CN108415031B - 一种基于光谱分光的高光谱全波形激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光谱分光的高光谱全波形激光雷达系统,该系统将光谱分光技术、光纤色散技术、高速数据采集技术与激光雷达技术相结合,实现了被测目标全波形数据和目标反射光谱数据的获取。基于所获取的全波形数据和反射光谱数据,可实现目标物理特性和几何结构的测量,提高了现有激光雷达的探测能力。该激光雷达系统包括控制与数据处理单元、发射单元、接收单元和数据获取单元。控制与数据处理单元实现发射单元和数据采集单元的控制,以及数据采集单元数据读取与处理。发射单元为测量提供激光脉冲,并以光谱分光的方式将激光脉冲分为波形采集光束和光谱测量光束。接收单元实现由目标反射或散射的波形采集光束和光谱测量光束的收集。数据采集单元实现目标全波形数据和目标反射光谱数据的获取。

Description

一种基于光谱分光的高光谱全波形激光雷达系统
技术领域
本发明涉及到激光雷达测量领域,尤其是一种基于光谱分光的高光谱全波形激光雷达系统。
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/冰川监测、文物保护、虚拟现实、大气/海洋监测等领域。早期激光雷达系统采用模拟电路测量所发射激光信号往返于目标与激光雷达系统之间的时间,基于飞行时间测距原理得到目标与激光雷达系统之间的距离。此外,在激光雷达系统中加入扫描装置或将激光雷达系统置于运动平台上,激光雷达可以完成对目标/测量区域的扫描测距,得到激光雷达与目标/测量区域各点的距离。基于目标/测量区域各点的距离数据、扫描装置的扫描角数据、激光雷达所在运动平台的位置和姿态数据,采用先进的数据融合和数据建模算法完成对目标的三维建模,实现目标三维结构成像或测量。然而,由于模拟电路的计时精度容易受到噪声和目标反射/散射激光脉冲幅值和波形的影响,基于模拟电路测距的激光雷达系统的测距精度较低。随着高速数据采集、大容量数据存储和高速数据处理技术的发展,采用高速数据采集装置取代激光雷达系统中的模拟计时电路,将发射激光脉冲和目标反射/散射激光脉冲波形进行采集。采集到发射激光脉冲和目标反射/散射激光脉冲的波形数据被称为全波形数据。针对采集到的全波形数据,首先采用波形拟合方法对全波形数据进行拟合。其次,根据拟合得到的参数不仅能实现目标距离的高精度测量,而且能实现目标几何形状和目标的单一波长反射特性测量。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几何结构信息,同时能实现物理特性的测量,完成目标精细化测量、监测与识别。本文针对应用需求,将光谱分光技术、光纤色散技术、全波形采集技术与激光雷达技术相结合,提出一种基于光谱分光的高光谱全波形激光雷达系统,该系统可实现目标全波形数据和目标宽波段反射光谱数据的获取,完成目标距离和目标几何结构的高精度测量,以及目标宽波段反射光谱特性和物理特性的高分辨率测量。
发明内容
本发明公开了一种基于光谱分光的高光谱全波形激光雷达系统,实现发射激光脉冲波形,目标发射或散射回波波形以及目标宽波段反射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。
所述激光雷达系统采用光谱分束器将发射激光脉冲光束分为光谱测量光束和波形采集光束,并采用色散光纤对光谱测量光束进行时域色散展开。展开后的光谱测量光束和波形采集光束同轴出射照向目标。经目标反射或散射的光谱测量光束和波形采集光束被望远镜收集和光电探测器转换为电信号后被高速数据采集卡采集,实现目标宽波段反射光谱数据获取,以及发射激光脉冲与目标反射或散射激光脉冲全波形数据获取。基于所获取的反射光谱数据和全波形数据,可实现目标物理特性和几何结构的测量。所述激光雷达系统包括控制与数据处理单元、发射单元、接收单元和数据获取单元。所述发射单元包括超连续激光器、光谱分束器、色散光纤、光纤准直器、激光准直器、光束采样器和二向色镜1。所述接收单元包括望远镜和二向色镜2。所述数据获取单元包括发射脉冲探测器、回波探测器、光谱探测器和三通道同步高速数据采集卡。所述控制与数据处理单元控制超连续激光器发射宽光谱激光脉冲。超连续激光器在输出宽光谱激光脉冲的同时输出激光脉冲同步信号。激光脉冲同步信号用于控制数据获取单元中的三通道同步高速数据采集卡采集数据。所述宽光谱激光脉冲入射到光谱分束器。光谱分束器以设定好的波长为基准在光谱域将宽光谱激光脉冲分为光谱测量光束和波形采集光束。其中光谱测量光束经光纤传输到色散光纤。色散光纤利用光纤的材料色散特性对光谱测量光束中的宽光谱激光脉冲进行色散展开,将不同波长在时域上重叠的激光脉冲进行展开,使不同波长的激光脉冲在时域上相互分离,将不同波长激光脉冲的强度信息转换为不同时刻的光强信息。展开后的激光脉冲经光纤准直器准直后入射到二向色镜1的透射面上。波形采集光束经激光准直器准直后入射到光束采样器。光束采样器从准直后的波形采集光束中提取一少部分激光脉冲。所提取的激光脉冲被称为发射脉冲波形采集光束。发射脉冲波形采集光束入射到数据获取单元中的发射脉冲探测器。发射脉冲探测器将发射脉冲波形采集光束转换为发射脉冲波形电信号。发射脉冲波形电信号被数据获取单元中的三通道同步高速数据采集卡的第一通道采集,采集到的数据为发射脉冲波形数据。光束采样器中剩余的激光脉冲入射到二向色镜1的反射面上,二向色镜1将入射到透射面的光谱测量光束和入射到反射面上的波形采集光束进行合束,合束后的光谱测量光束和波形采集光束经接收单元中望远镜上的反射镜反射照向目标,实现光谱测量光束和波形采集光束的同轴出射。当光谱测量光束和波形采集光束照射到目标时,光谱测量光束和波形采集光束中的一部分被目标反射或散射。经目标反射或散射的光谱测量光束和波形采集光束被接收单元中的望远镜收集。收集到的光谱测量光束和波形采集光束被分别称为目标反射光谱光束和回波采集光束。目标反射光谱光束和回波采集光束经二向色镜2分离,分别得到目标反射光谱光束和回波采集光束。回波采集光束经数据获取单元中的回波探测器转换为回波波形电信号。回波波形电信号被三通道同步高速数据采集卡的第二通道采集,采集到的数据为目标回波波形数据。目标反射光谱光束经数据获取单元中的光谱探测器转换为目标反射光谱电信号,目标反射光谱电信号被三通道同步高数据采集卡的第三通道采集,采集到的数据为目标的反射光谱数据。三通道同步数据采集卡将三个通道采集到的数据进行打包,打包后的数据经数据总线上传到控制与数据处理单元。控制与数据处理单元对采集到的发射脉冲波形数据和回波波形数据进行拟合,实现目标距离和目标几何结构的测量。控制与数据处理单元对目标的反射光谱数据进行处理,实现目标物理特性的测量。
所述发射单元利用光谱分束器在光谱域以设定波长为基准将超连续激光器输出的宽光谱激光脉冲分为光谱测量光束和波形采集光束,分束得到光谱测量光束经色散光纤色散,色散光纤将在时间域相互重合的宽光谱激光脉冲按波长进行依次展开,实现激光脉冲波长与时间的一一对应。
所述数据获取单元中的三通道同步高速数据采集卡以发射单元中超连续激光器输出的激光脉冲同步信号为采集控制信号,同步采集发射脉冲探测器输出的发射波形电信号,回波探测器输出的回波波形电信号以及光谱探测器输出的目标反射光谱电信号,实现发射激光脉冲波形、目标反射或散射激光脉冲波形以及目标反射光谱的同步采集,从而保证这三种数据具有相同的时间标。
附图说明
图1是一种基于光谱分光的高光谱全波形激光雷达系统简图。
图2是一种基于光谱分光的高光谱全波形激光雷达系统框图。
具体实施方式
如图2所示,高光谱全波形激光雷达系统开始工作之前,控制与数据处理单元对超连续激光器输出激光脉冲的重复频率和平均功率,以及三通道同步高速数据采集卡每个采集通道的采样频率、采样长度和参考电压进行设置。设置完成后,控制与数据处理单元发出开始工作指令,高光谱全波形激光雷达系统开始工作。高光谱全波形激光雷达系统工作过程中,超连续激光器发射一定重复频率的宽光谱短时激光脉冲。此外,超连续激光器同时输出激光脉冲同步信号。激光脉冲同步信号连接到数据获取单元中的三通道同步高速数据采集卡,激光脉冲同步信号用于控制三通道同步高速数据采集卡采集数据。超连续激光器输出的宽光谱短时激光脉冲入射到光谱分数器。光谱分束器以设定好的波长为基准在光谱域将宽光谱激光脉冲分为光谱测量光束和波形采集光束,使光谱测量光束和波形采集光束中包含有不同波长的激光脉冲。光谱测量光束经光谱分束器的光纤端口输入到色散光纤。由于色散光纤中光纤材料对于不同波长激光脉冲具有不同的折射率。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群传播速度。由于群传播速度的不同,当不同波长的激光脉冲经过相同长度的光纤后,不同波长激光脉冲到达光纤端口的时间不同,从而将不同波长在时域上重叠的激光脉冲进行展开,使不同波长的激光脉冲在时域上相互分离,将不同波长激光脉冲的光强信息转换为不同时刻的光强信息。展开后的激光脉冲经光纤准直器准直后入射到二向色镜1的透射面上。
由光谱分束器分束得到的波形采集光束经光谱分束器的空间光输入到激光准直器。激光准直器对波形采集光束进行准直。激光准直器的作用是减小波形采集光束的发散角。经准直后的波形采集光束入射到光束采样器,光束采样器从准直后的波形采集光束中提取一少部分激光脉冲。所提取的激光脉冲被称为发射脉冲波形采集光束,发射脉冲波形采集光束入射到数据获取单元中的发射脉冲探测器。发射脉冲探测器将发射脉冲波形采集光束转换为发射脉冲波形电信号,发射脉冲波形电信号被数据获取单元中的三通道同步高速数据采集卡的第一通道采集。光束采样器中剩余的激光脉冲入射到二向色镜1的反射面上。
由于二向色镜1对于不同波长激光脉冲具有不同的反射或透射特性,入射到二向色镜1透射面的光谱测量光束穿过二向色镜1入射到接收单元中望远镜的反射镜上。入射到二向色镜1反射面上的波形采集光束经二向色镜1反射到接收单元中望远镜的反射镜上,从而实现光谱测量光束和波形采集光束的合束。合束后的光谱测量光束和波形采集光束经接收单元中望远镜上的反射镜反射照向目标,实现光谱测量光束和波形采集光束的同轴出射。
当合束后的光谱测量光束和波形采集光束照射到目标时,由于目标的反射或散射特性,光谱测量光束和波形采集光束中的一部分被目标反射或散射。经目标反射或散射的光谱测量光束和波形采集光束被接收单元中的望远镜收集。收集到的光谱测量光束和波形采集光束被分别称为目标反射光谱光束和回波采集光束。为实现目标反射光谱和回波波形的分别采集,目标反射光谱光束和回波采集光束入射到二向色镜2,再一次利用二向色镜对于不同波长激光脉冲具有不同的反射和透射特性,实现反射光谱光束和回波采集光束的分离,分别得到目标反射光谱光束和回波采集光束。回波采集光束入射到数据获取单元中的回波探测器。回波探测器将回波采集光束转换为回波波形电信号。回波波形电信号连接到数据采集单元中三通道同步高速数据采集卡的第二通道。目标反射光谱光束入射到光谱探测器。光谱探测器将目标反射光谱光束转换为目标反射光谱电信号。目标反射光谱电信号连接到三通道同步高速数据采集卡的第三通道。
三通道同步高速数据采集卡在超连续激光器输出的激光脉冲同步信号的控制下,同步采集连接到第一通道、第二通道和第三通道的发射脉冲波形电信号、回波波形电信号和目标反射光谱电信号,采集到的数据为发射脉冲波形数据、目标回波波形数据和目标反射光谱数据。三通道同步数据采集卡将三个通道采集到的数据进行打包,打包后的数据经数据总线上传到控制与数据处理单元。
控制与数据处理单元根据采集到的发射脉冲波形数据选取数学模型,采用所选取的数学模型对发射脉冲波形数据和回波波形数据进行滤波和拟合,进一步利用拟合得到的时间参数,根据飞行时间测距原理实现目标距离的测量。利用拟合得到的波形参数实现目标几何结构的测量。另外,控制与数据处理单元对反射光谱数据进行标定,得到与目标物理特性有关的反射光谱数据,实现目标物理特性的测量。
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 (3)

1.一种基于光谱分光的高光谱全波形激光雷达系统,其特征在于,所述激光雷达系统采用光谱分束器将发射激光脉冲光束分为光谱测量光束和波形采集光束;并采用色散光纤对光谱测量光束进行时域色散展开,展开后的光谱测量光束和波形采集光束同轴出射照向目标;经目标反射或散射的光谱测量光束和波形采集光束分别被光谱探测器和回波探测器转换为电信号后被高速数据采集卡同步采集,实现目标宽波段反射光谱数据获取,以及目标反射或散射激光脉冲全波形数据获取;基于所获取的反射光谱数据和全波形数据,可实现目标物理特性和几何结构的测量;所述激光雷达系统包括控制与数据处理单元、发射单元、接收单元和数据获取单元;所述发射单元包括超连续激光器、光谱分束器、色散光纤、光纤准直器、激光准直器、光束采样器和二向色镜1;所述接收单元包括望远镜和二向色镜2;所述数据获取单元包括发射脉冲探测器、回波探测器、光谱探测器和三通道同步高速数据采集卡;所述控制与数据处理单元控制超连续激光器发射宽光谱激光脉冲和激光脉冲同步信号;激光脉冲同步信号用于控制数据获取单元中的三通道同步高速数据采集卡采集数据;宽光谱激光脉冲入射到光谱分束器,光谱分束器以选定的波长为基准在光谱域将宽光谱激光脉冲分为光谱测量光束和波形采集光束;其中一束光谱测量光束经光纤传输到色散光纤;色散光纤利用光纤的材料色散特性对光谱测量光束中的宽光谱激光脉冲进行色散,将不同波长在时域上重叠的激光脉冲进行分离,从而将不同波长激光脉冲的强度信息转换为不同时刻的光强信息;展开后的激光脉冲经光纤准直器准直后入射到二向色镜1的透射面上;另一束波形采集光束经激光准直器准直后入射到光束采样器;光束采样器从准直后的波形采集光束中提取一少部分激光脉冲;所提取的激光脉冲被称为发射脉冲波形采集光束;发射脉冲波形采集光束入射到数据获取单元中的发射脉冲探测器;发射脉冲探测器将发射脉冲波形采集光束转换为发射脉冲波形电信号;发射脉冲波形电信号被数据获取单元中的三通道同步高速数据采集卡的第一通道采集,采集到的数据为发射脉冲波形数据;光束采样器中剩余的激光脉冲入射到二向色镜1的反射面上;二向色镜1将入射到透射面的光谱测量光束和入射到反射面上的波形采集光束进行合束;合束后的光谱测量光束和波形采集光束经接收单元中望远镜上的反射镜反射照向目标,实现光谱测量光束和波形采集光束的同轴出射;当光谱测量光束和波形采集光束照射到目标时,光谱测量光束和波形采集光束中的一部分被目标反射或散射;经目标反射或散射的光谱测量光束和波形采集光束被接收单元中的望远镜收集;收集到的光谱测量光束和波形采集光束被分别称为目标反射光谱光束和回波采集光束;目标反射光谱光束和回波采集光束经二向色镜2分离,得到目标反射光谱光束和回波采集光束;回波采集光束经数据获取单元中的回波探测器转换为回波波形电信号,回波波形电信号被三通道同步高速数据采集卡的第二通道采集,采集到的数据为目标回波波形数据;目标反射光谱光束经数据获取单元中的光谱探测器转换为目标反射光谱电信号,目标反射光谱电信号被三通道同步高数据采集卡的第三通道采集,采集到的数据为目标的反射光谱数据;三通道同步数据采集卡将三个通道采集到的数据进行打包;打包后的数据经数据总线上传到控制与数据处理单元;控制与数据处理单元对采集到的发射脉冲波形数据和回波波形数据进行拟合,实现目标距离和目标几何结构的测量;控制与数据处理单元对目标的反射光谱数据进行处理,实现目标物理特性的测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱分光的高光谱全波形激光雷达系统,其特征在于,所述发射单元利用光谱分束器在光谱域以设定波长为基准将超连续激光器输出的宽光谱激光脉冲分为光谱测量光束和波形采集光束;分束得到光谱测量光束经色散光纤色散,色散光纤将在时间域相互重合的宽光谱激光脉冲按波长进行依次展开,实现不同波长激光脉冲在时间域的分离。
3.根据权利要求1所述的一种基于光谱分光的高光谱全波形激光雷达系统,其特征在于,所述数据获取单元中的三通道同步高速数据采集卡以发射单元中超连续激光器输出的激光脉冲同步信号为采集控制信号,同步采集发射脉冲探测器输出的发射波形电信号,回波探测器输出的回波波形电信号以及光谱探测器输出的目标反射光谱电信号,实现发射激光脉冲波形、目标反射或散射激光脉冲波形以及目标反射光谱的同步采集;从而保证这三种数据具有相同的时间标,避免了后续数据处理中的时间对准。
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