摘要：文章首先介绍了激光的发展及其在各个领域的应用，其次分析了激光照明系统的工作原理、软件设计以及硬件设计方法，最后在微光和强光的成像条件下，通过有无激光照明所成图像质量的对比表明了在有激光照明情况下所成的图像质量更清晰。

　　关键词：激光照明；硬件设计；软件设计

　　中图分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）18-4331-03

　　近年来激光技术的不断发展及广泛应用，推动了其它行业产品的发展。例如：卫星激光通信、大气检测、医学成像、材料加工、跟踪侦查、微光夜视和图像处理等。该文主要介绍激光照明技术在成像中的应用。

　　热成像系统在遇到强光、微光或者无光的情况下，系统成像不清晰，只能看到物体的轮廓，甚至看不到图像，而且很容易受到温度等外界环境的影响。而激光可以穿透树叶、大雾、暴风、雷电、玻璃等介质，所以它能应用于全天候的成像，并且效果比传统的成像效果好。激光照明成像应用范围很广，比如安防、侦查、监控、航天航空、制导引信等领域。因此，研究激光照明技术具有重要的意义和实用价值。

　　1 系统的工作原理

　　半导体激光发光是基于电光效应，通过电子空穴对复合而产生激光的。在加电压时，电子空穴对的反转使得粒子数反转分布，从而激光高能级的部分粒子自发跃迁到低能级，产生光子，产生的光子一部分发射出去，而另一部分被反射回激光介质，诱发新的光子，产生新的辐射，进行循环正反馈的过程，当光腔内的光子达到稳定状态时，产生稳定的激光输出。

　　[n≡光子数光子态数=W21A21] （1）

　　其中光子简并度[n] >1，定义为一个光子态中平均光子数；[W21]受激跃迁概率，[A21]为自发跃迁概率。必须使得[n]>1，才能产生粒子数反转、光子数增多，进而使系统发出稳定的光，给系统进行照明。

　　系统是通过滤光把不需要波段的光滤掉，避免对成像造成干扰，从而使激光单位面积内的光能量要大于相应太阳光光谱段的能量才能清晰成像。

　　2 激光照明系统的软硬件设计

　　激光照明系统要保证在微光夜视或天气恶劣的情况下能清晰成像，就必须保证照明系统的质量。因此，系统可以根据被测目标物体的大小、远近进行光斑大小、焦距及其光强度的调制。激光脉冲越窄，能量越集中，照射的距离越远，激光光斑的均匀性对系统性能的影响也很大。因此，系统整体设计时，应考虑到焦距的调整、脉冲宽度的调整、激光强度的调整。系统主要分为以下几个部分：I.供电电源部分，主要包括AC-DC和DC-DC的变换模块。II.激光信号调制部分，包括FPGA，DDS输出信号的V＼A转换，驱动芯片和激光器。 III.温度控制部分，激光器发光工作过程中可能会产生过高热量，因此，要对整个系统的温度进行控制。系统硬件设计框架图如图1。

　　系统的工作原理：

　　在供电电路正常稳定工作的情况下，系统通过串口输入调制激光的光强、激光光斑的大小，激光的焦距等，并根据串口写入的数据要求，FPGA输出所需的DDS调制信号，调制信号输出后，经过V＼A转换，放大之后，驱动激光器发光。由于光纤具有方向性灵活的特点，使激光器发出激光耦合到光纤中传输，通过物镜输出给目标物体照明。激光发光过程中发热，使得整个照明系统发热而不能正常工作，因此，需要通过散热片和风扇共同工作进行散热。

　　2.1 各模块功能描述及其设计

　　2.1.1 电源模块

　　电源是整个系统的心脏，它的性能好坏决定着整个系统的好坏，系统要求供电系统纹波小，能够使系统长时间工作而不发生故障。在本文中，照明系统的供电是通过电源进行电压变换、滤波之后输入给系统供电。整个系统中，有些模块是需要12V供电的，有些模块是需要5DC供电的。因此，需要12DC的模块供电是通过AC-DC变换转换为12DC而成，而需要5DC的模块供电是通过DC-DC变换转换为5DC而成。系统采用电网单相供电，经过变压器把电压降低，再经过桥式整流电路后，由LM7812的输出端输出12DC。 LM2596降压电源管理单片集成电路将12DC转换输出为5DC的直流电压，且此芯片具有很好的线性和负载调节特性，可以固定输出3.3DC、5DC、12DC的电压。

　　2.1.2 信号产生模块

　　系统的核心部分是激光器的驱动控制部分。最常见的用法是将DDS和计算机技术结合在一起，这是一种很有前景的频率合成技术。和传统的频率合成技术相比，它具有电路简单、设备体积小、成本低的优点。 DDS 技术的应用范围很广，例如接收机本振、信号发生器、通信系统、雷达系统等。数字频率合成器作为一种信号产生装置，它可以根据用户的要求产生相应的波形，具有重复性好、实时性强等优点。因此，可以利用它的信号发生功能，产生驱动激光器的信号源，对信号源进行放大、滤波等处理，继而驱动激光器发光。

　　DDS调制方法是通过控制DDS信号产生的芯片和存储器的共同协作产生我们所需要的信号波形。该文的目的是设计开发出一个能产生正弦波波形的信号源，直接数字频率合成技术是研制该系统的关键技术。但是由于集成电路的飞速发展，为了进一步缩小体积和节约成本，我们可以通过使用FPGA的资源产生与DDS同样的信号，用驱动放大芯片放大对FPGA输出的信号后驱动激光器发出激光。

　　FPGA不仅要产生DDS波形信号，也要产生温控芯片和激光参数的控制信号，从而使系统在FPGA的控制下正常运行。该文采用cyclone II系列的FPGA芯片，FPGA通过串口与电脑相连来传输数据，调节激光器的光强、光斑大小、功率、脉宽，信号输出后通过驱动芯片和模拟电路驱动激光器发光。这样虽不如直接用按键的方式调节方便，但是节约了系统的成本和体积。

　　2.1.3 温度控制模块

　　由于激光发热，需要将系统温度控制在一定的范围之内，此系统选用LM56作为系统的温控模块。系统通过控制LM56输出端，使输出端的信号控制电源的继电器线圈的通断，从而控制继电器常开触点的通断，以此来控制风扇的运行，使系统工作在所要求的温度范围内。 　　2.1.4 激光器

　　系统选用中心波长为808nm半导体激光器，通过系统的设计，设计输出激光器的参数如下：工作中心波长808.0nm，脉冲峰值功率为10w，脉冲宽度为10ns，重复频率为10KHz。

　　2.2 系统的软件设计

　　系统通过verilog HDL硬件描述语言进行软件设计。系统软件模块主要分为DDS信号产生模块和温度控制模块。从理论上说，只要满足奈奎斯特定律，系统便可以产生我们需要的任意波形。系统LM56里面的温度传感器检测到温度超过我们所设定的值之后，便启动风扇对系统散热处理，如果工作在正常温度范围内，就不做处理。

　　其软件设计流程图如图2。

　　3 测试结果

　　实验环境：第一组是在漆黑的夜晚，激光强度约为0.5J/m2，中心波长为808nm，成像系统与目标距离为100m；第二组是在强日照的中午，激光强度约为0.5J/m2，中心波长为808nm的激光器，成像系统与目标距离为100m。

　　在能见度低的夜晚环境条件下，为有激光照明成像图如图3，没有激光照明时成像图如图4；强日照的中午环境条件下，有激光照明成像图如图5，没有激光照明成像图如图6。

　　4 结论

　　实验结果表明，有激光照明情况下，拍摄的图像更清晰。由于激光光斑太小、均匀性不好以及大气后向散射对系统的影响，成像效果不理想。因此，我们还需改进系统，进一步提高成像质量。采用距离选通的办法可以有效避免大气散射对系统的影响，提高系统的性噪比，进而提高成像质量。

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