一种基于CCD的白天激光光束的监视方法-上海天文台.PDF

　　中　国　科　学　院　上　海　天　文　台　年　刊 ２００４年　第２５期　　 ＡＮＮＡＬＳＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＯＢＳＥＲＶＡＴＯＲＹ ＡＣＡＤＥＭＩＡ ＳＩＮＩＣＡ　　Ｎｏ．２５，　２００４ 一种基于ＣＣＤ的白天激光光束的监视方法 １，２ １ １ １ 王　斌 　张忠萍 　杨福民　陈菊平 （１．中国科学院上海天文台，上海２０００３０；　２．中国科学院研究生院，北京 １０００３９） 提　　　要 介绍了采用曝光时间小于１０的高速ＣＣＤ以及相应的图像卡成功实现白天强背景光下实时显 示激光束的方法，该方法可以有效提高卫星激光测距的白天测距能力。 主题词：卫星激光测距 — ＣＣＤ— 视频查找表（ＬＵＴ） 分类号：Ｐ２２８．５ １　引　　言 在发射光路和接收光路分离的卫星激光测距仪中，发射激光光束与接受光轴保持平行很 困难。在晚上观测，我们可以通过微光电视监视激光束，在白天观测，背景太亮，激光束不可 见，即使晚上调整好光路，也可能因温度变化等原因造成库德光路和激光束的偏移，这是白天 测距困难的原因之一。 激光在经过大气层的过程中，由于大气分子和气溶胶等粒子的存在会发生散射现象，产生 一部分与激光传播方向相反的散射光，我们将这种现象称为激光后向散射，正是由于存在后向 散射，激光光束才可能在ＣＣＤ上成像。后向散射的激光非常弱，对于曝光时间在毫秒量级的 普通ＣＣＤ，由于背景光特别强，背景光容易使ＣＣＤ饱和，无法辨别出激光束图像。必须采用特 殊性能的ＣＣＤ，采用特殊的处理方法，才能将激光光束的后向散射光在强背景下分离出来，成 像在ＣＣＤ上，以便监视和控制激光光束方向。 本实验采用了具有外触发功能的曝光时间在微秒量级的ＣＣＤ，它对波长为５００纳米左右 的光谱响应强度最大。为了避免背景光使 ＣＣＤ饱和，利用激光点火信号同步外触发信号，通 过电路控制ＣＣＤ使其在激光的后向散射光到达ＣＣＤ之前打开快门，曝光时间很短，大大增加 了信噪比。另外，我们采用了修改视频查找表方法进一步抑制背景光，提高成像亮度。 ２　实 验 方 法 本实验中，我们采用进口的具有微秒量级曝光时间的ＣＣＤ，通过程序编程由ＲＳ－２３２Ｃ串 收稿日期：２００４０４１６；　修回日期：２００４０５０９ 国家自然科学基金项目资助课题。 ６４ 中 国科 学 院上 海 天 文 台年 刊　　　　　　　　　　　　　２００４年 行口设置ＣＣＤ的工作模式、曝光时间等。该ＣＣＤ主要特性见表１： 表１　ＣＣＤ主要性能参数 Ｔａｂｌｅ１　ＴｈｅｍａｉｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＣＣＤ 光敏感面大小／ｃｍ １．２７ 像元大小（／ｍ）及形状 ８．３７，　正方像素 μ ７８２（水平）×５８２（垂直） 分辨率 ７６７（水平）×５８０（垂直）读出 最短曝光时间／ｓ １／９１７０００ 单通道全帧读出时间／ｓ １／３０ 双通道全帧读出时间／ｓ １／６０ 该ＣＣＤ有标准模式和随机触发模式两种模式。标准模式没有外触发，ＣＣＤ连续采集图 像。随机触发模式又分为负脉冲前沿触发模式和脉冲宽度控制触发模式两种。负脉冲前沿触 发模式是外部电路输出一个负脉冲打开ＣＣＤ快门开始曝光，曝光时间长短由软件来控制；脉 冲宽度控制触发模式的开门方式与负脉冲前沿触发模式相同，脉冲的后沿来临之时结束曝光， 也就是说由脉冲宽度来控制曝光时间。本实验采用了负脉冲前沿触发模式。外触发信号由激 光点火信号经延时器延时后的输出信号来同步，其脉宽为０．２ｓ～１ｍｓ，该信号触发内部