CN101738618A - 多光谱对地观测激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及遥感测绘技术领域，尤其涉及一种多光谱对地观测激光雷达系统。本发明包括半导体和固体激光发射器、激光扫描器、激光测距仪、光学接收器、激光扫描控制器、测距仪控制器、信号处理电路及计算机，所述激光扫描控制器的输出端与所述激光扫描器的一个输入端相连，所述半导体和固体激光发射器的输出端与所述激光扫描器的另一个输入端相连，所述测距仪控制器的输出端与所述激光测距仪的输入端相连，所述光学接收器的输出端与所述信号处理电路及计算机的输入端相连。本发明采用的四个波长激光器均为小型低功率激光器，故大大地降低了仪器的成本，减少了体积和重量，相对安全，提高了系统的可行性，可为农业的持续健康发展提供有益服务。

Description

多光谱对地观测激光雷达系统

技术领域

本发明涉及测绘遥感技术领域，尤其涉及一种多光谱对地观测激光雷达系统。

背景技术

对地观测激光雷达技术通常只以单波长方式工作，虽然在三维空间信息获取方面具有突出优点，但在对地物的物性探测(分类、状态等)方面，还不及某些传统的测地手段(如多/高光谱成像等)。为此研究如何弥补单脉冲激光雷达在物性探测能力上的缺陷，将激光雷达三维空间信息和多/高光谱传感器物性判别能力的优点结合起来，使激光雷达在保留三维空间分辨能力的同时，还兼具物性探测能力具有重要的价值。通过增加采用对植被生长敏感的几个激光波长，提高激光雷达对植被等地物的区分能力和对植被生长状态的探测能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种多光谱对地观测激光雷达系统，在获取地物三维空间信息的同时，可同时获取比单波长丰富的多的多光谱地物光谱信息，能准确地识别和判断典型地物的区别，并能检测出植物健康程度和叶片中重要的生物量信息(叶绿素、叶黄素、氮含量等)，全面提高激光雷达对地物遥感探测的能力和应用范围。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

包括半导体和固体激光发射器、激光扫描器、激光测距仪、光学接收器、激光扫描控制器、测距仪控制器、信号处理电路及计算机；

所述激光扫描控制器的输出端与所述激光扫描器的一个输入端相连，所述半导体和固体激光发射器的输出端与所述激光扫描器的另一个输入端相连，所述测距仪控制器的输出端与所述激光测距仪的输入端相连，所述光学接收器的输出端与所述信号处理电路及计算机的输入端相连。

所述半导体和固体激光发射器由绿光脉冲激光发射组、红光脉冲激光发射组、近红脉冲激光发射组、红外脉冲激光发射组及合束系统组成，所述绿光脉冲激光发射组、红光脉冲激光发射组、近红脉冲激光发射组、红外脉冲激光发射组发射出的激光经过合束系统后成为一束光输出。

所述绿光脉冲激光发射组由固体激光器电源、激光器座、绿光固体激光器以及非球面透镜构成；所述红光脉冲激光发射组由固体激光器电源、激光器座、红光固体激光器以及非球面透镜构成；所述近红脉冲激光发射组由固体激光器电源、激光器座、近红固体激光器以及非球面透镜构成；所述红外脉冲激光发射组由固体激光器电源、激光器座、红外固体激光器以及非球面透镜构成；

绿光脉冲激光发射组输出的激光经全反射镜反射后，与由红光脉冲激光发射组输出的激光经第一滤光片后合为一束光线；同时，由红外脉冲激光发射组输出的激光经全反射镜反射后，与由近红脉冲激光发射组输出的激光经第二滤光片后合为一束光线，并经全反射镜反射后与绿光和红光脉冲激光的合束光线经过第三滤光片后合为一束光线，该光线经一组反射镜组后输出，通过棱镜输入到光学接收器。

所述绿光脉冲激光发射组、红光脉冲激光发射组、近红脉冲激光发射组、红外脉冲激光发射组分别设有温度控制器和激光器座；红光激光脉冲发射组和红外激光脉冲发射组中的半导体激光器电源输出端及其温度控制器输出端分别与各自的激光器座输入端相连，红光半导体激光器和红外半导体激光器安装在各自的激光器座上，红光半导体激光器和红外半导体激光器的输入分别连接各自的激光器座的输出。

所述光学接收器由接收望远镜、视场光阑、准直光学透镜、第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片、绿光窄带滤光片、红光窄带滤光片、近红窄带滤光片、红外窄带滤光片以及两个全反射镜组成；接收望远镜输出端与视场光阑输入端相连，视场光阑输出端与准直光学透镜输入端相连，准直光学透镜输出端与第一滤光片输入端相连，第一滤光片的一个输出端与第一全反射镜的输入端相连，另一个输出端与第二全反射镜的输入端相连；第一全反射镜的输出端与第二滤光片的输入端相连，第二全反射镜的输出端与第三滤光片的输入端相连，第二滤光片的一个输出端与绿光窄带滤光片的输入端相连，另一个输出端与红光窄带滤光片的输入端相连，第三滤光片的一个输出端与近红窄带滤光片的输入端相连，另一个输出端与红外窄带滤光片的输入端相连。

所述信号处理电路及计算机由四个光电倍增管、四个高压电源、四个放大器、光子计数器、GPIB接口卡和计算机组成；高压电源输出端与光电倍增管高压输入端相连，光电倍增管输出端与放大器输入端相连，放大器输出端与光子计数器输入端相连，光子计数器与GPIB接口卡相连，GPIB接口卡插在计算机中，通过PCI接口与计算机相连。

所述激光扫描器采用多面转镜激光扫描；激光扫描器主要由转镜、驱动电机、转镜轴、两个个轴承、联轴器、支架和控制器组成；转镜固定在转镜轴上，两个轴承安装在转镜轴两端；驱动电机安装在支架上，驱动电机和转镜轴通过联轴器直接连接，驱动电机和控制器输出端相连，控制器通过USB接口和计算机相连。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)采用的四个波长激光器均为小型低功率激光器，故大大地降低了仪器的成本，减少了体积和重量；

2)本发明相对安全，提高了系统的可行性，可为农业的持续健康发展提供有益服务。

附图说明

图1是本发明提供的多光谱对地观测激光雷达系统的结构图。

图2是本发明提供的多光谱对地观测激光雷达系统的激光发射器结构原理图。

图3是本发明提供的多光谱对地观测激光雷达系统的光学接收器结构原理图。

图4是本发明提供的多光谱对地观测激光雷达系统的扫描部分结构原理图。

图5是本发明提供的多光谱对地观测激光雷达系统的信号处理电路及计算机结构图。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：

本发明提供的多光谱对地观测激光雷达系统，具体采用如下技术方案。

参见图1，包括半导体和固体激光发射器1、激光扫描器2、激光测距仪3、光学接收器4、激光扫描控制器5、测距仪控制器6、信号处理电路及计算机7；半导体和固体激光器1发出的激光经激光扫描器2后，到达探测对象，同时激光测距仪3发出的激光也到达探测对象，半导体和固体激光发射器1发出的激光经探测对象反射后形成回波信号，回波信号被光学接收器4所捕获，光学接收器4捕获的信号以及激光测距仪3测距后得到的距离信息被输送至信号处理电路及计算机7进行数据分析与处理；激光扫描控制器5的输出端与激光扫描器2的一个输入端相连，半导体和固体激光发射器1的输出端与激光扫描器2的另一个输入端相连，测距仪控制器6的输出端与激光测距仪3的输入端相连，光学接收器4的输出端与信号处理电路及计算机7的输入端相连。

参见图2，上述半导体和固体激光发射器1由绿光脉冲激光发射组、红光脉冲激光发射组、近红脉冲激光发射组、红外脉冲激光发射组及合束系统组成。由四个脉冲激光发射组发射出的激光经过合束系统后成为一束光输出。其中，绿光脉冲激光发射组由固体激光器电源8、激光器座9、绿光固体激光器10以及非球面透镜11构成，红光脉冲激光发射组由固体激光器电源13、激光器座14、红光固体激光器15以及非球面透镜16构成，近红脉冲激光发射组由固体激光器电源20、激光器座21、近红固体激光器22以及非球面透镜23构成，红外脉冲激光发射组由固体激光器电源27、激光器座28、红外固体激光器29以及非球面透镜30构成。合束系统由全反射镜12、19、25、26、31及2#滤光片17、1#滤光片18、3#滤光片24构成。固体激光器电源8的输出端与激光器座9的输入端相连，固体激光器10安装在激光器座9上；固体激光器电源13的输出端与激光器座14的输入端相连，固体激光器15安装在激光器座14上；固体激光器电源20的输出端与激光器座21的输入端相连，固体激光器22安装在激光器座21上；固体激光器电源27的输出端与激光器座28的输入端相连，固体激光器29安装在激光器座28上；激光器10的输出端与非球面镜11的输入端相连，激光器15的输出端与非球面镜16的输入端相连，激光器21的输出端与非球面镜23的输入端相连，激光器29的输出端与非球面镜30的输入端相连，非球面镜11的输出端与全反射镜12的输入端相连，非球面镜16的输出端以及全反射镜12的输出端与1#滤光片17的输入端相连，非球面镜30的输出端与全反射镜31的输入端相连，全反射镜31的输出端以及非球面镜23的输出端与3#滤光片24相连，3#滤光片的输出端与全反射镜25的输入端相连，带通滤光片17的输出端以及全反射镜25的输出端与1#滤光片18的输入端相连，1#滤光片18的输出端与全反射镜19的输入端相连，全反射镜19的输出端与全反射镜26的输入端相连。由红光脉冲激光发射组输出的激光经过非球面镜11的整形后，投射到全反射镜11上，经反射后，与由绿光脉冲激光发射组输出的激光经非球面镜16的整形后，再通过2#滤光片17后合为一束光线。同时，由近红脉冲激光发射组输出的激光经非球面镜23的整形后，投射到全反射镜31上，经反射后，与由红外脉冲激光发射组输出的激光经非球面镜30的整形后，再通过3#滤光片24后合为一束光线，该光线经全反射镜24反射后与绿光脉冲激光发射和红光脉冲激光发射合束的光线经过1#滤光片18后合为一束光线，并经一组反射镜组19、26后输出并投射到激光扫描器的转镜上49进行探测。

参见图3，光学接收系统由接收望远镜32(Meade，LX200GPS)、视场光阑33、准直光学透镜34、1#滤光片35、2#滤光片36、3#滤光片39、红外窄带滤光片40、近红窄带滤光片41、绿光窄带滤光片42、红光窄带滤光片43以及全反射镜37和38组成；接收望远镜32输出端与视场光阑33输入端相连，视场光阑33输出端与准直光学透镜34输入端相连，准直光学透镜34输出端与1#滤光片35输入端相连，1#滤光片35的一个输出端与全反射镜37的输入端相连，另一个输出端与全反射镜38的输入端相连。全反射镜37的输出端与2#滤光片36的输入端相连，全反射镜38的输出端与3#滤光片39的输入端相连。2#滤光片36的一个输出端与绿光窄带滤光片42的输入端相连，另一个输出端与红光窄带滤光片43的输入端相连。3#滤光片39的一个输出端与近红窄带滤光片41的输入端相连，另一个输出端与红外窄带滤光片40的输入端相连。从植物叶面反射的激光回波信号经接收望远镜32收光聚焦以后，采用视场光阑33将接收视场控制在合适的视场角范围内，经过准直光学透镜34将回波光信号整理成平行光后，经1#滤光片35后，分为两束光，一束包含近红和红外的光线经全反射镜37后入射到2#滤光片36以后又分为绿光与红光两束光，另一束包含近红和红外光的光线经全反射镜38后入射到3#滤光片39以后又分为近红与红外光两束光，最后投射到光电倍增管(如图5所示)。

参见图4，驱动电机45(Berger Lahr，SER397)、控制器44、电机轴46、联轴器47、转镜轴48、激光扫描器由转镜50(多面转镜)、轴承49和51以及三个支架52、53、54组成；控制器44输出端与驱动电机45输入端相连，驱动电机安置于支架52上，驱动电机45通过电机轴46与联轴器47相连，联轴器47另外一端与转镜轴48直接相连，轴承49和51安装在转镜轴48两端并分别固定在支架53、54上，转镜轴48与转镜50相连，激光投射到转镜50后进行扫描。

参见图5，信号处理电路及计算机5由光电倍增管58、59、60、61(Hamamatsu，型号R7400U-20)、高压电源55、56、57、62(Hamamatsu，型号C5500-02)、放大器63、64、65、66(Hamamatsu，型号C6498-01)、光子计数器67(SRS，型号SR400)、GPIB接口卡68(研华，型号PCI-1670)和计算机69组成；高压电源55输出端与光电倍增管59高压输入端相连，光电倍增管59输出端与放大器64输入端相连，放大器64输出端与光子计数器67输入端相连，高压电源56输出端与光电倍增管60高压输入端相连，光电倍增管60输出端与放大器65输入端相连，放大器65输出端与光子计数器67输入端相连，高压电源57输出端与光电倍增管58高压输入端相连，光电倍增管58输出端与放大器63输入端相连，放大器63输出端与光子计数器67输入端相连，高压电源62输出端与光电倍增管61高压输入端相连，光电倍增管61输出端与放大器66输入端相连，放大器66输出端与光子计数器67输入端相连，光子计数器67与GPIB接口卡68相连，GPIB接口卡68插在计算机69中，通过PCI接口与计算机69相连。经3#滤光片39(参见图3)过滤的绿光波长的信号光投射到光电倍增管58的光敏面上，高压电源57为光电倍增管58提供偏置高压，光电倍增管58将绿光波长的信号光转换成光子脉冲电流，经放大器63转换并放大成光子脉冲电压，输出到光子计数器67进行光子计数；经3#滤光片39(参见图3)过滤的红光波长的信号光投射到光电倍增管59的光敏面上，高压电源55为光电倍增管59提供偏置高压，光电倍增管59将红光波长的信号光转换成光子脉冲电流，经放大器64转换并放大成光子脉冲电压，输出到光子计数器67进行光子计数；经3#滤光片39(参见图3)过滤的绿光波长的信号光投射到光电倍增管58的光敏面上，高压电源57为光电倍增管58提供偏置高压，光电倍增管58将绿光波长的信号光转换成光子脉冲电流，经放大器63转换并放大成光子脉冲电压，输出到光子计数器67进行光子计数；经2#滤光片36(参见图3)过滤的近红波长的信号光投射到光电倍增管60的光敏面上，高压电源56为光电倍增管60提供偏置高压，光电倍增管60将近红波长的信号光转换成光子脉冲电流，经放大器65转换并放大成光子脉冲电压，输出到光子计数器67进行光子计数；经2#滤光片36(参见图3)过滤的红外波长的信号光投射到光电倍增管61的光敏面上，高压电源62为光电倍增管61提供偏置高压，光电倍增管61将红外波长的信号光转换成光子脉冲电流，经放大器66转换并放大成光子脉冲电压，输出到光子计数器67进行光子计数；光子计数器67将四种不同波长的光信号分别计数后，经GPIB接口卡68输出到计算机69，进行数据处理和分析。

本发明安装于运载车辆上，其向数十米到数百米外被探测植物叶片发射经合波后成为一束的包含不同波长(绿光、红光、近红和红外)脉冲激光束，当不同波长激光脉冲遇到植物叶片时，绿光会被植物叶片中的叶绿素强烈反射；红光会被植物叶片中的叶绿素强烈吸收；近红及红外会被植物叶片细胞结构强烈反射，该系统的光学接收器接收到这些反射光信号，经过整形、滤光、光电转换、放大、和光子计数处理后，送入计算机进行分析和储存，可得到植物叶片的植物归一化指数及植被生物量指标，从而获得植物健康程度和叶片中叶绿素含量，为农业的持续健康发展服务。

Claims (7)

1.一种多光谱对地观测激光雷达系统，其特征在于：

包括半导体和固体激光发射器、激光扫描器、激光测距仪、光学接收器、激光扫描控制器、测距仪控制器、信号处理电路及计算机；

所述激光扫描控制器的输出端与所述激光扫描器的一个输入端相连，所述半导体和固体激光发射器的输出端与所述激光扫描器的另一个输入端相连，所述测距仪控制器的输出端与所述激光测距仪的输入端相连，所述光学接收器的输出端与所述信号处理电路及计算机的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的多光谱对地观测激光雷达系统，其特征在于：

所述半导体和固体激光发射器由绿光脉冲激光发射组、红光脉冲激光发射组、近红脉冲激光发射组、红外脉冲激光发射组及合束系统组成，所述绿光脉冲激光发射组、红光脉冲激光发射组、近红脉冲激光发射组、红外脉冲激光发射组发射出的激光经过合束系统后成为一束光输出。

3.根据权利要求2所述的多光谱对地观测激光雷达系统，其特征在于：

所述绿光脉冲激光发射组由固体激光器电源、激光器座、绿光固体激光器以及非球面透镜构成；所述红光脉冲激光发射组由固体激光器电源、激光器座、红光固体激光器以及非球面透镜构成；所述近红脉冲激光发射组由固体激光器电源、激光器座、近红固体激光器以及非球面透镜构成；所述红外脉冲激光发射组由固体激光器电源、激光器座、红外固体激光器以及非球面透镜构成；

绿光脉冲激光发射组输出的激光经全反射镜反射后，与由红光脉冲激光发射组输出的激光经第一滤光片后合为一束光线；同时，由红外脉冲激光发射组输出的激光经全反射镜反射后，与由近红脉冲激光发射组输出的激光经第二滤光片后合为一束光线，并经全反射镜反射后与绿光和红光脉冲激光的合束光线经过第三滤光片后合为一束光线，该光线经一组反射镜组后输出，通过棱镜输入到光学接收器。

4.根据权利要求3所述的多光谱对地观测激光雷达系统，其特征在于：

所述绿光脉冲激光发射组、红光脉冲激光发射组、近红脉冲激光发射组、红外脉冲激光发射组分别设有温度控制器和激光器座；红光激光脉冲发射组和红外激光脉冲发射组中的半导体激光器电源输出端及其温度控制器输出端分别与各自的激光器座输入端相连，红光半导体激光器和红外半导体激光器安装在各自的激光器座上，红光半导体激光器和红外半导体激光器的输入分别连接各自的激光器座的输出。

5.根据权利要求1、2、3中任一项所述的多光谱对地观测激光雷达系统，其特征在于：

所述光学接收器由接收望远镜、视场光阑、准直光学透镜、第一滤光片、第二滤光片和第三滤光片、绿光窄带滤光片、红光窄带滤光片、近红窄带滤光片、红外窄带滤光片以及两个全反射镜组成；接收望远镜输出端与视场光阑输入端相连，视场光阑输出端与准直光学透镜输入端相连，准直光学透镜输出端与第一滤光片输入端相连，第一滤光片的一个输出端与第一全反射镜的输入端相连，另一个输出端与第二全反射镜的输入端相连；第一全反射镜的输出端与第二滤光片的输入端相连，第二全反射镜的输出端与第三滤光片的输入端相连，第二滤光片的一个输出端与绿光窄带滤光片的输入端相连，另一个输出端与红光窄带滤光片的输入端相连，第三滤光片的一个输出端与近红窄带滤光片的输入端相连，另一个输出端与红外窄带滤光片的输入端相连。

6.根据权利要求1、2、3中任一项所述的多光谱对地观测激光雷达系统，其特征在于：

所述信号处理电路及计算机由四个光电倍增管、四个高压电源、四个放大器、光子计数器、GPIB接口卡和计算机组成；高压电源输出端与光电倍增管高压输入端相连，光电倍增管输出端与放大器输入端相连，放大器输出端与光子计数器输入端相连，光子计数器与GPIB接口卡相连，GPIB接口卡插在计算机中，通过PCI接口与计算机相连。

7.根据权利要求5所述的多光谱对地观测激光雷达系统，其特征在于：

所述激光扫描器采用多面转镜激光扫描；激光扫描器主要由转镜、驱动电机、转镜轴、两个个轴承、联轴器、支架和控制器组成；转镜固定在转镜轴上，两个轴承安装在转镜轴两端；驱动电机安装在支架上，驱动电机和转镜轴通过联轴器直接连接，驱动电机和控制器输出端相连，控制器通过USB接口和计算机相连。

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