CN101201403A - 三维偏振成像激光雷达遥感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维偏振成像激光雷达遥感器，包括光路系统、偏振光产生和散射光接收装置、三维数据的产生与三维数据处理方法，其特征在于，所述的光路系统是由测距仪和偏振光产生、发射与探测装置组成的同一光学系统，所述偏振光产生、发射与探测装置包括激光器、光束分离器、倍频晶体、多种透镜、码盘、扫描电机、扫描镜、望远镜、偏振片、波片、测距回波接收装置、分色片、CCD、计算机，所述目标三维面形数据的产生装置和方法包括测距装置及其数据产生、定位数据产生、遥感器姿态数据产生方法，所述偏振图像数据与三维面形数据处理方法包括激光测距数据与定位数据和姿态数据的处理方法。本发明能够实时获取被探测目标偏振信息的三维图像。

Description

三维偏振成像激光雷达遥感器

【技术领域】

本发明是一种三维偏振成像激光雷达遥感器，它主要利用激光偏振成像测量技术、激光测距技术、GPS定位测量技术、姿态测量技术以及数据集成与处理技术相结合为有机整体，实现三维偏振成像激光雷达遥感器。

【背景技术】

目前已经有多种激光雷达遥感技术，如应用于大气遥感、水文遥感、地表特征研究、痕量气体探测等领域的基于激光脉冲的飞行时间编码、激光回波强度编码以及激光回波波形编码的单一波长的激光雷达遥感技术，最近几年国际上又开展了偏振成像激光雷达遥感技术的研究，以扩展传统的激光雷达遥感技术在植被分类遥感、农作物产量评估遥感以及军事遥感的某些应用方面的功能，特别是最近几年国际上最新研制的偏振成像激光雷达遥感器倍受重视，技术最先进的要数美国的双波长偏振成像遥感器，但该遥感器系统采用折射和透射光学系统设计方法，不仅存在系统复杂、体积大、重量重、工艺复杂难以制造等缺点，而且需两个激光器、折射投射光学系统的光能损耗大、难以航空航天远距离遥感。因此，设计系统简单、体积小、重量轻、光能损耗小、能够实现三维偏振光信息成像的遥感器是新型偏振成像遥感器发展的关键。

【发明内容】

本发明是一种新型三维偏振成像激光雷达遥感器。它巧妙地将偏振分光、倍频、光机扫描和反射光学系统结合为一体，充分利用激光测距技术、GPS定位技术、遥感器姿态测量技术以及偏振光信息测量技术，并将这几种技术以及这些技术所获取的数据进行有机集成和处理，能够实现基于航空或航天平台的三维偏振成像激光雷达遥感器。

本发明提供的一种三维偏振成像激光雷达遥感器采用以下技术方案：

该三维偏振成像激光雷达遥感器，包括三维偏振信息成像的激光雷达光机结构装置、偏振光产生装置、偏振光和测距脉冲发射装置、目标散射的偏振光和测距脉冲接收和数据记录装置、目标三维面形数据的产生装置和方法、目标散射的偏振图像数据与三维面形数据集成与处理方法。其特征在于，所述三维偏振信息成像的激光雷达光机结构装置是由激光测距仪和偏振信息产生、发射与探测装置组成一体的同一套光机系统，所述偏振光产生与发射装置包括激光器、偏振光束分离器、倍频晶体、光学部分反射镜、滤光片、转动波片、转折棱镜、准直透镜、扩束透镜系统、扫描反射镜及其光机结构、光学码盘和驱动电机，所述目标散射的偏振光接收和数据记录装置包括扫描反射镜、卡塞格仑望远镜、偏振片、转动波片、光电探测器、分色片、电荷耦合器件(CCD)、计算机，所述目标三维面形数据的产生装置和方法包括激光测距仪装置及其数据产生、GPS装置及其定位数据产生、遥感器姿态测量装置及其数据产生，所述目标散射的偏振图像数据与三维面形数据集成与处理方法包括激光测距数据与GPS定位数据和姿态数据的集成及其目标面形的解算方法、三维面形数据与偏振成像数据的融合处理方法。本发明能够准实时获取被探测目标散射的偏振信息的三维图像。

其中，所述三维偏振信息成像的激光雷达光机结构装置是由激光测距仪、偏振信息产生、发射与探测装置组成一体的同一套光机系统。所述的激光测距仪装置包括激光器、冷却系统、激光控制器、激光发射脉冲分配器、同步信号发生器、偏振光束分离器、倍频晶体、分光片、采样接收器、转折棱镜、扫描反射镜及其光机结构、驱动电机、光学码盘、卡塞格伦望远镜、分色片、测距回波接收装置，激光器与冷却系统为自身配套整体，激光控制器、激光脉冲分配器和同步信号发生器连接成一体，具体参量结合遥感距离、遥感器行进速度和激光器性能设定；所述的偏振光束分离器是由两块直角棱镜组成的、中心波长在激光器发射光波长的立方体，它可以将激光器发出的光分成两个互相垂直方向传播的两种偏振光；倍频晶体是中心波长在激光器输出波长的倍频晶体，它能够将经偏振光束分离器出来的光倍频；所述的光学部分反射镜可以透过10％的倍频光，透过98％以上的激光器发出的光；所述滤光片只可以透过98％以上的倍频光；所述的采样接收器是由光电探测器和电子学部分组成，其作用是在激光脉冲发射的同时，通过分色片的少量透过光取得激光的视频调制脉冲电信号，作为距离计数器的开启脉冲，其光电探测器是一类响应速度快、灵敏度高、内阻大、性能稳定、暗电流小的单元硅光电二极管，其电子学部分由前置放大器和电压比较器等组成，可得到响应迅速、波形理想、工作稳定的计数触发脉冲；所述的转折棱镜是可以将光路实现90°转变的全反射光学棱镜；所述的扫面反射镜及其光机结构中的镜面是采用LY12铝材进行轻量化设计椭圆镜面，镜面与扫面转动轴成45°角，镜面基地的不平整度研磨达0.005mm，对基地进行化学镀镍至一定厚度，经光学加工为镜面，镜面的光学性能要求光圈N≤3，局部光圈ΔN≤0.8，镜面平均反射率(0.4～12.5um)＞95％，为避免加工过程中机械切削产生的应力对镜面质量的影响，在加工形成后，经高、低温循环处理以释放内应力和切削应力；所述的扫面反射镜及其光机结构中的光机结构是镜面后采用具有良好的抗变形强度和均匀的刚度分布的内三角桁架结构，能保证镜面的光学稳定性；所述的驱动电机是两头出轴的、具有足够驱动功率的特制同步电机，电机的一端出轴安装内动平衡块和扫描镜，另一端安装外动平衡块和弹性连接轴，通过弹性连接轴与光电编码器相连；所述的光学码盘是光电轴角编码器，它可以产生与扫描镜同步的各种时间基准信号，扫描镜、驱动电机和光电轴角编码器组成一个扫描器光机组件，可以单独进行装配、通电试验和动平衡校正，最后与安装平台相连；所述的卡塞格伦望远镜由一个非球面主镜、一个球面次面镜和光学接收镜筒构成，镜面镀铝膜和保护膜，在0.4～13.0um光谱范围内平均反射率大于等于92％，镜筒由ZL107材料铸造，壁厚不低于6mm，T6定型处理，加工时进行时效处理以避免应力造成变形，镜筒的结构是保证卡塞格伦望远镜中主镜、次镜和分色片的结构位置；所述的分色片置于望远镜的次镜与焦点之间的光路中，分色片的镜面与光轴成45°倾角，将接收到的后向散射光分为倍频光(用于测距)反射和原波长光的后向散射偏振光部分，分色片由玻璃基底材料和表面镀膜制成，具体结合波长来设计；所述的测距回波接收装置，其功能是接收目标后向散射的微弱的测距激光脉冲，并进行放大、比较而产生规则的电脉冲作为回波脉冲信号送到距离计数器，它由单元光电探测器、视频放大器和脉冲形成电路等组成，其单元光电探测器是特别适合于短脉冲探测探测的、具有极高响应速度的光电二极管(如雪崩二极管、PIN管等)，视频放大器和脉冲形成电路即为通常的电路。

其中，所述的偏振光产生装置包括激光器、偏振光束分离器、反射镜、转动波片，其激光器是遥感器中共用的光源，偏振光束分离器与激光测距仪中用的是同一部件，是将激光器出射光束分解为测距光束和偏振信息遥感光束，反射镜是用于改变测距光束和遥感光束的光路方向，转动波片是通常的波片，其中心波长为激光器发出的光的波长，其转动受同步信号控制，转动波片的功能是用于目标散射的偏振信息参量(Meuller矩阵元)的测量，其转动位置的控制精度在千分之一角度。

其中，所述的偏振光和测距脉冲发射装置包括转折棱镜、准直透镜与扩束透镜装置以及扫描反射镜，转折棱镜与扫描反射镜与激光测距仪用的是同一部件，准直透镜与扩束透镜装置是将转折棱镜出来的光扩展成直径较大的平行光束。

其中，所述的目标散射的偏振光和测距脉冲接收和数据记录装置包括扫描反射镜、卡塞格伦望远镜及其镜筒、分色片、测距脉冲接收装置、转动波片、ICCD、计算机，这里所述的扫描反射镜、卡塞格伦望远镜及其镜筒、分色片、测距脉冲接收装置与激光测距仪用的同一部件，转动波片的要求与发射系统中的转动波片相同，ICCD成像探测器置于接收望远镜的焦面上，将接收到的目标散射的偏振激光信号转换成电信号，其响应的峰值灵敏度应在激光发射波长处，计算机是按照一定的格式记录偏振信息图像数据，转动波片和ICCD受同步信号控制。

其中，所述的目标三维面形数据的产生装置和方法包括安装在遥感器平台上的GPS接收机、姿态测量装置、激光测距仪、数据采集与格式化器和数据记录器，GPS接收机主要实现三个功能：(1)精确确定每根扫描线中心像元的三维位置；(2)实时每秒给平台姿态测量装置输入时间、三维位置、速率信息；(3)遥感器载体飞行器的精确导航。姿态测量装置提供飞行器机下点姿态(测滚、俯仰和偏航)数据，激光测距仪在同步信号和扫描电机的控制下，让激光脉冲波束按照一定规律在空中对被测目标扫描，测量出飞行器航线一定宽度的区域内遥感目标到飞行器的斜距，然后结合与测距同步的偏振成像数据、飞行器姿态数据、GPS定位数据而计算出被遥感目标的三维图形。数据采集与格式化器由图像主放和数字化部分、时序部分、辅助数据板和格式化电路四大部分组成，其作用是将ICCD输出的图像数据经计算机预处理后，再由数据格式器将偏振图像数据和辅助数据(时间数据、行计数、GPS事件数据、激光测距数据和飞行器平台姿态数据)形成一个统一的数据格式输出，送数据记录系统。数据记录器采用硬盘记录，按照格式器发出的控制指令，将格式器送往记录器缓存卡的数据流记录在硬盘介质上。

其中，所述的目标散射的偏振图像数据与三维面形数据集成与处理方法包括三维面形产生方法、激光点与偏振图像像元配准以及应用图像产生方法，三维面形产生采用矢量相加求端点轨迹的方法，采用弹性连接轴联结光电数字编码器，将扫描镜旋转的角位移转换成相应的电脉冲，作为数据采集系统的时钟基准来实现偏振图像与激光测距图像配准，采用测量理论中的几何校正、DEM数据生成技术、空地定位的现代遥感模式生产三维透视偏振信息图像等。

本发明的有益效果：通过基于激光器的偏振光产生、发射和接收光机结构设计并集成GPS和姿态测量技术、在可编程逻辑电路控制同步信号控制下实现三维偏振测量遥感器系统，可以在无地面控制点的情况下(准)实时获取目标三维偏振信息地学编码图像。

【说明书附图】

图1是双波长三维偏振成像遥感器光、机、电系统组成示意图；

图2是基于WGS-84地球参考系的目标三维面形解算原理示意图。

【具体实施方式】

同步信号发生器101发出同步时序信号，经激光发射脉冲分配器102和同步控制器103，控制带有冷却系统105的激光器104按照同步时序信号发射出波长为λ的激光脉冲。激光脉冲经立方体偏振光束分离器108后分成分别沿原光束方向和与原光束方向垂直的方向传播的两束等能量的偏振光束，其中沿原光束方向的偏振光束经倍频器109变成波长为λ/2的激光脉冲，该激光脉冲再经对λ/2透过率为2％、反射率为98％、对λ的光全透过的、与λ/2光路成45°角放置的部分透射反射镜111，透过的能量为2％的激光脉冲再经滤光片133后被单元光电探测器110接收作为激光测距仪的起始触发脉冲；另一束与原光束方向垂直传播的波长为λ的偏振光束经与光路成45°角放置的反射镜106和反射镜109反射后，再经111与λ/2光束合为同一光路，该共同光路经被同步信号126控制而产生一定转动角的λ/4波片后，再经全反射棱镜113折转90°后，经扩束系统114，通过由电机117驱动的45°扫描反射镜115，实现与遥感器载体平台运动方向垂直的行扫描探测。与扫描反射镜115共轴连接的光电编码器118输出像元码信号和行扫描同步信号，作为波长λ/2的激光测距扫描与波长为λ的偏振成像扫描严格同步的时序基准。

经目标116后向散射的部分光能被扫描镜115所反射后射向卡塞格伦望远镜的主镜121，再经卡塞格伦望远镜的次镜119射向插在卡塞格伦望远镜光路中、与卡塞格伦望远镜光轴成45°放置的分色片120，分色片120反射λ/2的目标回波激光脉冲，透过λ的目标回波激光脉冲。被分色片反射的波长为λ/2的目标回波激光脉冲经单元光电探测器125成为激光测距仪的回波电脉冲信号，然后将此测距回波电脉冲信号传送给由同步信号126控制的激光测距仪的电子学系统134，从而可获得距离矢量数据135，用局部参考系中的l(L)矢量表示；透射过分色片120的波长为λ的目标回波激光脉冲经由同步信号126控制的转动波片124入射到高灵敏度的图像采集器122上(如ICCD)，进而由计算机123记录下该图像数据，这样就获得了与转动波片112和124的转动角相对应的激光偏振遥感图像数据。

因激光测距光束和激光偏振遥感光束共用同一个光机系统，因此，测距激光束在目标面上的光斑和偏振成像像元是精确套合的，为了利用激光测距矢量数据和偏振遥感图像数据实现三维偏振遥感图像，就必须获得目标表面各像元的地理坐标，为此，本发明应用不需地面控制点的矢量相加求端点轨迹的三维成像原理，即利用在同步时序脉冲信号126经控制器127控制GPS接收机128的采集数据时间，从而获取遥感器在WGS-84大地坐标系中的位置数据129，即图2中的g(C)矢量；利用在同步时序脉冲信号126经控制器130控制遥感器姿态测量装置131的姿态数据采集时间，从而获得遥感器的同步时间姿态数据132。将计算机123记录的目标偏振图像数据、姿态数据132、GPS的定位数据129和激光测距数据135同时送往数据格式记录器136分别按各自的格式记录，最后数据处理器137将测量所得的各矢量数据按照图2所示的矢量进行运算，从而得出各像元点在WGS-84坐标系中的坐标位置，即矢量e(C)，即获得了目标三维偏振遥感图像。

偏振遥感图像各像元的位置矢量e(C)计算原理可用图2来说明。在图2中，C是WGS-84地心笛卡尔参考坐标系，Z轴是实际地球的旋转中轴，X轴在地球椭球的赤道平面内并通过地球椭球的起始子午圈，Y轴则完成右手参考坐标系，激光束在目标表面上的激光点为e，gl(C)是GPS接收天线端点到激光器发光点的距离矢量，是在遥感器安装时在GPS接收天线的局部测量参考系预先测量好的gl(B)矢量经参考系变换而得。三维成像的根本问题就是要找出e点的地球椭球的坐标(纬度Φ_e，经度λ_e和目标表面高程h_e)，也就是要确定矢量e(C)，由图2的矢量关系可以得到：

e(C)＝g(C)+gl(C)+l(C)       (1)

(1)式中g(C)可由GPS系统直接测量获得。为了将局部参考系中测量得到得激光测距矢量l(L)和gl(B)转换成WGS-84参考系下的l(C)和gl(C)，为此再定义4个参考系：

G参考系：中心位于GPS接收天线顶端，即图2中的g点，其坐标轴与C参考系的相应的坐标轴平行。

O参考系：中心也位于图2中的g点，Z^O轴垂直于WGS-84椭球并从C点指向地球向外，Y^O轴沿着GPS子午圈与WGS-84椭球切平面平行的平面的交叉线，X^O轴则完成右手参考系，指向东，如图3所示。

B参考系：中心仍同样位于GPS天线顶端g点，X^B轴沿着具有正X轴遥感器平台运动方向的平台中轴线，Z^B轴向上指向离开地球方向，Y^B轴则完成右手参考系。这样可用遥感器载体平台的实际偏航角(β)、俯仰角(α)和测滚角(φ)来描述参考系B相对于参考系O的旋转。角β、α和φ定义为相对Z^B轴、Y^B轴和X^B轴的转动逆时针方向为正。如果角β、α和φ是零，则0参考系和B参考系是一致的。

L参考系：中心位于激光器发光处并通过矢量gl(O)从参考系转换得到的参考系，Z^L轴指向激光发光方向。定义参考系L相对于参考系B转动的Euler角为(Δβ，Δα，Δφ)，则将矢量l(L)从L参考系变换到B参考系中的l(B)有：

l(B)＝R^-1(Δβ，Δα，Δφ)l(L)                     (2)

(2)式中的R^-1为R的逆矩阵。因三维成像是扫描测距，对于扫描角为Ψ_S而言，有：

l(B)＝R^-1(0，0，Ψ_s)R^-1(Δβ，Δα，Δφ)l(L)       (3)

式中R^-1(Δβ，Δα，Δψ)＝R₃ ^-1(Δψ)R₂ ^-1(Δα)R₁ ^-1(Δβ)＝[R₁(Δβ)R₂(Δα)R₃(Δψ)^-1，R₁(Δβ)、R₂(Δα)、R₃(Δψ)分别为正交参考系中绕3个轴转动的变换矩阵。

参考系B相对于参考系O的转动由安装在遥感器平台上的姿态测量装置给出。

依据上面定义这些参考系，从测量参考系到WGS-84参考系矢量转换可以写作为：

gl(C)＝R^-1(λ_e，F_e-90，0)R^-1(β，a，ψ)gl(B)        (4)

l(C)＝R^-1(λ_e，F_e-90，0)R^-1(β，a，ψ)R^-1(Δβ，Δa，Δψ)l(L)                           (5)

e(C)＝g(C)+R^-1(λ_e，F_e-90，0)R^-1(β，a，ψ){R^-1(Δβ，Δa，Δψ)l(L)+gl(B)}              (6)

对于三维成像的扫描测距，(6)式成为：

e(C)＝g(C)+R^-1(λ_e，F_e-90，0)R^-1(β，a，ψ){R^-1(0，0，Ψ_S)R^-1(Δβ，Δa，Δψ)l(L)+gl(B)}(7)

(7)式就是应用GPS定位数据g(C)和激光测距数据l(L)获取目标表面三维面形的基本方程。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见的想到一些雷同、替代的方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种三维偏振成像激光雷达遥感器，包括三维偏振信息成像的激光雷达光机结构装置、偏振光产生装置、偏振光和测距脉冲发射装置、目标散射的偏振光和测距脉冲接收和数据记录装置、目标三维面形数据的产生装置和方法、目标散射的偏振图像数据与三维面形数据集成与处理方法。其特征在于，所述三维偏振信息成像的激光雷达光机结构装置是由激光测距仪和偏振信息产生、发射与探测装置组成一体的同一套光机系统，所述偏振光产生与发射装置包括激光器、偏振光束分离器、倍频晶体、光学部分反射镜、滤光片、转动波片、转折棱镜、准直透镜、扩束透镜系统、扫描反射镜及其光机结构、光学码盘和驱动电机，所述目标散射的偏振光接收和数据记录装置包括扫描反射镜、卡塞格仑望远镜、偏振片、转动波片、测距回波接收装置、分色片、电荷耦合器件(CCD)、计算机，所述目标三维面形数据的产生装置和方法包括激光测距装置及其数据产生、GPS装置及其定位数据产生、遥感器姿态测量装置及其数据产生，所述目标散射的偏振图像数据与三维面形数据集成与处理方法包括激光测距数据与GPS定位数据和姿态数据的集成及其目标面形的解算方法、三维面形数据与偏振成像数据的融合处理方法。本发明能够准实时获取被探测目标散射的偏振信息的三维图像。

2.按照权利要求1所述的一种三维偏振成像激光雷达遥感器，其特征在于所述的一种三维偏振信息成像的激光雷达光机结构装置包括激光器、激光控制器、激光发射脉冲分配器、激光器冷却系统、同步信号发生器、光学码盘、驱动电机、扫描反射镜及其光机结构、光学部分反射经、滤光片、采样接收器、分色片、测距回波接收装置。光学码盘、扫描电机和扫描反射镜共用一个轴承，激光器与激光控制器和冷却系统连接在一起，激光发射脉冲分配器、激光控制器、同步器发生器与光学码盘相连。

3.按照权利要求1所述的一种三维偏振成像激光雷达遥感器，其特征在于所述的偏振光产生装置包括偏振光束分离器、倍频晶体、光学反射镜、滤光片、转动波片。偏振光束分离器、倍频晶、光学部分反射镜、滤光片体放在激光器的出射光束的光路上，光学反射镜用于另一偏振光束的光路，转动波片可以是激光器波长的四分之一波片，也可以是二分之一波片，波片放在激光器反射光束的光路上，转动波片的精度为千分之一角度。

4.按照权利要求1所述的一种三维偏振成像激光雷达遥感器，其特征在于所述的偏振光和测距脉冲发射装置包括转折棱镜、准直透镜、扩束透镜系统、扫描反射镜及其光机结构、测距回波接收装置、光学码盘和驱动电机。转折棱镜中心放在激光器反射光束的光路和卡塞格伦望远镜与扫描望远镜的光轴交点处，准直透镜、扩束透镜系统放在转折棱镜与扫描反射镜之间，准直与扩束系统的轴线与卡塞格伦望远镜与扫描镜轴线相同，光电探测器作为采样接收器，放在激光器的倍频光束光路中的滤光器后面。

5.按照权利要求1所述的一种三维偏振成像激光雷达遥感器，其特征在于所述的目标散射的偏振光探测器、测距脉冲接收器和数据记录装置包括扫描反射镜、卡塞格仑望远镜、偏振片、转动波片、测距回波接收装置、分色片、电荷耦合器件(CCD)、计算机。扫描反射镜与卡塞格伦望远镜共用一个镜筒，分色片放在卡塞格伦望远镜的主镜与次镜之间，光电探测器放在分色镜片的交点上，CCD放在卡塞格伦望远镜的焦面上，转动波片偏振片放在卡塞格伦望远镜主镜外面与CCD之间，转动波片置于光路中偏振片的前面。

6.按照权利要求1所述的一种三维偏振成像激光雷达遥感器，其特征在于所述的目标三维面形数据的产生装置和方法包括激光测距仪的电子学装置及其距离数据产生、GPS装置及其遥感器位置数据产生、遥感器姿态测量装置及其姿态(俯仰、测滚、偏航)数据产生，激光测距仪的电子学装置、GPS接收机以及姿态测量装置都和同步发生器的信号相连，同一时刻采集和记录数据。

7.按照权利要求1所述的一种三维偏振成像激光雷达遥感器，其特征在于所述的目标散射的偏振图像数据与三维面形数据集成与处理方法包括激光测距数据、GPS定位数据和姿态数据的集成及其目标面形的解算方法、三维面形数据与偏振成像数据的融合处理方法。采用数据格式器将激光测距数据、GPS数据和姿态测量数据按照一定的格式和顺序记录，并按照同步控制信号的时序脉冲给出扫描反射镜的偏转角和转动波片的偏转角，目标三维面形的解算采用矢量相加求端点轨迹的方法，将同一同步信号时刻的三维面形与偏振图像数据进行叠合和特征处理而完成三维面形数据与偏振成像数据的融合处理方法。

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