CN108398695B

CN108398695B - 一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统

Info

Publication number: CN108398695B
Application number: CN201810034755.1A
Authority: CN
Inventors: 李端; 李小路; 徐立军; 刘畅; 谢鑫浩
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: CN108398695A

Abstract

本发明公开了一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统，系统基于接收端光纤色散实现目标高精度测距和宽波段反射光谱特性的高分辨率主动获取。高光谱激光雷达系统包括上位机、激光发射单元、高精度测距单元、回波接收单元和光谱数据获取单元。上位机实现系统整体控制和数据读取。激光发射单元实现所发射激光脉冲光谱段的选择。回波接收单元实现激光回波的收集和分束。高精度测距单元实现目标距离的精确测量。光谱数据获取单元实现目标宽波段反射光谱数据的获取。本发明所述激光雷达系统突破了常规激光雷达只能测量目标距离和目标单一波长反射特性的限制，实现目标宽光谱段反射光谱特性主动高分辨率获取，有效增强了激光雷达的探测能力和探测精度。

Description

一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统

技术领域

本发明涉及到激光雷达测量领域，尤其是一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是一种新型主动遥感技术。激光雷达通过向待测目标发射短时激光脉冲，测量由目标反射或散射激光脉冲与发射激光脉冲之间的时间差，根据距离与光速和时间差之间的关系得到待测目标与激光雷达之间的距离。此外，现有激光雷达系统采用峰值测量技术或高速数据采集技术，还可以得到由目标反射或散射的激光脉冲的峰值或波形数据，进而采用先进的信号处理方法和标定技术，激光雷达还可以得到目标针对发射激光波长的反射特性。为实现目标三维测量，在激光雷达系统中加入扫描装置或将激光雷达放置于运动平台上，激光雷达可以完成对目标表面的扫描，得到目标表面各照射点与激光雷达之间的距离。进而将距离数据与扫描角数据、激光雷达的位置和姿态数据相融合，通过数据结算可以得到被测目标被照射点在同一坐标系下的坐标数据。进而采用建模与分类方法，可获得目标的数字表面模型和数字高程模型，完成对目标三维结构的测量和目标表面单一波长下的反射特性分布。然而，随着精细化测量需求的提高，要求激光雷达系统不仅能获取目标的三维结构信息和单一波长下的反射特性信息，而且能得到目标的反射光谱特性，实现包含目标三维结构信息和光谱信息的多维信息获取，从而完成目标的精细化测量。本文针对激光雷达精细化测量需求，提出一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统，所述激光雷达系统将激光雷达技术与光纤技术相结合，实现了目标高精度距离信息和宽波段高分辨率光谱信息的获取。

发明内容

本发明公开了一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统，实现目标高精度距离数据和宽波段高分辨率光谱数据的同步获取，目的在于提高激光雷达的测量能力和测量精度。

所述激光雷达系统利用光纤的材料色散特性在接收端对接收到的宽光谱激光脉冲进行色散，实现被测目标距离高精度测量及目标宽波段反射光谱特性高分辨率主动测量，所述激光雷达系统包括上位机、激光发射单元、回波接收单元、高精度测距单元和光谱数据获取单元，所述激光发射单元包括超连续激光器、可调滤波器、光纤准直器和高分光比分光元件，所述回波接收单元包括远心镜头和分光元件，所述高精度测距单元包括触发探测器、触发时刻鉴别模块、测距模块、聚焦镜、测距探测器和回波时刻鉴别模块，所述光谱数据获取单元包括激光光纤耦合器、光纤色散模块、光纤接头光电探测器和高速数据采集卡，所述上位机控制超连续激光器发射宽光谱激光脉冲，所发射宽光谱激光脉冲入射到可调滤波器，可调滤波器在上位机的控制下，根据待测目标的光谱特性滤除宽光谱激光脉冲中无用光谱段的激光脉冲，实现宽光谱激光脉冲光谱的选择，滤完波的激光脉冲经光纤准直器输出，光纤准直器用于光纤输出激光脉冲的准直，减小激光脉冲的发散角，提高测量距离，准直后的激光脉冲入射到高分光比分光元件，高分光比分光元件将准直后的激光脉冲分为低能量激光脉冲和高能量激光脉冲，低能量激光脉冲入射到高精度测距单元中的触发探测器，触发探测器将低能量激光脉冲转换为触发信号，触发信号经触发时刻鉴别模块整形，触发时刻鉴别模块用于减小触发信号幅值抖动所引起的触发时刻抖动，提高触发时刻的精度，从而提高测距精度，整形后的触发信号被称为开始计时信号，开始计时信号触发测距模块开始计时，高能量激光脉冲经回波接收单元中远心镜头上的反射棱镜反射照向目标，当激光脉冲照射到目标时，一部分激光脉冲经目标反射或散射，经目标反射或散射的激光脉冲被回波接收单元中的远心镜头收集，所收集的激光脉冲经分光元件分为距离测量光束和光谱测量光束，距离测量光束经高精度测距单元中的聚焦镜聚焦入射到测距探测器的光敏面上，测距探测器将聚焦后的距离测量光束转换为距离测距回波信号，测距回波信号经回波时刻鉴别模块整形，回波时刻鉴别模块用于减小测距回波信号幅值抖动和波形畸变所以引起的回波时刻的抖动，从而提高测量距离，整形后的测距回波信号被称为停止计时信号，停止计时信号触发测距模块停止计时，测距模块通过测量开始计时信号和停止计时信号之间的时间间隔，得到激光脉冲往返于激光雷达系统和目标之间的飞行时间，基于距离与光速和飞行时间之间的关系，得到目标与激光雷达系统之间的距离，光谱测量光束经光谱数据获取单元中的激光光纤耦合器耦合进光纤，并由光纤传输到光纤色散模块，由于光纤色散模块中的光纤对不同波长的激光脉冲具有不同折射率，折射率的不同导致不同波长的激光脉冲在光纤中具有不同的传输速度，因此不同波长的激光脉冲经过相同长度的光纤后，由于传输速度的不同，不同波长激光脉冲到达光纤色散模块出口的时间不同，因此光纤色散模块可以将将不同波长的激光脉冲在时域上进行展开，实现了不同波长激光脉冲的分离，由于光纤折射率是波长的连续函数，不同波长激光脉冲的时域展开也属于连续变化，因此实现宽光谱激光脉冲在时域的连续展开，实现高分辨率光谱展开，展开后的激光脉冲经光纤传输到光纤接头光电探测器，经光纤接头光电探测器转换为光谱回波电信号，光谱回波电信号经高速数据采集卡采集并上传到上位机，从而实现目标宽波段反射光谱数据的高分辨率获取，目标距离数据与光谱数据相结合实现目标结构与光谱特性的测量；

回波接收单元采用远心镜头收集目标散射或反射的激光脉冲并进行光斑直径压缩，将收集到的激光脉冲光束转换为小光斑准直光束输出，所述小光斑准直光束被分光元件分为距离测量光束和光谱测量光束，所述光谱测量光束经光谱数据获取单元中的激光光纤耦合器耦合进光纤色散模块，进而利用光纤色散模块中光纤的材料色散特性，将宽光谱激光脉冲在时域上根据波长进行连续展开，实现宽光谱激光脉冲的光谱分离，光谱分离后的激光脉冲经光纤传输到光纤接头光电探测器，光纤接头光电探测器将光谱分离后的激光脉冲转换为随时间变化的电压信号，所述电压信号被高速数据采集卡采集并经数据总线上传到上位机，上位机将采集到的数据进行存储和处理，由于采集到的电压信号包含了目标针对宽光谱的反射信息，从而实现目标宽光谱反射特性的高分辨率测量；

发射单元中可调滤波器，光谱数据获取单元中的光纤接头光电探测器和光纤色散模块相配合，实现待测量光谱段的灵活选择，系统开始工作之前，使用者根据待测目标特性选择所要测量的光谱段，根据所选择的光谱段对可调滤波器进行设置，使所待测光谱段的激光脉冲可以通过可调滤波器，其余光谱段的激光脉冲被可调滤波器滤除，另外选择光谱响应范围包含所选择光谱段的光纤接头光电探测器和色散曲线包含所选择光谱段的光纤色散模块，进一步将选择的光纤接头光电探测器和光纤色散模块安装于系统中，光纤色散模块和光纤接头光电探测器均以光纤连接，系统组装灵活，可调滤波器、光纤接头光电探测器和光纤色散模块相配合实现待测光谱段的灵活选择和采集。

附图说明

图1是一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统简图；

图2是一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统框图。

具体实施方式

图2为基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统框图。如图2所示，激光雷达系统开始工作之前，使用者首先根据所要测量目标的光谱特性，选择激光雷达系统输出激光脉冲所包含的光谱段。其次，根据选择的光谱段，在上位机上设置激光发射单元中可调滤波器的通带与阻带。另外，选择光谱响应曲线覆盖所选择光谱段的光纤接头光电探测器和色散特性覆盖所选择光谱段的光纤色散模块。并通过光纤将选择的光纤接头光电探测器和光纤色散模块连接到系统的光谱数据获取单元。另外，根据测量距离和测量速度，在上位机上设置超连续激光器所发射激光脉冲的重复频率和所发射激光脉冲的能量。系统开始工作后，上位机根据设置控制超连续激光器发射宽光谱、窄脉宽和一定重复频率的激光脉冲。所发射激光脉冲入射到可调滤波器，可调滤波器根据上位机的设置滤除宽光谱激光脉冲中无用波段的激光脉冲，使所发射激光脉冲中只含有使用者所选择光谱段的激光脉冲。滤完波的激光脉冲经光纤准直器准直入射到高分光比分光元件。光纤准直器用于可调滤波器光纤端口所输出激光脉冲的准直，减小光纤端口所输出激光脉冲光束的发散角，提高所输出激光脉冲光斑内的光功率密度，从而提高测量距离。高分光比分光元件将准直后的激光脉冲分为低能量激光脉冲和高能量激光脉冲。低能量激光脉冲入射到高精度测距单元中的触发探测器。触发探测器将低能量激光脉冲转换为触发信号，触发信号经触发时刻鉴别模块整形，整形后的触发信号触发测距模块开始计时。触发时刻鉴别模块用于减小触发信号的上升时间，同时减小触发信号幅值变化对触发信号上升时间的影响，提高触发上升沿的稳定性，从而提高测距模块开始计时时刻的精度。

高能量激光脉冲入射到回波接收单元中远心镜头上反射棱镜上，高能量激光脉冲经反射棱镜反射照向目标。当激光脉冲照射到目标时，一部分激光脉冲被目标反射或散射。位于远心镜头视场角中的反射或散射激光脉冲被远心镜头收集。远心镜头将收集到的激光脉冲转换为小光斑平行光束入射到分光元件。分光元件将接收到的激光脉冲分为距离测量光束和光谱测量光束。距离测量光束入射到高精度测距单元中的聚焦镜，聚焦镜将距离测量光束聚焦到测距探测器的光敏面上。测距探测器将聚焦后的距离测量光束转换为测距回波信号。测距回波信号经回波时刻鉴别模块调理，调理后测距回波信号触发测距模块停止计时。回波时刻鉴别模块用于测距回波信号调理，从测距回波信号中准确提取回波时刻，减小测距回波信号幅值抖动和测距回波信号波形变化对停止计时时刻的影响，从而提高测距模块停止计时的精度。测距模块通过测量开始计时信号和停止计时信号之间的时间差，得到发射激光脉冲往返于激光雷达系统和目标之间的飞行时间并经数据总线将测量得到的飞行时间上传到上位机。

由分光元件分光得到的光谱测量光束经激光光纤耦合器耦合进光纤，并由光纤传输到光纤色散模块。由于光纤色散模块中的光纤对于不同波长的激光脉冲具有不同的折射率，根据折射率与激光脉冲传播速度的关系可知，不同波长的激光脉冲在光纤中具有不同的传播速度。对于同一长度的光纤，不同波长的激光脉冲由于传播速度的不同，导致不同波长激光脉冲从光纤色散模块出射的时间不同，实现不同波长激光脉冲在时间上的分离，从而实现宽光谱激光脉冲的光谱分离。另外，由于光纤色散模块中，光纤的折射率是激光波长的连续函数，因此宽光谱激光脉冲中不同波长激光脉冲的传播速度是连续变化的，从而实现宽光谱激光脉冲光谱的连续展开，实现光谱的高分辨率分离。分离后的激光脉冲经光纤传输到光纤接头光电探测器，光纤接头光电探测器将分离的激光脉冲信号转换为电压信号。电压信号被高速数据采集卡采集并将采集到的电压信号经数据总线上传到上位机。由于电压信号中不同时刻的电压值反映了目标对于不同波长激光脉冲的反射特性，因此对采集到的电压信号进行处理，可以完成对目标宽波段反射光谱数据的高分辨率获取。

上位机基于激光脉冲传输距离与激光脉冲飞行速度和飞行时间的关系，通过对飞行时间进行解算，并对解算的距离值进行标定，从而完成被照射目标与激光雷达系统之间距离的高精度测量。另外，上位机对采集到的与目标反射光谱特性有关的电压信号进行处理，得到仅与目标反射特性有关的光谱信息，完成目标宽波段反射光谱特性的高分辨率测量。最终实现目标距离和目标宽波段反射光谱特性的多维信息获取，完成目标精细化测量。

以上所述，仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的变化都将包括在权利要求的范围之内。

Claims

1.一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统利用光纤的材料色散特性在接收端对接收到的宽光谱激光脉冲进行色散，实现被测目标距离高精度测量及目标宽波段反射光谱特性高分辨率主动测量；所述激光雷达系统包括上位机、激光发射单元、回波接收单元、高精度测距单元和光谱数据获取单元；所述激光发射单元包括超连续激光器、可调滤波器、光纤准直器和高分光比分光元件；所述回波接收单元包括远心镜头和分光元件；所述高精度测距单元包括触发探测器、触发时刻鉴别模块、测距模块、聚焦镜、测距探测器和回波时刻鉴别模块；所述光谱数据获取单元包括激光光纤耦合器、光纤色散模块、光纤接头光电探测器和高速数据采集卡；所述上位机控制超连续激光器发射宽光谱激光脉冲；所发射宽光谱激光脉冲入射到可调滤波器；可调滤波器在上位机的控制下，根据待测目标的光谱特性滤除宽光谱激光脉冲中无用光谱段的激光脉冲，实现宽光谱激光脉冲光谱的选择；滤完波的激光脉冲经光纤准直器输出；光纤准直器用于光纤输出激光脉冲的准直，减小激光脉冲的发散角，提高测量距离；准直后的激光脉冲入射到高分光比分光元件；高分光比分光元件将准直后的激光脉冲分为低能量激光脉冲和高能量激光脉冲；其中，低能量激光脉冲入射到高精度测距单元中的触发探测器；触发探测器将低能量激光脉冲转换为触发信号；触发信号被触发时刻鉴别模块整形；触发时刻鉴别模块用于减小触发信号幅值抖动所引起的触发时刻抖动，提高触发时刻的精度，从而提高测距精度；整形后的触发信号被称为开始计时信号；开始计时信号触发测距模块开始计时；其中，高能量激光脉冲经回波接收单元中远心镜头上的反射棱镜反射照向目标；当激光脉冲照射到目标时，一部分激光脉冲经目标反射或散射；经目标反射或散射的激光脉冲被回波接收单元中的远心镜头收集；所收集的激光脉冲经分光元件分为距离测量光束和光谱测量光束；距离测量光束经高精度测距单元中的聚焦镜聚焦入射到测距探测器的光敏面上；测距探测器将聚焦后的距离测量光束转换为距离测距回波信号；测距回波信号经回波时刻鉴别模块整形；回波时刻鉴别模块用于减小测距回波信号幅值抖动和波形畸变所以引起的回波时刻抖动，从而提高测量距离精度；整形后的测距回波信号被称为停止计时信号；停止计时信号触发测距模块停止计时；测距模块通过测量开始计时信号和停止计时信号之间的时间间隔，得到激光脉冲往返于激光雷达系统和目标之间的飞行时间，基于距离与光速和飞行时间之间的关系，得到目标与激光雷达系统之间的距离；光谱测量光束经光谱数据获取单元中的激光光纤耦合器耦合进光纤；并由光纤传输到光纤色散模块；由于光纤色散模块中的光纤对不同波长的激光脉冲具有不同折射率；折射率的不同导致不同波长的激光脉冲在光纤中具有不同的传输速度；当不同波长的激光脉冲经过相同长度的光纤后，由于传输速度的不同，不同波长激光脉冲到达光纤色散模块出口的时间不同，实现不同波长激光脉冲的分离；由于光纤折射率是波长的连续函数，不同波长激光脉冲的时域展开也属于连续变化；因此，光纤色散模块实现宽光谱激光脉冲在时域的连续高分辨率光谱展开；展开后的激光脉冲经光纤传输到光纤接头光电探测器；光纤接头光电探测器将展开后的激光脉冲信号转换为光谱回波电信号；光谱回波电信号被高速数据采集卡采集；高速数据采集卡将采集到数据上传到上位机，从而实现目标宽波段反射光谱数据的高分辨率获取；目标距离数据与反射光谱数据相结合实现目标结构与光谱特性的测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统，其特征在于，回波接收单元采用远心镜头收集目标散射或反射的激光脉冲并进行光斑直径压缩，将收集到的激光脉冲光束转换为小光斑准直光束输出；所述小光斑准直光束被分光元件分为距离测量光束和光谱测量光束；所述光谱测量光束经光谱数据获取单元中的激光光纤耦合器耦合进光纤色散模块，利用光纤色散模块中光纤的材料色散特性，将宽光谱激光脉冲在时域上根据波长进行连续展开，实现宽光谱激光脉冲的光谱分离；光谱分离后的激光脉冲经光纤传输到光纤接头光电探测器；光纤接头光电探测器将光谱分离后的激光脉冲转换为随时间变化的电压信号；所述电压信号被高速数据采集卡采集并经数据总线上传到上位机；上位机将采集到的数据进行存储和处理；由于采集到的电压信号包含了目标针对宽光谱的反射信息，从而实现目标宽光谱反射特性的高分辨率测量。

3.根据权利要求1所述的一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统，其特征在于，所述发射单元中可调滤波器，光谱数据获取单元中的光纤接头光电探测器和光纤色散模块相配合，实现待测量光谱段的灵活选择；系统开始工作之前，使用者根据待测目标特性选择所要测量的光谱段；根据所选择的光谱段对可调滤波器进行设置，使待测光谱段的激光脉冲可以通过可调滤波器，其余光谱段的激光脉冲被可调滤波器滤除；另外选择光谱响应范围包含所选择光谱段的光纤接头光电探测器和色散曲线包含所选择光谱段的光纤色散模块，将选择的光纤接头光电探测器和光纤色散模块安装于系统中；光纤色散模块和光纤接头光电探测器均以光纤连接，系统组装灵活；可调滤波器、光纤接头光电探测器和光纤色散模块相配合实现待测光谱段的灵活选择和采集。