光器113，连接激光分束器112，由于视场扩大，变像管成像系统对扇形光束均匀性要求较高,因此需要对扇形光束进行校正。扇形扩束匀光器113用于对扇形光束进行校正，其中，扇形扩束匀光器113包括光束整形组件菱形校正反射镜和柱面透镜，其中菱形反射镜用来增大扇形激光光束边缘能量。
64.在本实用新型的一个实施例中，激光发射系统的工作原理为:激光发射器111发射
532nm的激光至激光分束器112，激光分束器将其分成两束光束，使一小部分激光光束发射到光电二极管1211以产生同步电信号，其余激光光束发射到扇形扩束匀光器。
65.扫描触发延时系统121包括光电二极管1211、延时电路1212、脉冲发生器1213。
66.光电二极管1211，连接激光分束器112和延时电路1212，用于接收激光分束器112分束后发射的激光光束(同步光信号)，并同步产生电信号，以发送到延时电路，光电二极管1211包括pn型、pin型、发射键型、雪崩型，pin性光电二极管响应时间短，因此在本实用新型实施例中，优选为pin型光电二极管。
67.延时电路1212，连接光电二极管1211和脉冲发生器1213以及终端210，用于接收光电二极管1211发送的同步电信号，并在第一延时时间后，向脉冲发生器1213发送电信号，其中第一延时时间可在终端210上设置，并且第一预设时间的时间量级包括纳秒，可以通过调整电缆长度来调整延时电路1212的第一延时时间，在本实用新型实施例中，延时电路1212可以为fpga可编程纳秒延时电路或一种ingan/gan led纳秒脉冲驱动电路。
68.脉冲发生器1213，连接延时电路1212、扫描系统122、微通道板1324、数据读出模块140和图像采集卡220，用于接收延时电路1212发送的电信号以产生脉冲信号，并向扫描系统122、微通道板1324、数据读出模块140和图像采集卡220发送该脉冲信号，在本实用新型实施例中脉冲发生器1213包括扫描脉冲发生器、增益脉冲发生器和ccd同步控制脉冲发生器，该脉冲信号可以为5v/50ω正脉冲触发信号，脉冲发生器包括通用型和专用型两种。
69.扫描系统122，连接脉冲发生器1213和偏转板1323，用于接收脉冲发生器1213发送的脉冲信号触发扫描，并输出正负对称的斜坡高压脉冲，其中，斜坡高压脉冲幅度可以约为
±
3kv，最快上升时间可以为4ns，该斜坡高压脉冲作用于偏转板1323，使偏转板1323开始工作，以使光电子偏转成像，扫描系统122可以为纳秒脉冲发生电路或纳秒级高压脉冲开关驱动电路。
70.在本实用新型实施例中，扫描触发延时系统121包括由精密同步延时器、扫描脉冲发生器、增益脉冲发生器和ccd同步控制脉冲发生器等组成，扫描触发延时系统121接收激光发射系统输出的同步信号，并为双子型扫描变像管提供精确扫描延时时间，保证激光回波脉冲与变像管扫描控制电路、增益控制电路及数字ccd控制电路之间的同步。
71.在本实用新型的一个实施例中，扫描触发延时系统121和扫描系统122的工作原理为：光电二极管1211接收激光分束器112分束后的激光，产生同步电信号，延时电路1212接收光电二极管1211发送的同步电信号，并在第一延时时间后，向脉冲发生器1213发送电信号，脉冲发生器1213接收该电信号后向扫描系统122、微通道板1324、数据读出模块140和图像采集卡220发送脉冲信号，微通道板1324、数据读出模块140和图像采集卡220接收该脉冲信号后在脉冲信号持续时间内会开始工作，扫描系统122在接收该脉冲信号会输出正负对称的斜坡高压脉冲以使偏转板1323开始工作以使光电子偏转成像。
72.接收光学系统131，连接双子型扫描变像管132，由接收物镜和窄带滤光片组成，用于接收窄条状的扇形激光光束被水体和水下目标反射的激光回波脉冲，并将该激光回波脉冲成像在双子型扫描变像管132的双狭缝上。
73.双子型扫描变像管132包括狭缝1321、光电阴极1322、偏转板1323、微通道板1324、荧光屏1325。
74.双子型扫描变像管132，连接接收光学系统131和数据读出模块140，用于将目标信
号经斜坡电压扫描成像到荧光屏上(获得二维条纹图像)，以供数据读出模块140将该二维条纹图像转化为数字图像读出，通过双子型扫描变像管132测量超短脉冲激光回波信号的时间信息，根据不同时刻到达的回波信号在双子型扫描变像管132的荧光屏上的图像位置不同，测量出目标的距离信息。同时，根据目标表面的反射率不同，得到目标的强度信息。从而在双子型扫描变像管132的荧光屏上就得到了一幅激光入射面内的目标距离和强度信息。进一步地，本实用新型实施例中，双子型扫描变像管132包括第一变像管和第二变像管，每一变像管都可以进行30
°
的视场探测，从而使扫描相机可以进行最大60
°
的视场探测。采用小体积双子型的架构，可以扩大视场、提高变像管光学耦合效率以及减小扫描相机300的体积和重量。光电阴极1322与接收光学系统131，荧光屏1325与数据读出模块(ccd相机)140采取光纤(或光锥)耦合方式，变像管的光电阴极的光锥上的精密条纹狭缝采取光刻方式制作，提高了变像管的灵敏度和探测精度。
75.双子型扫描变像管132的工作原理为：接收光学系统131接收第一角度(最大可达60度)的激光回波脉冲并将其成像在双子型扫描变像管的双狭缝上，狭缝1321通过光锥耦合至光电阴极1322，双子型扫描变像管132的光电阴极1322将狭缝1321的一维图像转换为电子脉冲，电子脉冲进入偏转板1323，通过在偏转板1323上施加斜坡高压脉冲，使得电子脉冲能在荧光屏1325上扫描成像，形成二维条纹图像，并根据不同时刻到达的回波信号在扫描相机的荧光屏1325上成像的位置不同，测量出被扫描目标的距离信息。同时，根据目标表面的反射率不同，得到被扫描目标的强度信息。从而在扫描相机的荧光屏上得到一幅包含激光入射面内的目标距离和强度信息的图像，进一步地，双子型扫描变像管132还包括微通道板1324，微通道板1324用于得到高能量的电子脉冲以在荧光屏1325上得到更清晰的二维条纹图像。
76.数据读出模块140，连接双子型扫描变像管132、扫描触发延时系统121以及图像采集卡220，接收扫描触发延时系统121发送的脉冲信号，以读出双子型扫描变像管132获得的被扫描目标的二维条纹图像，并转化为数字图像，该数字图像可以被图像采集卡220获取，进一步地，数据读出模块140可以为高帧数电荷耦合(charge coupled device，ccd)相机。
77.在本实用新型实施例中，数据读出模块140和双子型扫描变像管132还包括耦合光学即光学镜头，双子型扫描变像管将窄条状激光回波按时间顺序扫描成像在荧光屏上；通过耦合光学与高帧频数字ccd将荧光屏上的二维条纹图像信息转换为数字图像，即水体和水下目标的二维图像信息。
78.图像采集卡220，连接扫描触发延时系统121、数据读出模块140和终端210，用于在接收到扫描触发延时系统121发送的脉冲信号后，读取并保存数据读出模块140获得的数字图像，并发送至终端210供终端210显示。
79.终端210，连接图像采集卡220、延时电路1212和激光发射器111，用于接收图像采集卡220发送的数字图像并显示，接收该数字图像后会进行数字图像处理和三维图像重建，数字图像处理可以实现对该数字图像的快速校正、并滤除水面杂波，三维图像重建可以还原被扫描的三维场景，通过外部机构推扫或系统平台推扫，形成多幅二维图像集，经过图像重构和处理后获得水下目标的位置和深度三维信息。终端210还可以向延时电路1212发送信号来调整延时电路1212的第一延时时间(例如调整经过延时电路1212的信号要经过的电缆长度)，例如将第一延时时间从5纳秒调整为6纳秒，还可以向激光发射器111发送信号以
控制其发射激光，进一步地，终端包括移动终端和固定终端，移动终端包括手机、平板电脑、笔记本等，固定终端包括服务器、计算机等。
80.本实用新型实施例提供的扫描系统通过双子型高重复频率的变像管、532nm高功率高重复频率的扇形激光发射系统实现激光扫描以及水下成像，可实现大视场、快速、高灵敏度数据获取。
81.本实用新型实施例采用双子型小体积扫描变像管，实现便携式结构，通过优化设计变像管电子光学，可以使变像管体积比常用变像管体积缩减1/2以上，例如变像管管长可以仅为130nm。在总体积基本不变的条件下，由于每只像管分别实现30度成像探测，因此双子型扫描变像管可将视场范围扩大至原视场的两倍左右，实现约60度视场探测，从而提高了识别率，降低了虚警率，以适应复杂场景的应用。
82.为提高探测灵敏度和探测精度，一方面，扫描变像管的光电阴极与接收光学系统、扫描变像管的荧光屏与ccd相机可以采取光纤耦合方式。扫描变像管的光电阴极的光锥上的精密条纹狭缝可以采取光刻方式制作。实现结构的紧凑性和信号能量的高效传输和利用。另一方面，扫描电路系统可以采用高速高压开关元件，以输出正负对称的斜坡高压脉冲，其参考参数为，幅度约
±
3kv，最快上升时间约4ns，相机时间分辨约≤5ps，系统帧频可达1mhz。以此实现高的搜索速度，在大部分后向反射光还未到达探测器接收面时完成信号采集，从而避免了后向反射光的影响，提高探测精度。
83.请再参阅图3，图3是本实用新型实施例提供的一种扫描相机的工作流程示意图。
84.如图3所示，该扫描相机通过激光器发射532nm的激光，通过柱透镜和扇形扫描器对激光进行校正后形成能量较为均匀的532nm激光束，开始对目标平面进行扫描，532nm激光束扫描到目标后由双子型相机接收目标反射的回波信号并成像。工作过程中，每个激光脉冲在整个扇形光束产生一个图像，使用相对较高的脉冲重复频率和扫描重复频率，一方面可以实现较高的搜索速度，一方面避免了后向散射的影响，提高了探测精度。可以看出，因为采用了双子型扫描变相管，该扫描相机的视场范围比只有一个变像管的普通相机扩大了一倍，视场范围达到60
°
，能进行大视场的扫描。
85.需要说明的是，本实用新型的说明书及其附图中给出了本实用新型的较佳的实施例，但是，本实用新型可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本实用新型内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本实用新型说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。