CN101806899A - 用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统及其成像方法 - Google Patents

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孙剑峰
魏靖松
梁小雪
王丽
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Abstract

用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统及其成像方法，涉及地貌勘察领域，解决了现有手段无法获取地形高度信息、地形三维立体图像的问题。该系统由条纹管四维像探测装置和图像处理单元组成，条纹管四维像探测装置由激光器、发射光学单元、接收光学单元、条纹管探测器和CCD相机组成；成像方法为：激光器输出的激光束经发射光学单元扩束后，发射至目标地形表面，接收光学单元收集从目标地形表面返回的回波信号，并到达条纹管探测器的光电阴极上；再利用CCD相机捕获条纹管探测器荧光屏上的条纹像，通过图像处理单元进行四维像重构，获得目标地形表面的四维图像。本发明可用于对地形高精度探测及实时测高。

Description

用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统及其成像方法
技术领域
本发明涉及地貌勘察领域，具体涉及一种激光成像雷达探测系统及成像方法。
背景技术
目前，现有的对地形进行勘探的手段主要是被动成像方式，例如利用CCD成像或红外成像等。被动成像方式利用地面反射的自然光或自身辐射的红外光，对目标地形表面进行成像，从而获取地貌信息。然而，被动成像方式的缺点是受环境因素影响大，即不同的环境下，同样的地形反射或自身辐射的特性却不相同，夜间无光照温度低导致工作效果差，并且被动成像方式不能得到地形的三维距离信息和高度信息，其中高度信息是目标地形与成像系统之间的高度距离。
发明内容
本发明的目的是解决现有成像方式不能获取地形高度信息、无法得到地形三维立体图像的问题，提供了一种用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统及其成像方法。
用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统，它由条纹管四维像探测装置和图像处理单元组成，所述条纹管四维像探测装置由激光器、发射光学单元、接收光学单元、条纹管探测器和CCD相机组成；
激光器输出的激光束入射至发射光学单元，然后由发射光学单元扩束后发射至目标地形表面；
经目标地形表面返回的光束由接收光学单元接收，然后聚焦到条纹管探测器的光电阴极上；CCD相机捕获条纹管探测器的荧光屏上的条纹像，并将捕获的像发送至图像处理单元；图像处理单元根据接收到的像进行四维像重构，获得目标地形表面的四维图像。
如上述条纹管紫外激光成像雷达探测系统的成像方法，它的具体过程为：
步骤一、激光器输出一束激光束至发射光学单元，发射光学单元对所述激光束扩束，并将扩束后的激光束作为探测光发射至目标地形表面；
步骤二、接收光学单元对从目标地形表面返回的激光回波信号进行收集，并将所述激光回波信号聚焦至条纹管探测器的光电阴极上；
步骤三、CCD相机捕获条纹管探测器的荧光屏上的每一幅条纹像，并将捕获的每一幅条纹像发给图像处理单元；
步骤四、图像处理单元根据接收到的条纹像进行四维像重构，最终获得目标地形表面的四维图像。
本发明的积极效果：
本发明的条纹管紫外激光成像雷达探测系统及其成像方法，利用具有高探测灵敏度的条纹管四维像探测装置对目标地形表面进行成像，再利用图像处理单元进行图像处理后，获得高精度的地形四维像和高度信息，能够实现对地形的大视场、高帧频和高分辨率的探测及实时测高。
附图说明
图1为本发明的条纹管紫外激光成像雷达探测系统的结构示意图；图2为具体实施方式一中实施例的成像演示示意图；图3为实施方式二的成像方法的流程图。
具体实施方式
 具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统，它由条纹管四维像探测装置1和图像处理单元2组成，所述条纹管四维像探测装置1由激光器11、发射光学单元12、接收光学单元13、条纹管探测器14和CCD相机15组成；
激光器11输出的激光束入射至发射光学单元12，然后由发射光学单元12扩束后发射至目标地形表面；
经目标地形表面返回的光束由接收光学单元13接收，然后聚焦到条纹管探测器14的光电阴极上；CCD相机15捕获条纹管探测器14的荧光屏上的条纹像，并将捕获的像发送至图像处理单元2；图像处理单元2根据接收到的像进行四维像重构，获得目标地形表面的四维图像。
所述目标地形表面的四维图像包括目标地形表面的三维几何图像及强度像。
所述激光器11可采用Nd:YAG三倍频脉冲激光器，所述激光器11输出的激光束的波长为355nm、脉宽为10ns。
发射光学单元12可为柱面透镜组。在本实施方式中，发射光学单元12用于对激光器11输出的激光束进行扩束，扩束后得到一束扇形激光束，即对激光束在水平方向的扩束程度要大于对其在垂直方向的扩束程度。
条纹管探测器14可采用单狭缝条纹管，该单狭缝条纹管的动态空间分辨能力为≥15l.p./mm，距离分辨能力为<0.5m，最小可探测能量为10-15J/mm2。
下面提供一个具体实施例：
参见图2，将本发明的激光成像雷达探测系统Q装载于飞机上，飞机飞行高度为100m，飞行速度为300m/s，下视角β为60°，激光器11发射出一束波长为355nm紫外激光束，帧频为100Hz，则飞机对应每个激光脉冲间隔前进3m，即模糊距离d1=3m。
激光器11输出的激光束经过发射光学系统2后，水平扩束至20°（水平方向发散角α），垂直扩束至0.9°（垂直方向发散角），激光光束展开为20°×0.9°的扇形光束，则照射在地面T上的光斑尺寸S为7.1m×3.1m。由于光斑宽度3.1m大于飞机每帧的前进距离3m，所以可以对地形做到无漏点全覆盖推扫成像。
经地面的散射回波由接收光学系统13收集后，聚焦到条纹管探测器14的光电阴极上，条纹管探测器14采用单狭缝条纹管。
根据条纹管探测器14上不同时刻到来的回波信号的偏转差异，能够获取目标距离和高度信息（即激光成像雷达探测系统与目标之间的距离）。
然后由CCD相机15记录条纹管探测器14的荧光屏上的像，该图像包含了地形的三维几何信息、高度信息和强度信息，至此，由条纹管四维像探测系统1完成了对地形四维像原始数据的获取。
CCD相机15将获取的图像输出至图像处理单元2，然后图像处理单元2对接收到的图像进行四维像重构、图像噪声滤除及地形目标增强等处理后，即可获得地形的四维像（三维几何像+强度像）及地形的高度信息。其中，图像处理单元2可采用高性能FPGA+DSP实现。
本发明提出的用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统的成像方式，属于主动成像方式，利用355nm的紫外不可见激光照射地面，可获得地形对该波长激光的固有反射特性，且不受夜间无光照温度低等因素的影响，因此夜间工作效果好。该成像方式不仅可以获得高精度、高分辨的地形三维几何空间信息和反映地形材质的一维强度信息，得到地形的四维像（三维几何像+强度像），同时还可以获得地形的高度信息，这为精确测绘地形提供了一种有力的手段。
具体实施方式二：本实施方式是实施方式一的用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统的成像方法，它的具体过程为：
步骤一、激光器11输出一束激光束至发射光学单元12，发射光学单元12对所述激光束扩束，并将扩束后的激光束作为探测光发射至目标地形表面；
步骤二、接收光学单元13对从目标地形表面返回的激光回波信号进行收集，并将所述激光回波信号聚焦至条纹管探测器14的光电阴极上；
步骤三、CCD相机15捕获条纹管探测器14的荧光屏上的每一幅条纹像，并将捕获的每一幅条纹像发给图像处理单元2；
步骤四、图像处理单元2根据接收到的条纹像进行四维像重构，最终获得目标地形表面的四维图像。

Claims (6)

1.用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统，其特征在于它由条纹管四维像探测装置（1）和图像处理单元（2）组成，所述条纹管四维像探测装置（1）由激光器（11）、发射光学单元（12）、接收光学单元（13）、条纹管探测器（14）和CCD相机（15）组成；
激光器（11）输出的激光束入射至发射光学单元（12），然后由发射光学单元（12）扩束后发射至目标地形表面；
经目标地形表面返回的光束由接收光学单元（13）接收，然后聚焦到条纹管探测器（14）的光电阴极上；CCD相机（15）捕获条纹管探测器（14）的荧光屏上的条纹像，并将捕获的像发送至图像处理单元（2）；图像处理单元（2）根据接收到的像进行四维像重构，获得目标地形表面的四维图像。
2.根据权利要求1所述的用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统，其特征在于所述目标地形表面的四维图像包括目标地形表面的三维几何图像及强度像。
3.根据权利要求1所述的用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统，其特征在于所述激光器（11）采用Nd:YAG脉冲激光器，所述激光器（11）输出的激光束的波长为355nm、脉宽为10ns。
4.根据权利要求1所述的用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统，其特征在于发射光学单元（12）为柱面透镜组。
5.根据权利要求1所述的用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统，其特征在于条纹管探测器（14）采用单狭缝条纹管，该单狭缝条纹管的动态空间分辨能力为≥15l.p./mm，距离分辨能力为<0.5m，最小可探测能量为10-15J/mm2。
6.如权利要求1所述的用于对地形进行四维成像的条纹管紫外激光成像雷达探测系统的成像方法，其特征在于它的具体过程为：
步骤一、激光器（11）输出一束激光束至发射光学单元（12），发射光学单元（12）对所述激光束扩束，并将扩束后的激光束作为探测光发射至目标地形表面；
步骤二、接收光学单元（13）对从目标地形表面返回的激光回波信号进行收集，并将所述激光回波信号聚焦至条纹管探测器（14）的光电阴极上；
步骤三、CCD相机（15）捕获条纹管探测器（14）的荧光屏上的每一幅条纹像，并将捕获的每一幅条纹像发给图像处理单元（2）；
步骤四、图像处理单元（2）根据接收到的条纹像进行四维像重构，最终获得目标地形表面的四维图像。
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