CN106125090A - 一种用于高光谱激光雷达的分光选谱装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于高光谱激光雷达的分光选谱装置，包括闪耀光栅、微镜阵列和APD线阵，闪耀光栅对目标回波进行分光，得到空间连续的单色光并投射到微镜阵列，微镜阵列中的微反射镜通过翻转将不同中心频谱的单色光反射至APD线阵中进行探测，其中，在单行微反射镜翻转的情况下，可以获取最小的分辨率光谱获取，通过控制多行微镜组合翻转，可以获取组合光谱。本发明有效地提高了高光谱激光雷达的光谱分辨率。

Description

一种用于高光谱激光雷达的分光选谱装置

技术领域

本发明属于激光雷达、高光谱成像及目标探测领域，具体涉及一种用于高光谱激光雷达的分光选谱装置。

背景技术

高光谱激光雷达结合了激光雷达和高光谱的优点，在获取目标三维特征的同时，可以获取目标丰富的光谱特征，在农业、森林遥感、目标探测等领域具有广泛的应用前景。高光谱激光雷达采用超连续谱激光作为光源，通过扫描机构将白光激光发射到目标，目标回波经光栅分光，将回波复合光分解为空间单色光，通过阵列探测方案，获取目标多个谱段的光谱信息；同时，高光谱激光雷达通过测时电路，通过测定激光的飞行时间，配合扫描机构角度，实现目标的三维信息获取。

高光谱激光雷达大都采用光栅分光阵列探测的方案。采用超连续谱激光作为光源，采用扫描机构，将超连续谱激光发射到目标，目标回波经光栅分光，将复合光分解为空间单色光，投射到雪崩光电二极管(APD)阵列，实现目标回波的光谱信息探测。同时，采用时刻鉴别电路和计时电路获取激光飞行时间，结合二维扫描角度，获取目标三维信息。在这种方案下，APD阵列的数目直接决定了光谱采集的通道数，受限于APD阵列的规模和光电转换的规模，高光谱激光雷达的光谱分辨率较低，通常仅有十几个通道。

瑞典测地所TeemuHakala等人提出了一种激光雷达方案，并搭建了原理样机，用于目标的光谱和空间信息探测。TeemuHakala等人采用超连续谱激光作为光源，采用商用扫描机构实现二维扫描，采用商用单色仪作为分光元件，采用商用多通道光电探测模块实现光电转换，采用商用数据采集模块实现数据采集，实现了目标的光谱和三维信息探测。TeemuHakala等人搭建的原理样机实现了8通道，450～880nm的目标光谱探测。

武汉大学龚威等人针对高光谱激光雷达光谱分辨率低，难以获取目标特征谱段的问题，采用特征权重法优化特征波长，并结合使用不同的光栅，使所选择的特征谱段都映射到APD通道内，实现了感兴趣特征谱段的获取。这种方法通过更换光栅的方式，可以采集特征谱段的信息，本质上并未提高光谱分辨率；而且，根据不同的谱段需求，需要更换光栅，实现方法较为复杂，且制备特殊需求的光栅较为困难。

在便携式光谱仪领域，采用光栅分光-微镜阵列选谱可以减小由于机械结构带来的光谱误差，且调整、定标较为便捷。通过控制微镜的翻转，每次将特定谱段投射到单一探测器(APD、PMT)焦平面，可以实现光谱的高分辨率获取，但一次探测一个谱段的效率较低，这种方案并不能直接应用于高光谱激光雷达的光谱获取。

重庆大学的温志渝等人提出了一种采用凹面光栅分光，微镜阵列选谱的近红外光谱仪方案，并开展了仿真设计和验证。验证实例表明，温志渝等人的设计满足了像斑规则化的要求，可以使用MOMES微镜进行光谱反射扫描，验证了新型实用化MOMES微镜阵列光谱仪模型的可行性。

中国科学院的翟光杰等人采用闪耀光栅分光-微镜阵列选谱的方法，将分光后的单色光投射到PMT，实现了弱光条件下的高分辨光谱测量。通过控制微镜阵列的翻转，可以实现高分辨率选谱，通过PMT实现微弱光条件下的光谱测量。

在高光谱激光雷达目标探测领域，采用光栅分光-微镜选谱-阵列探测的方法，可以提高光谱获取的分辨率，在不增加传感器通道的情况下，获取特征谱段；且通过微镜翻转选谱的方法，不存在机械扫描部件，具有体积小、重量轻、稳定性好、测量快速等优点。通过控制微镜翻转，在单片微镜翻转的情况下，可以获取最小的分辨率光谱获取；通过控制多片微镜组合翻转，可以实现组合光谱获取；控制多个APD通道映射内的微镜多次翻转，通过多次测量，可以实现全光谱获取。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种用于高光谱激光雷达的分光选谱装置，以解决针现有高光谱激光雷达光谱分辨率低的问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种用于高光谱激光雷达的分光选谱装置，高光谱激光雷达对探测目标投射激光后产生目标回波，分光选谱装置用于对目标回波进行分光和选谱，以探测所述目标回波的光谱信息，分光选谱装置包括闪耀光栅、微镜阵列和APD线阵，其中：闪耀光栅将目标回波分为空间连续的不同中心频谱的单色光，并投射至所述微镜阵列；微镜阵列包括m行可翻转的微反射镜，m行可翻转的微反射镜与m个具有不同中心频谱的单色光对应，微反射镜通过翻转可以不同状态之间转换，其中一个状态能够将相应中心频谱的单色光反射至APD线阵中；APD线阵能够获取所述微镜阵列反射的一束或多束不同中心频谱的单色光，并将该一束或多束不同中心频谱的单色光转换为电信号，以得到目标回波的光谱信息。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.结构上的优化

在现有技术中，提高光谱分辨率的常规方法包括增加APD通道，或者更换闪耀光栅。这种方法实施代价较大，且受限于传感器技术的发展，多通道APD线阵获取较为困难，成本也较高。本发明通过控制微镜阵列的翻转，实现APD通道内光谱的细分，大大提高了光谱的分辨率，实现较为便捷。

2.功能上的改进

本发明采用微镜阵列实现选谱功能，微镜阵列具有可单独控制、翻转速度快的特点，通过控制微镜阵列的翻转，选取特定谱段，反射到APD通道，实现选谱功能。

3.性能的提高

本发明采用微镜阵列选谱的技术方案，由于微镜阵列的行数远远大于APD线阵的通道数，本发明可大大提高光谱的分辨率。而且，通过控制微镜阵列的多行同时翻转，可以实现多个谱段到APD通道的映射，实现组合谱段的获取。单独控制微镜阵列的1行翻转，通过多次测量，可以获取全谱段信息。

附图说明

图1是本发明提供的用于高光谱激光雷达的分光选谱装置的示意图。

图2是本发明中采用微镜阵列进行选谱的示意图。

图3是本发明优选实施方式的示意图。

图4是本发明实施例的工作原理图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于高光谱激光雷达的分光选谱装置，包括闪耀光栅、微镜阵列和APD线阵，闪耀光栅对目标回波进行分光，得到空间连续的单色光，微镜阵列中的微反射镜通过翻转将不同中心频谱的单色光反射至APD线阵中进行探测，其中，在单行微反射镜翻转的情况下，可以实现最小的分辨率光谱获取，通过控制多行微镜组合翻转，可以获取组合光谱。本发明有效地提高了高光谱激光雷达的光谱分辨率。

图1是本发明提供的用于高光谱激光雷达的分光选谱装置的示意图，高光谱激光雷达对探测目标投射激光后产生目标回波，分光选谱装置用于对目标回波进行分光和选谱，以探测所述目标回波的光谱信息，如图1所示，分光选谱装置主要包括闪耀光栅3、微镜阵列4和APD线阵5，其中：

目标回波在进入到闪耀光栅3之前，其为复合光，闪耀光栅3用于将该复合光分为空间连续的单色光，并投射到微镜阵列，闪耀光栅3的刻槽和光栅面具有一定的夹角(闪耀角)，通过在刻槽面进行高密度刻槽，实现单个刻槽面衍射的中央极大和诸槽面间干涉零级主极大分开，具有衍射效率高、光谱分辨率高的特点。

微镜阵列主要包括m行k列结构相同的微反射镜，每个反射镜可单独控制，具体的，m行k列结构相同、一致性较好、可独立翻转的微反射镜采用MEMS工艺集成在一基座上，以形成所述微镜阵。微反射镜通过翻转可以不同状态之间转换，其中一个状态能够将相应中心频谱的单色光反射至APD线阵中，具体的，每个微反射镜具有正、负2个稳定偏转状态，正、负偏转状态的偏转角度相同，在正偏转状态微镜向上偏转，负偏转状态微镜向下偏转。

APD线阵由n个相同结构的雪崩光电二极管组成，APD利用光电二极管的雪崩效应，将微弱光信号转换为电信号，具有光谱范围宽、响应度高的优点。APD线阵能够获取微镜阵列反射的一束或多束不同中心频谱的单色光，并将该一束或多束不同中心频谱的单色光转换为电信号，以得到目标回波的光谱信息。

图2是本发明中采用微镜阵列进行选谱的示意图，如图2所示，微镜阵列4包括m行可翻转的微反射镜，其对应反射中心频谱为λ₁，λ₂…λ_m的空间单色光。APD线阵5包括n个APD通道C₁，C₂…C_n，空间连续单色光入射至相应的微反射镜后，再反射至相应的APD通道，每个APD通道对应于微镜阵列中的连续m/n行微反射镜。也就是说，通过控制m行微镜的偏转，可以将m个中心频谱分n组投射到APD线阵，实现选谱功能。如此，C₁表示的APD通道可接受中心频谱为λ₁～λ_n的空间单色光、C₂表示的APD通道可接受中心频谱为λ_n+1～λ_2n的空间单色光…C_n表示的APD通道可接收中心频谱为λ_m-n+1～λ_m的空间单色光。每个APD通道可将该通道接收的多束空间单色光合成，并经过光电转换为电信号。

另外，由于每个微反射镜可翻转，即中心频谱为λ₁，λ₂…λ_m的空间单色光是可选择性地投射至相应的APD通道中。例如，通过控制微反射镜的翻转，使每个APD通道仅接收一行微反射镜反射的一束单色光，这样就实现最大的光谱分辨率。又例如，通过控制微反射镜的翻转，使每个APD通道接收多个微反射镜反射的多束单色光，这样就实现多种光谱的组合探测。

图3是本发明优选实施方式的示意图，如图3所示，分光选谱装置还包括柱面镜1和视场光阑2，视场光阑2置于所述闪耀光栅的光路前，用于对闪耀光栅进行遮光。柱面镜1置于视场光阑的光路前，用于将目标回波从圆光斑转换为线光斑，柱面镜具体可采用平凸柱面镜，适用光谱为可见光和近红外光。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图4是本发明实施例的工作原理图，如图4所示，高光谱激光雷达包括除了包括本发明的分光选谱装置(柱面镜1、视场光阑2、闪耀光栅3、微镜阵列4和APD线阵5)之外，还包括超连续谱激光器6、抛物面镜7、转折反射镜8、二维扫描机构9。其中，微镜阵列4为1024行768列，即有1024行微反射镜，每行微反射镜有768个微反射镜，在本实施例中，以行为控制单位，每行的768个微反射镜同时偏转。其中，APD线阵为16通道，线阵中的每个APD结构相同，一致性较好。其中，超连续谱激光器6为白光激光，具有光谱范围宽，光谱功率谱平滑的优点。其中，抛物面镜8为凹反射镜，实现目标回波的汇聚和收集。其中，转折反射镜8为平面反射镜，实现汇聚后目标回波的反射转折，具有反射率高的优点。其中，二维扫描机构包括X轴和Y轴振镜，实现二维扫描功能。

上述实施例的工作原理如下：

超连续谱激光器6发射一束超连续谱白光激光，经二维扫描机构9投射到探测目标10；目标反射回波经二维扫描机构9和抛物面镜7、转折反射镜8汇聚到柱面镜1。

柱面镜1将目标回波圆光斑转换为线光斑；视场光阑2实现遮光功能；闪耀光栅3将复合光转化为空间连续单色光，反射到微镜阵列4中的1024行微反射镜中；微镜阵列4实现选谱功能，通过控制微镜的翻转，选择特定谱段，反射到APD线阵5。具体的，微镜阵列优选2种翻转方式：第1种方式，通过控制微反射镜的翻转，使每个APD通道仅接收一行微反射镜反射的一束单色光，实现光谱分辨率的64倍(1024/16＝64)提高；第2种方式，每个APD通道选取不同的微镜翻转，实现多种光谱的组合探测。例如，如果要获取全部1024束空间单色光的光谱，则每次选取APD通道对应的微镜阵列1行翻转，通过64次测量，即可以获取全光谱(1024个谱段)的光谱探测。APD线阵实现多路光电转换功能；光电转换后的多路信号经信号调理和数据采集模块11，传输到计算机12，实现光谱数据获取。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于高光谱激光雷达的分光选谱装置，所述高光谱激光雷达对探测目标投射激光后产生目标回波，所述分光选谱装置用于对所述目标回波进行分光和选谱，以探测所述目标回波的光谱信息，其特征在于，所述分光选谱装置包括闪耀光栅、微镜阵列和APD线阵，其中：

所述闪耀光栅将所述目标回波分为空间连续单色光，并投射至所述微镜阵列；

所述微镜阵列包括m行k列可翻转的微反射镜，所述微反射镜通过翻转可以在不同状态之间转换，其中一个状态能够接收空间连续单色光，并将相应中心频谱的单色光反射至所述APD线阵中；

所述APD线阵能够获取所述微镜阵列反射的一束或多束不同中心频谱的单色光，并将该一束或多束不同中心频谱的单色光转换为电信号，以得到所述目标回波的光谱信息。

2.根据权利要求1所述的用于高光谱激光雷达的分光选谱装置，其特征在于，所述APD线阵包括n个APD通道，每个APD通道对应于所述微镜阵列中的连续m/n行微反射镜，每个通道能够获取对应m/n行微反射镜反射的一束或多束不同中心频谱的单色光，并将该一束或多束不同中心频谱的单色光转换为电信号，其中，m远大于n。

3.根据权利要求1所述的用于高光谱激光雷达的分光选谱装置，其特征在于，还包括一视场光阑，其置于所述闪耀光栅的光路前，用于对所述闪耀光栅进行遮光。

4.根据权利要求3所述的用于高光谱激光雷达的分光选谱装置，其特征在于，还包括一柱面镜，其置于所述视场光阑的光路前，用于将所述目标回波从圆光斑转换为线光斑。

5.根据权利要求1所述的用于高光谱激光雷达的分光选谱装置，其特征在于，所述m行k列可翻转的微反射镜采用MEMS工艺集成在一基座上，每个微反射镜具有相同的结构并可单独控制，以形成所述微镜阵列。