CN104597436B - 一种应用于成像激光雷达的光谱分光装置 - Google Patents

一种应用于成像激光雷达的光谱分光装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于成像激光雷达的光谱分光装置，属于光电成像技术领域。包括激光器、发射接收光学系统、光纤传像束、透镜、光栅和APD探测器。基本原理是激光光束经过发射光学系统后照射到目标物，被反射的光束经过接收光学系统接收并成像于光纤传像束的一端，光纤传像束中的另一端被分成数条单一的光纤，每一条光纤的出射光经过透镜准直后分别照射到一个衍射光栅上，不同波长的入射光将会有不同的衍射角，经由衍射光栅反射的激光光束被相对应的透镜会聚并传入带有尾纤的APD探测器，不同波长的反射光被传入不同的APD探测器，处理后可以同时得到多个波长的距离像和强度像。本发明解决了多波长微弱成像信号的探测问题。

Description

一种应用于成像激光雷达的光谱分光装置
技术领域
本发明涉及一种应用于成像激光雷达的光谱分光装置，属于光电成像技术领域。
背景技术
在现代高新技术条件下，单波段探测技术从出现发展到现在，已经具有相当完整的理论和比较成熟的技术。然而在许多场合中，仅靠单一波段传感器很难完成多种目标背景下的探测和识别任务。这是由于单波段成像系统会随着使用区域的不同、气候温度的改变或目标的伪装等导致获取信息的减少，特别是当探测目标本身的操作或者行为的改变导致辐射波段移动时，会使成像系统探测不到目标或者探测准确度下降。所以，为了系统的适应性和抗干扰能力，新型的探测系统开始采用多波段传感器的组合方式，由原来的单一波段探测系统向多光谱探测方向发展。多光谱成像探测技术是新一代的光电探测技术，该技术利用一定光谱分辨率的多光谱图像进行目标探测。这种光谱图像数据具有“图谱合一”的特征，相比传统的单一宽波段光电探测技术，能够提供更加丰富的目标场景信息，在目标材质识别、异常目标检测、伪装目标辨识、复杂背景抑制等目标探测技术领域都有极为重要的应用。
在军事、民用等领域，现有的被动成像方式已经满足不了社会发展的需要。现有的被动成像方式只能得到物体的强度像而无法得到物体的三维信息，所以以激光雷达为代表的主动成像方式变的尤为重要。尤其是激光雷达探测与多光谱探测相结合的技术变成了一个急需解决的问题。在成像激光雷达中，为了能够进行多光谱探测，必须将来自目标物的多波长光束分离为多个单波长的回波光束。多光谱探测一般使用光栅作为分光手段，然而光栅只能将入射的平行光束按波长分离，这一方式不适合于成像光束的分光，所以当前通用的分光方式为，在接收光路中加入多个分光镜将回波光束分成等能量的多个光束，然后在每个光束中加入相应的带通滤光片对光波进行滤波以得到单一波长的回波，然而这一方式有一个突出的问题是，需要将回波分为等能量的多个光束，也就是说如果探测3个波段的回波，则单波长回波的能量变为原能量的1/3，这对于回波本就很微弱的远距离成像激光雷达探测来说是非常糟糕的。本发明利用光纤与光栅相结合的方式解决了这一问题，利用光纤传像束对像平面采样，利用凸透镜将光纤的出射光束变成平行光然后再利用光栅进行分光，分光完成后再利用光纤对光束重新收集并送入相应的探测器，探测器既可以选择APD光电二极管也可以选择条纹管相机等。
发明内容
本发明解决了同时探测用于成像的多个波长的微弱信号的问题，提出了一种应用于成像激光雷达的光谱分光装置。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明是一种应用于成像激光雷达的光谱分光装置。该装置包括激光器、扩束整形光学系统、望远接收光学系统、光纤传像束、发散透镜、光栅、会聚透镜和带有尾纤的APD探测器；
所述的激光器能够在接收到来自于系统控制端的脉冲触发信号时发射脉冲宽度小于15ns、脉冲上升沿小于8ns、包含355nm、532nm、1064nm波长、重复频率小于1KHz和发射发散角较小的脉冲激光，该激光器有足够强的稳定性，并且该激光器有相应的散热措施，能够长时间工作；
所述的扩束整形光学系统具有两组镜头，并且镜头表面镀有三个波段的增透膜，两组镜头分别用于激光束的扩束和整形，扩束使照射光斑面积足够大，整形使光斑光强分部尽量均匀；
所述的望远接收光学系统是大口径长焦的折反射式望远接收光学系统，其口径为120mm，焦距为800mm，镜头表面镀有三种波长的增透膜，成像质量高，畸变与像差小；
所述光纤传像束是由64根光纤拼接成而成的，其一端为8*8的拼接块，其拼接方式应为“田”字形式不能采用堆积的方式，其另一端无需拼接；
所述发散透镜是能够将发散光变成平行光的透镜，并且表面镀有三种波长的增透膜；
所述光栅为反射式衍射光栅，其为一种由密集、等间距平行刻线构成的光学器件；
所述发散透镜是能够将平行光变成会聚光的透镜，并且表面镀有三种波长的增透膜；
所述带尾纤的APD探测器分别为能够探测355nm、532nm和1064nm光波的雪崩光电二极管，并且光电二极管上耦合有光纤；
工作过程为：在激光器接收到来自于系统控制端的触发信号后，激光器将同时发送带有三种波长的激光光束，发射的激光光束经过扩束整形光学系统扩束整形后照射到目标物，被目标物反射的激光光束经过望远接收光学系统接收并成像于光纤传像束的一端，像平面被光纤传像束采样，在光纤传像束的另一端像平面变成了一个个分离的点光源，每个点光源对应一套分光系统，每个点光源的出射光经过发散透镜准直后变为平行光并分别照射到一个相对应衍射光栅上，不同波长的入射光将会有不同的衍射角，经由衍射光栅反射的激光光束被相对应的会聚透镜会聚并传入带有尾纤的APD探测器，不同波长的反射光被传入不同的APD探测器，后续处理电路对所有APD探测器的信号处理后，可以同时得到三个个波长所对应的距离像和强度像。
有益效果
本发明利用光纤传像束与衍射光栅相结合的技术，实现了成像光束中光谱的低损耗分光与探测，解决了同时探测用于成像的多个波长的微弱信号的问题，具有共光路、非扫描、损耗低和实时性的特点。
附图说明
图1为实施例中一种应用于成像激光雷达的光谱分光装置的示意图；
其中，1-激光器、2-扩束整形光学系统、3-望远接收光学系统、4-光纤传像束、5-发散透镜、6-衍射光栅、7-会聚透镜、8-355nm波长APD探测器、9-532nm波长APD探测器、10-1064nm波长APD探测器；
图2为实施例中光纤传像束中光线传播的原理图；
图3为实施例中衍射光栅进行分光的原理图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
一种应用于成像激光雷达的光谱分光装置。如图1所示，该装置包括激光器1、扩束整形光学系统2、望远接收光学系统3、光纤传像束4、发散透镜5、衍射光栅6、会聚透镜7、355nm波长APD探测器8、532nm波长APD探测器9、1064nm波长APD探测器10；
所述的激光器(1)能够在接收到来自于系统控制端的脉冲触发信号时发射脉冲宽度小于15ns、脉冲上升沿小于8ns、包含355nm、532nm、1064nm波长、重复频率小于1KHz和发射发散角较小的脉冲激光，该激光器有足够强的稳定性，并且该激光器有相应的散热措施，能够长时间工作；
所述的扩束整形光学系统(2)具有两组镜头，并且镜头表面镀有三个波段的增透膜，两组镜头分别用于激光束的扩束和整形，扩束使照射光斑面积足够大，整形使光斑光强分部尽量均匀；
所述的望远接收光学系统(3)是大口径长焦的折反射式望远接收光学系统，其口径为120mm，焦距为800mm，镜头表面镀有三种波长的增透膜，成像质量高，畸变与像差小；
所述光纤传像束(4)是由64根光纤拼接成而成的，其一端为8*8的拼接块，其拼接方式应为“田”字形式不能采用堆积的方式，其另一端无需拼接；
所述发散透镜是能够将发散光变成平行光的透镜，并且表面镀有三种波长的增透膜；
所述光栅为反射式衍射光栅，其为一种由密集、等间距平行刻线构成的光学器件；
所述发散透镜是能够将平行光变成会聚光的透镜，并且表面镀有三种波长的增透膜；
所述带尾纤的APD探测器分别为能够探测355nm、532nm和1064nm光波的雪崩光电二极管，并且光电二极管上耦合有光纤；
工作过程为：在激光器接收到来自于系统控制端的触发信号后，激光器将同时发送带有三种波长的激光光束，发射的激光光束经过扩束整形光学系统扩束整形后照射到目标物，被目标物反射的激光光束经过望远接收光学系统接收并成像于光纤传像束的一端，像平面被光纤传像束采样，光线在光纤内部发生全反射由一端传播到另外一端，在光纤传像束的另一端像平面变成了一个个分离的点光源，每个点光源对应一套分光系统，每个点光源处在对应透镜的焦点处，其出射光经过发散透镜准直后变为平行光并分别照射到一个相对应衍射光栅上，不同波长的入射光将会有不同的衍射角，经由衍射光栅反射的激光光束被相对应的会聚透镜会聚并传入带有尾纤的APD探测器，不同波长的反射光被传入不同的APD探测器，后续处理电路对所有APD探测器的信号处理后，可以同时得到三个个波长所对应的距离像和强度像。
工作原理：
光由玻璃介质射入空气时，同时发生反射和折射，折射角大于入射角，随着入射角的增大，反射光线越来越强，折射光线越来越弱，当折射角增大到90°时，折射光线完全消失，只剩下反射光线，这种现象叫做全反射。如图2所示，按照此光学全反射原理，射线在光纤的纤芯和包层的交界面产生全反射，并形成把光闭锁在光纤芯内部向前传播的必要条件，即使经过弯曲的路由光线也不射出光纤之外。为了满足光纤全反射的入射条件，发散透镜的数值孔径NA一定要挑选合适的值。因此光纤传像束可以作为一种像平面采样的方式，将面光源转换为一系列的分离的点光源。
衍射光栅是一种由密集、等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件，分为反射和透射两大类，光栅形成的相关公式为：dsinθ＝nλ。它利用多缝衍射和干涉作用，将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散，再经成像镜聚焦而形成光谱。天文仪器中应用较多的是反射光栅，它的基地是低膨胀系数的玻璃或熔石英，上面镀铝，然后把平行线刻在铝膜上。
光栅色散可用方程m＝C(sini+sinθ)描述，如图3所示，式中i为入射角，θ取正值，为衍射角。当衍射光与入射光在光栅法线同一侧i为正，反之为负；C为光栅常数，为一个整数。当入射角i给定时，对于满足光栅方程的每一个m值，都有相应的级光谱，每个波长的光能量分散在诸光谱级中。现代刻制光栅的技术，能使所有衍射光栅具有严格规定的形状和尺寸。选择适当入射角，可使所需的波长及其临近波段的绝大部分的光能量集中到预定的光谱级中。这种集中光能量的性质成为“闪耀”。起衍射作用的刻线槽面与光栅面的夹角称为闪耀角。具有这种性质的光栅称为闪耀光栅或定向光栅。另一方面，满足不同光谱级次的谱线，在焦面上重叠。光栅角色散，理论分辨本领R＝λ/δλ＝mN。此处δλ为可分辨的最小光谱单元宽度，N为刻线总数。

Claims (1)

1.一种应用于成像激光雷达的光谱分光装置，包括激光器、扩束整形光学系统、衍射光栅、望远接收光学系统，其特征在于：包含光纤传像束、发散透镜、会聚透镜和带尾纤的APD探测器，光纤传像束用于对像平面进行采样，发散透镜用于将光纤传像束中每根光纤的出射光转变成平行光，衍射光栅用于对平行光进行衍射，会聚透镜用于将衍射后的光束分别送入相应的带尾纤APD探测器；
所述激光器能够同时发射三种波长的激光脉冲，三种波长分别为355nm、532nm和1064nm，其脉冲宽度小于15ns，脉冲上升沿小于8ns，重复频率小于1KHz；
所述扩束整形光学系统具有两组镜头，两组镜头分别用于激光束的扩束和整形，扩束使照射光斑面积足够大，整形使光斑光强分部尽量均匀；
所述望远接收光学系统是大口径长焦的折反射式望远接收光学系统，其口径为120mm，焦距为800mm；
所述光纤传像束位于望远接收光学系统的像平面上，是由64根光纤拼接成而成的，其一端为8×8的拼接块，其另一端无需拼接；
所述发散透镜是能够将发散光变成平行光的透镜；
所述衍射光栅为反射式衍射光栅，其为一种由密集的等间距平行刻线构成的光学器件；
所述会聚透镜是能够将平行光变成会聚光的透镜；
所述带尾纤的APD探测器分别为能够探测355nm、532nm和1064nm光波的雪崩光电二极管，并且光电二极管上耦合有光纤；
系统工作步骤为：激光器同时发送带有三种波长的激光光束，激光光束经扩束整形光学系统后照射至目标物，被目标物反射的激光光束经望远接收光学系统接收并成像于光纤传像束的一端，像平面被光纤传像束采样，在光纤传像束的另一端像平面变成了一个个分离的点光源，每个点光源的出射光经发散透镜后变为平行光并照射到一个相对应的衍射光栅上，经衍射光栅反射的激光光束被会聚透镜会聚并传入带有尾纤的APD探测器，不同波长的反射光被传入不同的APD探测器，后续处理电路对所有的信号处理后，可以同时得到三个波长的距离像和强度像。
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