CN108415030A - 一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统 - Google Patents

一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统，激光雷达系统基于发射端光强分光和光纤色散实现目标高精度测距和目标可见光‑近红外波段反射光谱信息的高分辨率主动获取。激光雷达系统包括上位机、发射单元、接收单元、测距单元和光谱测量单元。上位机实现发射单元、测距单元和光谱测量单元的控制与数据读取。发射单元将发射激光脉冲分为测距激光脉冲与光谱测量激光脉冲，并实现两束激光脉冲的同轴发射。接收单元实现目标散射激光回波的收集，以及距离测量光束与光谱测量光束的分离。测距单元实现目标距离的精确测量。光谱测量单元实现目标可见光‑近红外波段光谱数据获取。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单波长反射特性的限制，有效增强了激光雷达的探测能力。

Description

一种基于光强分光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，尤其是一种基于光强分光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，被广泛应用于地形测绘、农业/林业监测、冰层监测、考古、文物保护、三维建模、大气/海洋监测等领域。激光雷达通过向被测目标发射短时单波长激光脉冲，并测量所发射激光脉冲往返于被测目标与激光雷达系统之间的时间。根据目标距离与激光脉冲传播速度和激光脉冲飞行时间的关系得到激光雷达与目标之间的距离。此外，基于峰值采样技术或全波形获取技术，激光雷达还可以测量目标针对所发射激光脉冲的反射或散射特性。随着扫描技术、姿态与位置测量技术发展，通过在激光雷达系统中加入扫描装置或将激光雷达系统放置于运动平台上，激光雷达可以完成对目标表面的扫描，得到目标表面各点与激光雷达系统之间的距离。最后，综合扫描角数据、目标表面各点的距离数据、激光雷达所处运动平台的位置和姿态数据，采用先进的信号处理、数据融合和三维建模方法，可以得到被测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针对单一波长的反射特性测量。然而，随着应用需求的提高，要求激光雷达系统不仅能获取目标的三维结构信息，同时能得到目标宽波段高分辨率的光谱信息，实现目标三维结构信息和光谱信息的多维数据获取，完成目标的精细化测量。本文针对应用需求，提出一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统，所述激光雷达系统将光强分光技术、光学滤波技术、光纤色散技术、宽波段探测技术与激光雷达技术相结合，实现了目标距离的高精度测量和目标宽波段反射光谱特性的高精度主动获取。
发明内容
本发明公开了一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统，实现目标距离信息和宽波段光谱信息的同步高精度获取，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强分束器在发射端对超连续激光器输出的激光脉冲进行光强分光，同时利用光纤的材料色散特性对激光脉冲进行色散，最终实现被测目标距离高精度测量，以及被测目标可见光-近红外波段反射光谱特性高分辨率测量，所述激光雷达系统包括上位机、发射单元、接收单元、测距单元和光谱测量单元，所述发射单元包括超连续激光器、两个光强分束器、激光光纤耦合器、光纤色散模块、光纤准直器、短波通滤光片、空间光准直器、长波通滤光片、长/短波二向色镜1和触发探测器，所述接收单元包括望远镜和长/短波二向色镜2，所述测距单元包括测距探测器和测距电路，所述光谱测量单元包括可见光/近红外二向色镜、Si-APD探测器、InGaAs-APD探测器和高速双通道数据采集卡，所述上位机控制超连续激光器发射宽光谱短时激光脉冲，所述宽光谱短时激光脉冲经两个光强分束器分为三束，第一束激光脉冲被触发探测器转换为触发信号，所述触发信号触发测距单元中的测距电路开始计时，第二束激光脉冲经激光光纤耦合器耦合进光纤色散模块，光纤色散模块对激光脉冲进行色散，色散后的激光脉冲经光纤准直器准直，准直后的激光脉冲入射到短波通滤光片，短波通滤光片滤除激光脉冲中的长波段激光脉冲得到用于光谱测量的光谱测量激光脉冲，光谱测量激光脉冲入射到长/短波二向色镜1的透射面上，第三束激光脉冲经空间光准直器准直后入射到长波通滤光片，长波通滤光片滤除激光脉冲中的短波段激光脉冲得到用于距离测量的测距激光脉冲，测距激光脉冲入射到长/短波二向色镜1的反射面，长/短波二向色镜1将透射面上的光谱测量激光脉冲与反射面上的测距激光脉冲进行合束，合束后的激光脉冲入射到接收单元中望远镜的反射镜上，合束后的激光脉冲经反射镜反射照向目标，当激光脉冲照射到目标时，激光脉冲中的一部分被目标反射或散射，经目标反射或散射的激光脉冲经接收单元中的望远镜收集并准直，准直后的激光脉冲入射到接收单元中的长/短波二向色镜2，长/短波二向色镜2将准直后的激光脉冲分为测距光束和光谱测量光束，所述测距光束入射到测距单元中的测距探测器，经测距探测器转换为停止信号，停止信号触发测距电路停止计时，测距电路测量触发信号与停止信号之间的时间间隔并将测量到的时间间隔上传到上位机，上位机根据激光脉冲飞行距离与激光脉冲传播速度和所测量时间间隔的关系，通过数据解算完成对目标距离的测量，光谱测量光束入射到光谱测量单元中的可见光/近红外二向色镜，可见光/近红外二向色镜将光谱测量光束分为可见光光束和近红外光束，可见光光束被Si-APD探测器转换为可见光电信号，可见光电信号被高速双通道数据采集卡0通道采集，近红外光束被InGaAs-APD探测器转换为近红外电信号，近红外电信号被高速双通道采集卡的1通道采集，高速双通道数据采集卡采集到的数据由上位机读取、存储和处理，完成目标可见光-近红外波段反射光谱特性的测量，综上，测距单元实现目标距离的测量，光谱测量单元实现目标可见光-近红外波段反射光谱特性的测量，两者相结合，从而实现目标被照射点与激光雷达系统之间的距离，以及被照射点反射光谱特性的同时测量。
所述发射单元采用两个光强分束器将发射激光脉冲分为三束，并采用短波通滤光片提取其中一束发射激光脉冲中的短波段激光脉冲用于目标光谱特性测量，该激光脉冲被称为光谱测量激光脉冲。另外采用长波通滤光片提取其中另一束激光脉冲中的长波段激光脉冲用于目标距离测量，该激光脉冲被称为测距激光脉冲。同时借助于长/短波二向色镜实现光谱测量激光脉冲与测距激光脉冲的合束，并采用接收单元中望远镜上的反射镜实现光谱测量激光脉冲与测距激光脉冲的同轴出射，从而保证光谱测量激光脉冲与测距激光脉冲照射到目标的同一位置。最终实现目标被照射位置与激光雷达系统之间距离和目标被照射位置反射光谱的同时测量。
所述发射单元利用光纤的材料色散特性，采用光纤色散模块实现宽光谱短时激光脉冲的光谱展开，将宽光谱短时激光脉冲在时域上重叠的光谱信息在时域上进行展开，将不同波长的光强转换为不同时刻的光强，进而借助于光电探测器将光信号转换为电压信号，不同时刻的电压信号对应于不同波长的光强，最后借助于高速双通道数据采集卡实现电压信号的采集，完成目标光谱特性的测量。
所述接收单元采用望远镜收集目标散射回波，并采用长/短波二向色镜将收集到的激光脉冲分为测距光束和和光谱测量光束，实现用于目标距离测量的激光脉冲与用于目标光谱测量的激光脉冲在接收端的分离，从而实现目标距离与目标反射光谱特性的同时测量。
所述光谱测量单元采用可见光/近红外二向色镜将目标散射的光谱测量光束分为可见光波段光束和近红外波段光束，并分别采用Si-APD探测器和InGaAs-APD探测器实现可见光波段和近红外波段光束的光电转换，进而借助于高速双通道数据采集卡采集可见光波段和近红外波段的光谱数据，从而实现被测目标可见光和近红外波段的光谱特性测量。
附图说明
图1是一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统简图。
图2是一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统框图。
具体实施方式
如图2所示，激光雷达系统工作过程中，上位机控制超连续激光器发射光谱范围400-2400nm，脉冲宽度80ps，重复频率0.1-80MHz可调的激光脉冲。所发射激光脉冲经发射单元中的光强分束器1分为光强比为90:10的激光脉冲，分别称为90％激光脉冲和10％激光脉冲。10％激光脉冲被光强分束器2再一次分为光强比90:10的激光脉冲，分别称为9％和1％激光脉冲。为了表达方便，1％激光脉冲被称为第一束激光脉冲，90％激光脉冲被称为第二束激光脉冲，9％激光脉冲被称为第三束激光脉冲。第一束激光脉冲被触发探测器转换为触发信号，触发信号触发测距单元中的测距电路开始计时。第二束激光脉冲被光纤色散模块色散，将光强在时间上重合的宽光谱激光脉冲在时间上按照波长进行展开，从而将光谱信息转换为随时间连续变化的光强信息。被展开的激光脉冲经光纤准直器准直，光纤准直器的目的是减小激光脉冲的发散角，使激光脉冲光束能量更加集中从而提高测量距离。准直后的激光脉冲经1700nm短波通滤光片滤光，滤光后的激光脉冲中只含有400-1700nm波段的激光脉冲信号，400-1700nm波段激光脉冲信号用于目标反射光谱测量，被称为光谱测量激光脉冲。400-1700nm激光脉冲入射到1800nm长/短波二向色镜1的透过面。利用1800nm长/短波二向色镜1的短波透射特性，400-1700nm波段的激光脉冲透过1800nm长/短波二向色镜1入射到望远镜中的反射镜上。第三束激光脉冲经空间光准直器准直，空间光准直器的目的与光纤准直器一样，也是为了提高测量距离。准直后的激光脉冲入射到2000nm长波通滤光片，滤完光的激光脉冲中只含有2000-2400nm波段的激光脉冲信号。2000-2400nm波段激光脉冲信号用于目标距离测量，被称为测距激光脉冲。2000-2400nm激光脉冲入射到1800nm长/短波二向色镜1的反射面。利用1800nm长/短波二向色镜1的长波段反射特性，2000-2400nm激光脉冲经1800nm长/短波二向色镜1反射，同样入射到望远镜的反射镜上。实现400-1700nm光谱测量激光脉冲与2000-2400nm距离测量激光脉冲的同轴输出，实现光谱测量激光脉冲与距离测量激光脉冲照射于目标的同一位置，实现目标被照射位置与激光雷达系统之间距离的测量，以及该位置400-1700nm波段光谱反射特性的测量。
当光谱测量激光脉冲与距离测量激光脉冲入射到被测目标时，光谱测量激光脉冲与距离测量激光脉冲在目标表面发生反射或散射。光谱测量激光脉冲与距离测量激光脉冲中的一部分被目标反射或散射，被反射或散射的激光脉冲被望远镜收集。由望远镜收集的激光脉冲入射到1800nm长/短波二向色镜2。利用1800nm长/短波二向色镜2的长波透射与短波反射特性，将望远镜收集的激光脉冲分为2000-2400nm测距光束和400-1700nm光谱测量光束，实现测距光束与光谱测量光束的分离。测距光束进入到测距单元，被测距单元中的测距探测器转换为停止信号。停止信号触发测距电路停止计时。测距电路测量触发信号与停止信号之间的时间间隔，并将时间间隔数据经数据总线上传到上位机。上位机基于飞行时间测距原理，通过数据解算，最终得到目标被照射点与激光雷达系统之间的距离。光谱测量光束入射到光谱测量单元，为实现目标400-1700nm宽波段光谱特性的测量。光谱测量光束被950nm可见光/近红外二向色镜分为400-900nm光束和990-1700nm光束。400-900nm光束被Si-APD探测转换为电信号被高速双通道数据采集卡的0通道采集，990-1700nm光束被InGaAs-APD探测器转换为电信号被高速双通道数据采集卡的1通道采集，从而实现目标400-1700nm宽波段反射光谱信息的采集，采集到的光谱数据经数据总线上传到上位机。
上位机基于距离与光速和时间的关系，对时间间隔进行解算，完成目标距离的测量。同理，上位机对采集到的可见光与近红外光谱数据进行标定，得到仅与目标特性有关的光谱数据，从而完成目标光谱特性测量。最终实现目标同一位置与激光雷达系统之间距离，以及目标该位置处可见光和近红外反射光谱信息的多维信息获取，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 (5)

1.本发明公开了一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统在发射端对超连续激光器输出的宽光谱短时激光脉冲进行光强分光，并利用光纤的材料色散特性对宽光谱短时激光脉冲进行色散，实现被测目标距离高精度测量，以及被测目标可见光-近红外波段反射光谱特性高分辨率测量；所述激光雷达系统包括上位机、发射单元、接收单元、测距单元和光谱测量单元；所述发射单元包括超连续激光器、两个光强分束器、激光光纤耦合器、光纤色散模块、光纤准直器、短波通滤光片、空间光准直器、长波通滤光片、长/短波二向色镜1和触发探测器；所述接收单元包括望远镜和长/短波二向色镜2，所述测距单元包括测距探测器和测距电路；所述光谱测量单元包括可见光/近红外二向色镜、Si-APD探测器、InGaAs-APD探测器和高速双通道数据采集卡；所述上位机控制超连续激光器发射宽光谱短时激光脉冲；所述宽光谱短时激光脉冲经两个光强分束器分为三束；第一束激光脉冲被触发探测器转换为触发信号，所述触发信号触发测距单元中的测距电路开始计时；第二束激光脉冲经激光光纤耦合器耦合进光纤色散模块，光纤色散模块对激光脉冲进行色散；色散后的激光脉冲经光纤准直器准直，准直后的激光脉冲入射到短波通滤光片；短波通滤光片滤除激光脉冲中的长波段激光脉冲得到用于光谱测量的光谱测量激光脉冲；光谱测量激光脉冲入射到长/短波二向色镜1的透射面上；第三束激光脉冲经空间光准直器准直后入射到长波通滤光片；长波通滤光片滤除激光脉冲中的短波段激光脉冲得到用于目标距离测量的测距激光脉冲；测距激光脉冲入射到长/短波二向色镜1的反射面；所述长/短波二向色镜1将透射面上的光谱测量激光脉冲与反射面上的测距激光脉冲进行合束；合束后的激光脉冲入射到接收单元中望远镜的反射镜上；所述激光脉冲经反射镜反射照向目标；当激光脉冲照射到目标时，激光脉冲中的一部分被目标反射或散射；经目标反射或散射的激光脉冲经接收单元中的望远镜收集并准直；准直后的激光脉冲入射到接收单元中的长/短波二向色镜2；长/短波二向色镜2将准直后的激光脉冲分为测距光束和光谱测量光束；测距光束入射到测距单元中的测距探测器，经测距探测器转换为停止信号；停止信号触发测距电路停止计时；测距电路测量触发信号与停止信号之间的时间间隔并将测量到的时间间隔上传到上位机；上位机根据激光脉冲飞行距离与激光脉冲传播速度和所测量时间间隔的关系，通过数据解算完成对目标距离的测量；光谱测量光束入射到光谱测量单元中的可见光/近红外二向色镜；可见光/近红外二向色镜将光谱测量光束分为可见光光束和近红外光束；可见光光束被Si-APD探测器转换为可见光电信号，可见光电信号被高速双通道数据采集卡0通道采集；近红外光束被InGaAs-APD探测器转换为近红外电信号，近红外电信号被高速双通道采集卡的1通道采集；高速双通道数据采集卡采集到的数据由上位机读取、存储和处理，完成目标可见光-近红外波段反射光谱特性的测量；综上，测距单元实现目标距离的测量，光谱测量单元实现目标可见光-近红外波段反射光谱特性的测量；两者相结合，从而实现目标同一位置的距离和反射光谱特性的同时测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统，其特征在于，所述发射单元采用两个光强分束器将发射激光脉冲分为三束，并采用短波通滤光片提取其中一束发射激光脉冲中的短波段激光脉冲用于目标光谱特性测量，该激光脉冲被称为光谱测量激光脉冲；另外，采用长波通滤光片提取其中另一束激光脉冲中的长波段激光脉冲用于目标距离测量，该激光脉冲被称为测距激光脉冲；同时，借助于长/短波二向色镜实现光谱测量激光脉冲与测距激光脉冲的合束；并采用接收单元中望远镜上的反射镜实现光谱测量激光脉冲与测距激光脉冲的同轴出射，从而保证光谱测量激光脉冲与测距激光脉冲照射到目标的同一位置；最终，实现目标被照射位置与激光雷达系统之间距离和目标被照射位置反射光谱的同时测量。
3.根据权利要求1所述的一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统，其特征在于，所述发射单元利用光纤色散模块中光纤的材料色散特性，将宽光谱短时激光脉冲在时域上重叠的光强信息在时域上进行展开，将不同波长激光脉冲的光强转换为不同时刻的激光光强，实现宽光谱短时激光脉冲的光谱展开；进而，借助于光电探测器将激光信号转换为电压信号；不同时刻的电压信号对应于不同波长的光强；最后，采用高速双通道数据采集卡实现电压信号的采集，完成目标反射光谱特性的测量。
4.根据权利要求1所述的一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统，其特征在于，所述接收单元采用望远镜收集目标散射回波，并采用长/短波二向色镜将收集到的激光脉冲分为测距光束和和光谱测量光束，实现用于目标距离测量的激光脉冲与用于目标光谱测量的激光脉冲在接收端的分离，从而实现目标距离与目标反射光谱特性的同时测量。
5.根据权利要求1所述的一种基于光强分光的高光谱激光雷达系统，其特征在于，所述光谱测量单元采用可见光/近红外二向色镜将目标散射的光谱测量光束分为可见光波段光束和近红外波段光束；并分别采用Si-APD探测器和InGaAs-APD探测器将可见光波段和近红外波段光束转换为可见光波段电信号和近红外波段电信号；进而，借助于高速双通道数据采集卡采集可见光波段和近红外波段电信号，实现被测目标可见光和近红外波段的光谱特性测量。
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