CN109298431B - 一种三波段机载激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三波段机载激光雷达系统。该系统实现了海岸带各个区域的高效、高精度、高分辨以及大范围、远距离的探测工作。其主要原理是：激光光源同步发射出不同波长的三束激光脉冲，并向计时系统发送一个初始触发信号，计时系统开始计时；三束激光脉冲经过发射系统扩束准直后进入扫描系统；扫描系统控制激光脉冲对待测目标表面进行扫描，激光脉冲经过待测目标表面反射后回到扫描系统，扫描系统将回波光信号反射至接收光路系统；接收光路系统收集回波光信号，再将回波光信号反射至激光探测系统；激光探测系统将接收的回波光信号转化为光电流信号输出；计时系统接收光电流信号后结束计时，从而得到待测目标表面到扫描系统的距离信息。

Description

一种三波段机载激光雷达系统

技术领域：

本发明涉及激光探测技术领域，尤其是涉及一种三波段机载激光雷达系统。

背景技术：

随着国民经济的发展，滩涂围垦、水产养殖、矿藏开采、海水制盐、动力发电等一系列海岸带资源的开发工作正大规模地开展，护岸建港、航道疏浚、港口治理等海岸工程建设也在迅速进行，沿岸航行活动也在不断增加。而且海岸带是地处国防前哨的军事要地，它既是未来战争的登陆抗登陆和积极防御的主战场之一，同时又是海军的驻泊基地和三军协同作战的重点地区，因此，海岸带地区的测绘工作显得尤为重要，特别是快速测量海岸带地形图对于我国合理开发、利用海洋资源以及保障海洋权益和领土完整都具备重要的战略意义和军事应用价值。

由于海水对于电磁波的屏蔽作用，传统的海底地形探测是采用船载声呐技术来实现，而在海水极浅的潮间带和岛礁区域，受船测平台的通行和速度限制，测绘效率极低，成为海岸带和海岛礁测绘的一个瓶颈。

多光谱遥感测深和微波遥感探测都需要建立影像信息与海洋物理和大气参数之间复杂的相关模型，由于影像信息与海洋物理和大气参数之间存在非线性和较大的不确定性，模型对不同的水体实用性不高，从而导致模型误差较大。在浅水区域，水体受波浪、潮汐与海流影响一般为数米甚至到十几米，多光谱和微波遥感测深虽然能很好地抑制波浪的影响，但要想达到10％以上的相对测深精度也比较困难。

多波束测深是目前应用最广泛的海底地形探测设备，它由多波束声学子系统、多波束空间位置传感器子系统、数据采集和处理子系统组成。多波束测深系统在深水测区具有很大的优势，但在50米以内浅水域的测量效率并不高，实现全覆盖测量需要布设非常密集的测线。同时，多波束测深系统一般以较大吨位的舰船为载体，很难到达浅海、岛礁、暗礁和非安全水域。

由此可见，常规的海洋遥感水深反演技术、单波束和多波束测深技术对浅水、岛礁、暗礁和非安全水域的水深测量都存在一些不可克服的缺陷。

近些年来还出现一种单波段激光雷达探测装置，但是单波段激光雷达探测装置结构简单，体积庞大，不能满足机载需求。此外，光路和扫描结构单一，不能满足快速、大范围、远距离测绘需求。

发明内容:

为了解决现有技术的不足，本发明设计了一种三波段机载激光雷达系统，实现了海岸带各个区域的高效、高精度、高分辨以及大范围、远距离的探测工作。

为实现上述目标，本发明采取如下技术方案：

一种三波段机载激光雷达系统，包括激光光源、发射系统、扫描系统、接收光路系统、激光探测系统以及计时系统；

激光光源同步发射出不同波长的三束激光脉冲，并同时向所述计时系统发送一个初始触发信号，计时系统开始计时；

三束激光脉冲经过所述发射系统扩束准直后进入所述扫描系统；

所述扫描系统控制激光脉冲对待测目标表面进行扫描，激光脉冲经过待测目标表面反射后回到所述扫描系统，所述扫描系统将回波光信号反射至所述接收光路系统；

所述接收光路系统收集目标反射的回波光信号，再将回波光信号反射至激光探测系统；

激光探测系统接收回波光信号，并将回波光信号转化为光电流信号输出；

所述计时系统接收所述光电流信号后结束计时，从而得到待测目标表面到扫描系统的距离信息。(具体操作时：通过获得的时间、光速从而测算出距离信息)

进一步地，所述激光光源包括激光器控制器以及第一光纤激光器、第二光纤激光器、第三光纤激光器；

所述激光器控制器同步控制三个光纤激光器出光并同步发送初始触发信号至计时系统；

所述第一光纤激光器的波长为532nm；所述第二光纤激光器的波长为1064nm；所述第三光纤激光器的波长为1550nm。

进一步地，所述发射系统包括同光轴设置的第一扩束准直透镜组、第二扩束准直透镜组以及第三扩束准直透镜组；所述第一扩束准直透镜组对所述第一光纤激光器输出的光束进行扩束准直；所述第二扩束准直透镜组对所述第二光纤激光器输出的光束进行扩束准直；所述第三扩束准直透镜组对所述第三光纤激光器输出的光束进行扩束准直。

进一步地，所述扫描系统包括第一反射镜、第二反射镜、摆镜和与摆镜控制器；所述第一反射镜的镜面与所述发射系统的光轴成45°角，且所述发射系统的光轴通过所述第一反射镜的中心；所述第二反射镜和所述第一反射镜的镜面平行，并与所述发射系统的光轴成45°角；所述摆镜与所述第二反射镜的镜面、所述第一反射镜的镜面均平行，并且均与发射系统、接收光路系统的光轴成45°角，且所述接收光路系统的光轴通过所述第二反射镜的中心和所述扫描反射镜的中心；

所述摆镜控制器与摆镜连接，控制摆镜以光轴为中心一个维度转动。

进一步地，上述接收光路系统包括接收反射主镜和接收反射次镜；所述接收反射主镜的中心开设有一个通光口；

所述扫描系统将待测目标表面反射的回波光信号反射到接收反射主镜，所述接收反射主镜再将回波光信号反射汇聚至所述接收反射次镜，接收反射次镜对回波光信号进行二次反射，并使回波光信号汇聚后穿过所述通光口后被激光探测系统接收。

进一步地，上述激光探测系统包括第一分光镜、第二分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器以及第三光电探测器；

所述第一分光镜和所述第二分光镜均与所述接收光路系统的光轴成45°角；所述第一分光镜将回波光信号中波长为532nm的信号光以第一分量反射到所述第一光电探测器，并将其余回波光信号透射到所述第二分光镜；

所述第二分光镜将回波光信号中波长为1064nm的信号光以第二分量反射到所述第二光电探测器，并将回波光信号中波长为1550nm的信号光以第三分量透射到所述第三光电探测器。

进一步地，所述计时系统包括触发电路和计时电路，所述激光光源发射激光脉冲的同时发送一个初始触发信号到所述触发电路，触发电路触发所述计时电路开始计时；

所述触发电路接收到所述激光探测系统的光电流信号后触发所述计时电路停止计时；计时电路输出开始计时时刻和结束计时时刻的时间差。

本发明有益效果是：

1、本发明所涉及的系统通过测量脉冲激光往返于扫描系统和目标的时间，通过将测量到的时间与光速相乘计算得到扫描系统和目标的距离，该方法具有精度高，速度快，稳定性好的优势。

2、本发明采用三个不同波段的光纤激光器同时探测，可以同时对地表和水下目标实现快速准确成像，得到海岸带目标的全面的表面结构图像。

3、本发明采用的接收反射主镜和接收反射次镜均为曼金反射镜，其不仅能实现对光线的反射，并且同时可以压缩光束角度，并对成像像差进行校正，大大提高了系统的测量精度。

4、本发明通过摆镜控制激光对待测目标表面进行第一维度扫描，该三波段激光雷达系统安装在飞机上，通过飞机实现对目标表面第二维度扫描，通过对扫描系统和目标的距离的测量实现对目标表面第三维度的扫描，从而实现对目标的三维扫描成像，可以全面高效准确的获取目标的三维坐标信息。

5、本发明光学系统结构紧凑，造价低廉，探测高效准确，同时通过时间、速度以及距离的公式能够简单快速测量出待测目标表面与系统之间的距离，具有很强的实用性和可操作性，应用前景巨大。

附图说明：

图1为本发明基本原理示意图。

图2为实施例的结构示意图。

附图标记如下：

1-激光光源、11-激光器控制器、12-第一光纤激光器、13-第二光纤激光器、14-第三光纤激光器；

2-发射系统、21-第一扩束准直透镜组、22-第二扩束准直透镜组、23-第三扩束准直透镜组；

3-扫描系统、31-第一反射镜、32-第二反射镜、33-摆镜、34-摆镜控制器；

4-接收光路系统、41-接收反射主镜、42-接收反射次镜；

5-激光探测系统、51第一分光镜、52-第二分光镜、53-第一光电探测器、54-第三光电探测器、55-第二光电探测器；

6-计时系统、61-触发电路、62-计时电路。

7-待测目标。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基本原理是：

一种三波段机载激光雷达系统，包括激光光源1、发射系统2、扫描系统3、接收光路系统4、激光探测系统5以及计时系统6；

激光光源1同步发射出不同波长的三束激光脉冲，并同时向计时系统6发送一个初始触发信号，计时系统开始计时；三束激光脉冲经过发射系统2扩束准直后进入扫描系统3；扫描系统3控制激光脉冲对待测目标7表面进行扫描，激光脉冲经过待测目标7表面反射后回到所述扫描系统3，扫描系统3将回波光信号反射至所述接收光路系统4；接收光路系统4收集目标反射的回波光信号，再将回波光信号反射至激光探测系统5；激光探测系统5接收回波光信号，并将回波光信号转化为光电流信号输出；计时系统6接收所述光电流信号后结束计时，通过将测量到时间与光速相乘计算得到扫描系统3和待测目标7的距离信息。

以下结合一个实施例对本发明作具体的介绍，如图2所示：

一、发射三束不同波段的激光，并触发计时开始；

激光器控制器11同步控制第一光纤激光器12、第二光纤激光器13和第三光纤激光器14。使第一光纤激光器12、第二光纤激光器13和第三光纤激光器14同时发出激光脉冲，第一激光器12的激光脉冲波长为532nm；第二激光器13的激光脉冲波长为1064nm；第三激光器14的激光脉冲波长为1550nm。需要说明的一点是：532nm绿光波段激光光束具有较强的海水穿透能力，用于产生海底回波信号；1064nm近红外波段的激光光束用来产生海面回波光信号，两者结合实现对水深的有效测量。1064nm和1550nm波段分别对植被和土壤具有较强的反射特性，从而实现对陆基目标的探测。

激光器控制器在控制第一光纤激光器12、第二光纤激光器13和第三光纤激光器14出光的同时发送一个计时电脉冲到触发电路61，触发电路61同步触发计时电路62开始计时。

2、激光准直

第一光纤激光器12发出的脉冲激光经第一扩束准直透镜组21准直扩束；第二光纤激光器13发出的脉冲激光经第二扩束准直透镜组22准直扩束；第一光纤激光器14发出的脉冲激光经第三扩束准直透镜组23准直扩束，三个准直透镜组出射的光线的光轴相互平行。

3、对待测目标表面进行扫描

经过准直扩束后的三路激光脉冲经由第一反射镜31和第二反射镜32的反射到达摆镜33，第一反射镜31和第二反射镜32都为平面反射镜，且与三个准直透镜组出射的光线的光轴成45°角，反射波段涵盖532nm、1064nm和1550nm。第一反射镜31和第二反射镜32平行，且都与三个准直透镜组出射光线的光轴平行。摆镜控制器34控制摆镜33操纵光线扫描待测目标表面，摆镜为平面反射镜，与第一反射镜31和第二反射镜32相互平行，且转动维度为水平维度。

4、回波光信号的接收

经待测目标反射后的回波光信号回到摆镜33，摆镜33反射回波光信号到第二反射镜32，第二反射镜32将回波光信号反射到接收反射主镜41，接收反射主镜41又将回波光信号反射到接收反射次镜42，接收反射主镜41和接收反射次镜42均为曼金反射镜，反射波段涵盖532nm、1064nm和1550nm。曼金反射镜由一个球面反射镜和一个与它相贴的弯月形折射透镜组成，接收反射主镜41和接收反射次镜42组成的接收光路系统可以实现对光线的反射，压缩光束角度，并对成像像差进行校正，接收反射主镜41的中心设有通光口，第二反射镜32反射的光线经过接收反射主镜41的边缘反射到接收反射次镜42，接收反射次镜42又将回波光信号反射穿过接收反射主镜41中心的通光口到达第一分光镜51，第一分光镜对将回波光信号中波长为532nm的信号光分量反射到第一光电探测器53，第一光电探测器将532nm波长的光信号转化为光电流信号，同时，第一分光镜51对将回波光信号中波长为1064nm和1550nm的信号光分量透射到第二分光镜52，第二分光镜52将波长为1064nm的信号光反射到第二光电探测器55，第二光电探测器55将波长为1064nm的信号光转化为光电流信号，第二分光镜52将回波光信号中波长为1550nm的信号光透射到第三光电探测器54，第三光电探测器54将波长为1550nm的信号光转化为光电流信号；第一光电探测器53、第二光电探测器55和第三光电探测器54输出的光电流信号被发送到触发电路61，触发电路61发出触发信号到计时电路62，计时电路停止计时，计时电路输出开始计时时刻和停止计时时刻的时间差数据，从而利用时间、光速来计算出待测目标点至扫描系统(摆镜反射面)的距离，实现探测目的。

由此上述结构可见，本发明装置具有精度高，速度快，稳定性好的优势。由于三波段机载激光雷达系统由不同波段激光光源、发射系统、接收光路系统、激光探测系统以及计时系统组成，具备多波长独特的优点：因其为主动式探测技术，受地面背景辐射和阴影等的干扰很小，并对树木和森林具有一定的穿透作用，可有效提高目标识别的准确性；具有极高的距离分辨率和角度分辨率，快速精确获取目标区域的三维信息和目标的运动状态；在目标探测、识别和跟踪的应用具有不可替代的优，可以直接获取高精度三维地形信息和辐射强度影像相结合的数据。

要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种三波段机载激光雷达系统，其特征在于：包括激光光源、发射系统、扫描系统、接收光路系统、激光探测系统以及计时系统；

激光光源同步发射出不同波长的三束激光脉冲，并同时向所述计时系统发送一个初始触发信号，计时系统开始计时；

三束激光脉冲经过所述发射系统扩束准直后进入所述扫描系统；

扫描系统控制激光脉冲对待测目标表面进行扫描，激光脉冲经过待测目标表面反射后回到所述扫描系统，所述扫描系统将回波光信号反射至所述接收光路系统；

所述接收光路系统收集目标反射的回波光信号，再将回波光信号反射至激光探测系统；

激光探测系统接收回波光信号，并将回波光信号转化为光电流信号输出；

所述计时系统接收所述光电流信号后结束计时，从而得到待测目标表面到扫描系统的距离信息；

激光光源包括激光器控制器以及第一光纤激光器、第二光纤激光器、第三光纤激光器；

所述激光器控制器同步控制三个光纤激光器出光并同步发送初始触发信号至计时系统；

所述第一光纤激光器的波长为532nm；所述第二光纤激光器的波长为1064nm；所述第三光纤激光器的波长为1550nm；

所述发射系统包括同光轴设置的第一扩束准直透镜组、第二扩束准直透镜组以及第三扩束准直透镜组；

所述第一扩束准直透镜组对所述第一光纤激光器输出的光束进行扩束准直；所述第二扩束准直透镜组对所述第二光纤激光器输出的光束进行扩束准直；所述第三扩束准直透镜组对所述第三光纤激光器输出的光束进行扩束准直；所述扫描系统包括第一反射镜、第二反射镜、摆镜和与摆镜控制器；

所述第一反射镜的镜面与所述发射系统的光轴成45°角，且所述发射系统的光轴通过所述第一反射镜的中心；所述第二反射镜和所述第一反射镜的镜面平行；所述摆镜与所述第二反射镜的镜面、所述第一反射镜的镜面均平行，并且均与发射系统、接收光路系统的光轴成45°角；

所述摆镜控制器与摆镜连接，控制摆镜以光轴为中心一个维度转动；所述接收光路系统包括接收反射主镜和接收反射次镜；所述接收反射主镜的中心开设有一个通光口；

所述扫描系统将待测目标表面反射的回波光信号反射到接收反射主镜，所述接收反射主镜再将回波光信号反射汇聚至所述接收反射次镜，接收反射次镜对回波光信号进行二次反射，并使回波光信号汇聚后穿过所述通光口后被激光探测系统接收；

所述激光探测系统包括第一分光镜、第二分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器以及第三光电探测器；

所述第一分光镜和所述第二分光镜均与所述接收光路系统的光轴成45°角；所述第一分光镜将回波光信号中波长为532nm的信号光以第一分量反射到所述第一光电探测器，并将其余回波光信号透射到所述第二分光镜；

所述第二分光镜将回波光信号中波长为1064nm的信号光以第二分量反射到所述第二光电探测器，并将回波光信号中波长为1550nm的信号光以第三分量透射到所述第三光电探测器。

2.根据权利要求1所述的三波段机载激光雷达系统，其特征在于：所述计时系统包括触发电路和计时电路，所述激光光源发射激光脉冲的同时发送一个初始触发信号到所述触发电路，触发电路触发所述计时电路开始计时；

所述触发电路接收到所述激光探测系统的光电流信号后触发所述计时电路停止计时；计时电路输出开始计时时刻和结束计时时刻的时间差。