CN103954971A - 机载彩色三维扫描激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种机载彩色三维扫描激光雷达，包括激光发射单元、扫描单元、信号探测单元、时序控制电路和计算机数据处理单元，扫描单元包括电机驱动、电机、多面体扫描转镜和角度编码器，电机驱动、电机、多面体扫描转镜依次连接，角度编码器与电机连接，所述激光发射单元包括依次连接的激光器驱动、彩色激光光源、光学发射系统和PIN探测器，所述信号探测单元包括依次连接的接收光学系统、彩色激光信号探测器、多通道数据采集单元；时序控制电路和激光器驱动、PIN探测器、多通道数据采集单元分别连接。本发明可同时获取目标地物的彩色激光光谱信息和激光点云信息，从而通过三维重构获取目标的彩色激光成像，增强激光雷达的彩色分辨能力。

Description

机载彩色三维扫描激光雷达

技术领域

本发明涉及测绘遥感技术领域，尤其涉及一种机载彩色三维扫描激光雷达。

背景技术

机载对地观测激光雷达技术是实现大尺度三维成像对地探测的重要遥感手段，在快速获取三维空间信息方面具有突出优点。但由于受制于单一红外激光波长限制，难以获取有效的地物光谱特征，通常需要匹配一台彩色成像相机进行同时探测，以获取相应的纹理和彩色光谱信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种一维线阵扫描彩色激光雷达，通过机载平台，可实现彩色三维扫描成像探测。该技术在现有机载激光雷达单一红外激光光源的基础上，发展成彩色激光扫描探测，直接获取具有彩色激光光谱信息的点云数据，全面提升机载激光雷达对地探测的能力。

本发明技术方案提供一种机载彩色三维扫描激光雷达，包括激光发射单元、扫描单元、信号探测单元、时序控制电路和计算机数据处理单元，扫描单元包括电机驱动、电机、多面体扫描转镜和角度编码器，电机驱动、电机、多面体扫描转镜依次连接，角度编码器与电机连接，时序控制电路和计算机数据处理单元、电机驱动、角度编码器分别连接，其特征在于：所述激光发射单元包括依次连接的激光器驱动、彩色激光光源、光学发射系统和PIN探测器，所述信号探测单元包括依次连接的接收光学系统、彩色激光信号探测器、多通道数据采集单元；时序控制电路和激光器驱动、PIN探测器、多通道数据采集单元分别连接，

所述彩色激光光源包括红光脉冲激光光源、绿光或黄光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源以及红外光脉冲激光光源，在激光器驱动的作用下彩色激光光源发出的各脉冲激光经发射光学系统合成激光束后，部分光信号经PIN探测器作为触发信号输入时序控制电路，其他部分光信号入射到多面体扫描转镜，经多面体扫描转镜对目标地物进行彩色激光一维线性扫描，所产生回波信号经多面体扫描转镜反射到接收光学系统，接收光学系统捕获的信号经彩色激光信号探测器探测所得彩色光谱和距离信息被输送至多通道数据采集单元，时序控制电路对多通道数据采集单元进行时序控制，并反馈采集结果到计算机数据处理单元。

而且，发射光学系统包括第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜及第一分光滤光片、第二分光滤光片、第三分光滤光片；

由绿光或黄光脉冲激光光源输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜反射后，入射到第一分光滤光片，与红光脉冲激光光源输出的红光脉冲激光合为一束光线；由蓝光脉冲激光光源输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜反射，再通过第二分光滤光片后，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光，并经第一全反射镜和第四全反射镜后输出并入射到第三分光滤光片，彩色激光与红外光脉冲激光光源输出的红外脉冲激光经第三分光滤光片后合成最终的激光束。

而且，多面体扫描转镜采用多面体的扫描棱镜实现，接收光学系统包括接收反射镜，准直透镜，第四分光滤光片、第五分光滤光片、第六分光滤光片，第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第四窄带滤光片，第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜，和第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器。

而且，发射光学系统所得激光束入射到扫描棱镜，通过扫描棱镜进行激光扫描，目标地物激光回波信号返回到扫描棱镜上，并且反射到接收反射镜上，接收反射镜将回波信号经准直透镜入射到第六分光滤光片，通过该第六分光滤光片将彩色回波激光和红外回波激光信号分成两个通道分别接收和探测；红外激光回波信号透射后入射到第一窄带滤光片，经第一聚焦透镜后入射到第一光电探测器上；彩色回波信号经第六分光滤光片反射后，入射到第五分光滤光片，红色激光回波信号经第五分光滤光片反射后进入第二窄带滤光片，通过第二聚焦透镜入射到第二光电探测器上；蓝色激光回波信号和绿色或黄色激光回波信号由第五分光滤光片透射后，入射到第四分光滤光片，其中蓝色激光回波信号经第四分光滤光片反射进入第四窄带滤光片，通过第三聚焦透镜后入射到第三光电探测器上，绿色或黄色激光回波信号经第四分光滤光片透射后入射到第三窄带滤光片，通过第四聚焦透镜后入射到第四光电探测器上。

而且，绿光或黄光脉冲激光光源、红光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源、红外光脉冲激光光源均采用全固态脉冲激光器。

而且，所述全固态脉冲激光器的波长范围为，420-500nm范围内的蓝色激光波长，520-570nm范围内的绿色激光波长或570-590nm范围内的黄色激光波长，620-780nm范围内的红色激光波长，1000-2000nm范围内的红外激光波长。

本发明提供的一种机载彩色三维扫描激光雷达，不同于现有机载激光雷达的单一红外激光光源，采用多个可见光波段范围的激光和红外激光作为发射光源合成彩色激光光源，通过多面体转镜进行线阵扫描，从而实现彩色三维激光扫描成像探测。可同时获取目标地物的彩色激光光谱信息和激光点云信息，从而通过三维重构获取目标的彩色激光成像，增强激光雷达的彩色分辨能力。可采用高峰值功率、高重频的全固态激光器，增加系统的稳定性，减少体积和重量，相对安全，提高了系统的可行性。

附图说明

图1为本发明实施例的机载彩色三维扫描激光雷达结构示意图。 

图2为本发明实施例的彩色激光合束发射原理图。 

图3是本发明实施例的彩色激光扫描接收原理图。

具体实施方式   

根据光的三原色合成彩色的原理，通过对现有单波长激光雷达技术增加可见光范围内的红绿蓝R.G.B或者红黄蓝R.Y.B三色合成的彩色激光波长，使其探测数据具有彩色光谱回波强度和距离信息。通过机载平台实现推扫式的三维彩色激光扫描成像探测，直接获取机载激光雷达三维空间信息和彩色激光光谱信息，使激光雷达在保留三维空间分辨能力的同时，还兼具彩色光谱判别能力。机载彩色三维扫描激光雷达可一次生成具有彩色激光光谱信息的激光扫描成像数据，具有更高的光谱分辨能力和地物识别能力，全面提高激光雷达地物识别的精度和地物遥感探测的能力和应用范围。本发明主要对彩色激光发射及探测部分进行改进。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

参见图1，本发明实施例提供的机载彩色三维扫描激光雷达包括激光发射单元、扫描单元、信号探测单元、时序控制电路11、计算机数据处理单元13，一般还设置稳定平台及位置和姿态测量单元。

实施所述的激光发射单元，进行彩色激光发射，包括依次连接的激光器驱动1、彩色激光光源2、光学发射系统3、PIN探测器4；所述的扫描单元，包括电机驱动5、电机6、多面体扫描转镜7和角度编码器12，电机驱动5、电机6、多面体扫描转镜7依次连接，电机6和角度编码器12连接；所述的信号探测单元，包括依次连接的接收光学系统8、彩色激光信号探测器9、多通道数据采集单元10。时序控制电路11和计算机数据处理单元13、电机驱动5、角度编码器12、激光器驱动1、PIN探测器4、多通道数据采集单元10分别连接。稳定平台即机载平台系统，位置和姿态测量单元包括：激光扫描器系统的控制系统；DGPS及IMU惯性导航单元；高分辨率航拍相机；系统控制及数据实时记录存储单元四部分；其中，各部分用以太网协议交换数据，用航空电池或飞行平台供电。激光器驱动1、PIN探测器4、电机驱动5、多通道数据采集单元10、时序控制电路11、角度编码器12、计算机数据处理单元13、稳定平台、位置和姿态测量单元等可采用现有技术实现。   

为便于实施参考起见，提供本发明实施例的的机载彩色三维扫描激光雷达工作方式：在激光器驱动1的驱动作用下彩色激光光源2发出的各脉冲激光经发射光学系统3合成激光束后，小部分光信号给PIN探测器4作为触发信号输入时序控制电路11，大部分光信号入射到多面体扫描转镜7，彩色激光光源2发出的激光经探测对象后向散射形成回波信号，回波信号被接收光学系统8所捕获，接收光学系统8捕获的信号经彩色激光信号探测器9探测得到的各脉冲激光的强度和目标地物距离信息被输送至多通道数据采集单元10；时序控制电路11与激光器驱动1、电机驱动5以及多通道数据采集单元10相连，对激光器电源驱动、多面体扫描转镜7的扫描驱动和数据采集进行时序控制；时序控制电路11与角度编码器12相连，角度编码器12采集的角度数据输入时序控制电路11；时序控制电路11与计算机数据处理单元13相连，计算机数据处理单元13向时序控制电路11发出控制指令，时序控制电路11对其进行信息反馈，上传从多通道数据采集单元10和角度编码器12获取的采集结果，包括各脉冲激光的强度以及距离、角度数据。具体实施时，计算机数据处理单元13可采用PC机等设备，本领域技术人员可自行采用计算机软件技术在计算机数据处理单元13上预先设定控制方式，经时序控制电路11对机载彩色三维扫描激光雷达工作进行控制。结合距离、角度数据可得各激光点的坐标，具体实施时，本领域技术人员还可自行采用计算机软件技术在计算机数据处理单元13上扩展实现后续数据处理。

所述的彩色激光光源2中可采用彩色RGB（红、绿、蓝）全固态脉冲激光器，可选的彩色全固态RGB（脉冲激光器波长范围有：420-500nm范围内的蓝色激光波长，520-570nm范围内的绿色激光波长，620-780nm范围内的红色激光波长。彩色激光光源2中的测距激光光源采用红外波长激光，也可采用全固态脉冲激光器，其激光波长选择1000-2000nm，用于获取目标地物距离信息。所述的彩色激光光源2也可采用彩色RYB（红、黄、蓝）全固态脉冲激光器，可选的彩色全固态RYB（脉冲激光器波长范围有：420-500nm范围内的蓝色激光波长，570-590nm范围内的黄色激光波长，620-780nm范围内的红色激光波长。

所述彩色激光光源2和发射光学系统结合提供彩色固态激光。参见图2，实施例所提供能合束输出三种彩色激光波长和红外激光波长的扫描发射装置，彩色激光光源2由绿光脉冲激光光源15、红光脉冲激光光源14、蓝光脉冲激光光源16、红外光脉冲激光光源17组成，发射光学系统2由光束合束系统组成，由四个脉冲激光光源发射出的激光经过合束系统后成为一束光输出。其中，合束系统由第一全反射镜20、第二全反射镜21、第三全反射镜22、第四全反射镜23及第一分光滤光片18、第二分光滤光片19、第三分光滤光片24构成。

红光脉冲激光光源14以及第二全反射镜21分别输出到第一分光滤光片18，绿光脉冲激光光源15输出到第二全反射镜21，蓝光脉冲激光光源16输出到第三全反射镜22，红外光脉冲激光光源17输出到第三分光滤光片24。红光脉冲激光光源14输出的红光脉冲激光经过第一分光滤光片18透射；由绿光脉冲激光光源15输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜21反射后，入射到第一分光滤光片18，与红光脉冲激光光源14输出的红光脉冲激光合为一束光线。同时，由蓝光脉冲激光光源16输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜22反射，再通过第二分光滤光片19后，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光，并经一组全反射镜组（第一全反射镜20、第四全反射镜23）后输出并入射到第三分光滤光片24，该彩色激光光束与红外光脉冲激光光源17输出的红外脉冲激光经第三分光滤光片24后合成一束最终的激光束，即发射光学系统3所得结果。并且可以大部分光信号入射到多面体扫描转镜7进行探测，小部分光信号给PIN探测器4作为触发信号。

具体实施时，可在红光脉冲激光光源14的光束传播方向的光轴上，从左至右依次放置第一分光滤光片18、第二分光滤光片19、第一全反射镜20，其中第一分光滤光片18、第二分光滤光片19分别与光轴呈135度角放置，第一全反射镜20与该光轴呈45度角放置；在第一全反射镜20反射光的光路上放置第四全反射镜23，第四全反射镜23与第一全反射镜20平行；在第四全反射镜23反射光的光路上放置第三分光滤光片24，第三分光滤光片24与第四全反射镜23平行。红光脉冲激光光源14、绿光脉冲激光光源15、蓝光脉冲激光光源16分别的光束传播方向的光轴平行。在绿光脉冲激光光源15的光束传播方向的光轴上设置第二全反射镜21，第二全反射镜21与该光轴呈135度角放置，由绿光脉冲激光光源15输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜21反射后，入射到第一分光滤光片18的光路，与红光脉冲激光光源14输出的红光脉冲激光经第一分光滤光片18透射的光路垂直，使得绿光脉冲激光经第一分光滤光片18与红光脉冲激光合束；在蓝光脉冲激光光源16的光束传播方向的光轴上设置第三全反射镜22，第三全反射镜22与该光轴呈135度角放置，由蓝光脉冲激光光源16输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜22反射，入射到第二分光滤光片19的光路，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线经第二分光滤光片19透射的光路垂直，使得蓝光脉冲激光经第二分光滤光片19与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光。红外光脉冲激光光源17的光束传播方向的光轴在第三分光滤光片24的透射光光路上，使得红外光脉冲激光光源17输出的红外脉冲激光与经第四全反射镜23反射的彩色激光合束。

绿光脉冲激光光源15也可换用黄光脉冲激光光源。

扫描单元主要包括多面体扫描转镜7，发射光路与接收光路共用一套多面体扫描转镜7，光路相互隔离，以屏蔽发射杂散光对回光信号的干扰。彩色合束激光发射后入射到多面体扫描转镜7上，经多面体扫描转镜7对目标地物进行彩色激光一维线性扫描，回波信号经多面体扫描转镜7反射到接收光学系统8。

其中，所述的扫描和接收系统采用分孔径发射接收；所述时序控制电路11，控制高重复频率彩色激光光源发射激光，并记录出光时间，激光经发射光学系统3中的透镜改变束散角并扩束准直，通过多面体扫描转镜7发射激光至目标处；发射光路与接收光路共用一套多面体扫描转镜7，光路相互隔离，以屏蔽发射杂散光对回光信号的干扰。回光通过接受光学系统8中的接收反射镜26聚焦于测距探测器感光面，根据激光发射时间与测距探测器接收的激光回光到达时间计算测距距离；激光发射与回光接收共用同一套多面体扫描转镜7，可确保发射轴与接收轴的一致性。

参考图3，实施例的多面体扫描转镜7采用多面体的扫描棱镜25实现，接收光学系统8包括接收反射镜26，准直透镜27，第四分光滤光片36，第一窄带滤光片29，第一聚焦透镜30、第二聚焦透镜34、第三聚焦透镜38、第四聚焦透镜41，第一光电探测器31、第二光电探测器35、第三光电探测器39、第四光电探测器42，第五分光滤光片32，第二窄带滤光片33，第三窄带滤光片40，第四窄带滤光片37，第六分光滤光片28。

发射光学系统3所得最终的激光束入射到扫描棱镜25，通过扫描棱镜25进行激光扫描，目标地物激光回波信号返回到扫描棱镜25上，并且反射到接收反射镜26上，接收反射镜26将回波信号经准直透镜27入射到第六分光滤光片28，通过该第六分光滤光片28将彩色回波激光和红外回波激光信号分成两个通道分别接收和探测。其中，红外激光回波信号透射后入射到第一窄带滤光片29，经第一聚焦透镜30后入射到第一光电探测器31上；彩色回波信号经第六分光滤光片28反射后，入射到第五分光滤光片32，其中，红色激光回波信号经第五分光滤光片32反射后进入第二窄带滤光片33，通过第二聚焦透镜34入射到第二光电探测器35上；蓝色和绿色激光回波信号由第五分光滤光片32透射后，入射到第四分光滤光片36，其中蓝色激光回波信号经第四分光滤光片36反射进入第四窄带滤光片37，通过第三聚焦透镜38后入射到第三光电探测器39上，绿色激光回波信号经第四分光滤光片36透射后入射到第三窄带滤光片40，通过第四聚焦透镜41后入射到第四光电探测器42上。

具体实施时，可在准直透镜27的光轴上，从右至左依次放置扫描棱镜25、接收反射镜26，准直透镜27、第六分光滤光片28、第一窄带滤光片29、第一聚焦透镜30、第一光电探测器31，第六分光滤光片28与该光轴呈45度角放置，第六分光滤光片28的反射光路上依次设置第五分光滤光片32、第四分光滤光片36、第三窄带滤光片40、第四聚焦透镜41、第四光电探测器42，第五分光滤光片32的反射光路与准直透镜27的光轴平行且第五分光滤光片32与该光轴呈135度角放置，该光路上依次设置第二窄带滤光片33、第二聚焦透镜34、第二光电探测器35；第四分光滤光片36的反射光路与准直透镜27的光轴平行且第四分光滤光片36与该光轴呈45度角放置，该光路上依次设置第四窄带滤光片37、第三聚焦透镜38、第三光电探测器39。

若绿光脉冲激光光源15换用黄光脉冲激光光源，上述绿色激光回波信号则相应为黄色色激光回波信号。

多通道数据采集单元10可对红外回波激光信号、红色激光回波信号、绿色激光回波信号、蓝色激光回波信号分通道进行采集，具体实施时，可采用现有的4通道采集电路产品。时序控制电路11可同时对多通道数据进行采集和时序控制，提高系统的精度和可操控性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种机载彩色三维扫描激光雷达，包括激光发射单元、扫描单元、信号探测单元、时序控制电路和计算机数据处理单元，扫描单元包括电机驱动、电机、多面体扫描转镜和角度编码器，电机驱动、电机、多面体扫描转镜依次连接，角度编码器与电机连接，时序控制电路和计算机数据处理单元、电机驱动、角度编码器分别连接，其特征在于：所述激光发射单元包括依次连接的激光器驱动、彩色激光光源、光学发射系统和PIN探测器，所述信号探测单元包括依次连接的接收光学系统、彩色激光信号探测器、多通道数据采集单元；时序控制电路和激光器驱动、PIN探测器、多通道数据采集单元分别连接，

所述彩色激光光源包括红光脉冲激光光源、绿光或黄光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源以及红外光脉冲激光光源，在激光器驱动的作用下彩色激光光源发出的各脉冲激光经发射光学系统合成激光束后，部分光信号经PIN探测器作为触发信号输入时序控制电路，其他部分光信号入射到多面体扫描转镜，经多面体扫描转镜对目标地物进行彩色激光一维线性扫描，所产生回波信号经多面体扫描转镜反射到接收光学系统，接收光学系统捕获的信号经彩色激光信号探测器探测所得各脉冲激光的强度和目标地物距离信息被输送至多通道数据采集单元，时序控制电路对多通道数据采集单元进行时序控制，并反馈采集结果到计算机数据处理单元。

2.根据权利要求1所述机载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：发射光学系统包括第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜及第一分光滤光片、第二分光滤光片、第三分光滤光片；

由绿光或黄光脉冲激光光源输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜反射后，入射到第一分光滤光片，与红光脉冲激光光源输出的红光脉冲激光合为一束光线；由蓝光脉冲激光光源输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜反射，再通过第二分光滤光片后，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光，并经第一全反射镜和第四全反射镜后输出并入射到第三分光滤光片，彩色激光与红外光脉冲激光光源输出的红外脉冲激光经第三分光滤光片后合成最终的激光束。

3.根据权利要求2所述机载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：多面体扫描转镜采用多面体的扫描棱镜实现，接收光学系统包括接收反射镜，准直透镜，第四分光滤光片、第五分光滤光片、第六分光滤光片，第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第四窄带滤光片，第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜，和第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器。

4.根据权利要求3所述机载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：发射光学系统所得最终的激光束入射到扫描棱镜，通过扫描棱镜进行激光扫描，目标地物激光回波信号返回到扫描棱镜上，并且反射到接收反射镜上，接收反射镜将回波信号经准直透镜入射到第六分光滤光片，通过该第六分光滤光片将彩色回波激光和红外回波激光信号分成两个通道分别接收和探测；红外激光回波信号透射后入射到第一窄带滤光片，经第一聚焦透镜后入射到第一光电探测器上；彩色回波信号经第六分光滤光片反射后，入射到第五分光滤光片，红色激光回波信号经第五分光滤光片反射后进入第二窄带滤光片，通过第二聚焦透镜入射到第二光电探测器上；蓝色激光回波信号和绿色或黄色激光回波信号由第五分光滤光片透射后，入射到第四分光滤光片，其中蓝色激光回波信号经第四分光滤光片反射进入第四窄带滤光片，通过第三聚焦透镜后入射到第三光电探测器上，绿色或黄色激光回波信号经第四分光滤光片透射后入射到第三窄带滤光片，通过第四聚焦透镜后入射到第四光电探测器上。

5.根据权利要求1或2或3或4所述机载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：绿光或黄光脉冲激光光源、红光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源、红外光脉冲激光光源均采用全固态脉冲激光器。

6.根据权利要求5所述机载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：所述全固态脉冲激光器的波长范围为，420-500nm范围内的蓝色激光波长，520-570nm范围内的绿色激光波长或570-590nm范围内的黄色激光波长，620-780nm范围内的红色激光波长，1000-2000nm范围内的红外激光波长。