CN109613560B - 基于近红外光全波形测距的高光谱三维激光雷达系统 - Google Patents
基于近红外光全波形测距的高光谱三维激光雷达系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于近红外光全波形测距的高光谱三维激光雷达系统，包括激光发射单元、信号探测单元、同步采集单元和数据处理单元，所述激光发射单元包括超连续谱激光器，超连续谱激光器由近红外光源泵浦，发射出覆盖可见光和近红外的超连续谱白光激光；所述信号探测单元包括基于近红外波段的全波形测距探测系统、扫描振镜、望远镜、分光仪和多通道探测器；所述同步采集单元包含一个多通道数字延时脉冲发生器，控制近红外波段探测器采集和多通道可见光信息采集，使距离信息和光谱信息对应。本发明可直接同时获取目标地物的可见光近红外激光光谱信息和激光点云空间信息，可以广泛运用于测绘遥感，目标分类识别等领域。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达及测绘遥感综合应用技术领域，尤其涉及一种基于近红外光全波形测距的高光谱三维激光雷达系统方案，能够实现基于一套超连续谱激光源，同时获取目标地物的高光谱信息和三维空间信息。
背景技术
对地观测高光谱激光雷达技术是实现地物高光谱信息和高空间分辨率的三维空间描述的重要遥感手段，在城市环境和农林业环境中，在快速获取三维空间信息和高光谱信息方面具有突出优点。但传统高光谱激光雷达方案采用一套独立的单波长激光雷达进行测距，增加了系统复杂度，且限制了光谱信息和空间信息的一致性，导致数据质量不佳精度不高，进而影像数据进一步应用。且传统高光谱激光雷达中的超连续谱激光的可见光部分主要用于光谱信息获取，而能量较强的近红外部分没有得到充分利用。
发明内容
本发明的目的是提供基于近红外光全波形测距的高光谱三维激光雷达系统技术方案，通过利用能量较强的近红外部分激光的全波形探测，通过多通道数字延时脉冲发生器同步可见光光谱探测和近红外测距探测，实现空谱严格一致的高光谱三维扫描成像探测，同时获取三维空间信息和光谱信息。
本发明技术方案提供一种基于近红外光全波形测距的高光谱三维激光雷达系统，包括激光发射单元、信号探测单元、同步采集单元和数据处理单元，
所述激光发射单元包括超连续谱激光器，超连续谱激光器由近红外光源泵浦，发射出覆盖可见光和近红外的超连续谱白光激光；
所述信号探测单元包括基于近红外波段的全波形测距探测系统、扫描振镜、望远镜、分光仪和多通道探测器，所述基于近红外波段的全波形测距探测系统包括二向色镜和近红外探测器，扫描振镜放置在望远镜的物镜前，望远镜的目镜处放置分离可见光和近红外光的二向色镜，设置接收光纤于二向色镜后方接收可见光，分光仪置于接收光纤后端，多通道探测器接收分光后的可见光光谱信息；近红外探测器置于二向色镜另一侧，由近红外探测器实现光电转换，获取近红外波段的全波形信息；
所述同步采集单元包含一个多通道数字延时脉冲发生器，分别连接近红外探测器和多通道探测器，控制近红外波段探测器采集和多通道可见光信息采集，使距离信息和光谱信息对应；
所述数据处理单元包括计算机，用于存储近红外全波形信息和可见光光谱信息，实现点云数据处理。
而且，激光发射单元由近红外光泵浦的超连续谱白光激光器、激光准直器、两个三维角度调整全反射镜组成，超连续谱白光激光器产生的激光经过激光准直器射出，两个三维角度调整全反射镜分别置于激光准直器前方和望远镜前方，实现激光发射和接受系统的同轴。
而且，超连续谱激光器由近红外光源泵浦，其发射出的连续谱激光在近红外波段的能量分布较强，有利于信号探测单元的近红外探测器的信号采集。
而且，多通道数字延时脉冲发生器通过2根BNC线分别连接多通道探测器和近红外探测器，采用相同频率，不同延时的脉冲对两个探测器进行触发，以确保采样一致性。
本发明打破现有多光谱激光雷达依靠独立测距光源的局限，充分利用能量较强的近红外波段进行测距，大大提升测距精度和最大测距距离。既保持了丰富的可见光高光谱信息，又充分利用了近红外波段信息，提升了多光谱激光雷达对地探测的能力。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。以下实施例用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于近红外全波形测距的高光谱激光雷达，包括激光发射单元、信号探测单元、同步采集单元和数据处理单元，具体包括近红外光泵浦的超连续谱激光器1，激光准直器2，三维调整全反射镜3、4，扫描振镜5，望远镜6，二向色镜7，近红外探测器8，分光仪9，多通道探测器10，多通道数字延时脉冲发生器11和高性能计算机12。
所述激光发射单元包括超连续谱激光器，超连续谱激光器由近红外光源泵浦，发射出覆盖可见光和近红外的超连续谱白光激光，为可见光近红外光谱信息获取提供光源。其发射出的连续谱激光在近红外波段的能量分布较强，有利于信号探测单元的近红外探测器的信号采集。实施例中，激光发射单元由近红外光泵浦的超连续谱白光激光器1、激光准直器2、三维角度调整全反射镜3、4组成。超连续谱白光激光器1产生的激光经过激光准直器2射出，两个三维角度调整全反射镜3、4分别置于激光准直器2前方和望远镜6前方，实现发射激光和接受系统的同轴。
所述信号探测单元包括一个基于近红外波段的全波形测距探测系统，一个望远镜，一台分光仪和一个多通道探测器。基于近红外波段的全波形测距探测系统，采用二向色镜对回波信号进行分光，将部分近红外光能量反射至对近红外光敏感的探测器，获取近红外波段的全波形信息。实施例中，信号探测单元包括望远镜6、分光仪9和多通道探测器10，以及基于近红外波段的全波形测距探测系统，基于近红外波段的全波形测距探测系统包括二向色镜7和近红外探测器8。此外，为了实现激光三维扫描，信号探测单元还包括扫描振镜5，放置在望远镜6的物镜前。望远镜6的目镜处放置分离可见光和近红外光的二向色镜7，设置接收光纤于二向色镜7后方接收可见光，分光仪9置于接收光纤近红外探测器8后端，多通道探测器10接收分光后的可见光光谱信息。近红外波段全波形测距探测系统的近红外探测器8置于二向色镜7另一侧，由近红外探测器8实现光电转换。
所述同步采集单元包含一个多通道数字延时脉冲发生器，分别连接近红外探测器和多通道探测器，控制近红外波段探测器采集和多通道可见光信息采集，使距离信息和光谱信息一一对应，实现同步，完成可见光光谱信息和近红外测距信息的对应。实施例中，设置多通道数字延时脉冲发生器11。信号探测单元中的两套信号采集仪器：多通道探测器10和近红外探测器8，通过多通道数字延时脉冲发生器11进行采集时序控制。具体实施时，多通道数字延时脉冲发生器11通过2根BNC线(Bayonet Neill-Concelman连接线)分别连接多通道探测器10和近红外探测器8，采用相同频率，不同延时的脉冲对两个探测器进行触发，以确保两者的采样一致性。
所述数据处理单元包括一台计算机，用于计算和存储激光雷达高光谱点云数据。实施例中，设置高性能计算机12，可以置于系统底部，存储近红外全波形信息和可见光光谱信息，进而实现点云数据处理。
为便于实施参考，提供系统工作过程如下：
近红外光泵浦的超连续谱激光器1发射出覆盖可见光和近红外的超连续谱白光激光，其中近红外波段能量分布较强。经过激光准直器2，激光发射至三维调节全反射镜3，反射至三维调节全反射镜4，三维调节全反射镜3、4通过磁性底座固定于光学平台。磁性底座是可重复利用，可调节空间位置的底座，有较好的灵活性。经过三维调节全反射镜4的激光光束与望远镜6接收视场同轴，射至扫描振镜5的光学中心，保证接收视场的稳定。激光光束通过扫描振镜5实现三维扫描，其通过高精度电机实现水平方向和垂直方向的转动，从而实现激光光束的三维扫描。激光光束照射至目标地物的部分回波通过扫描振镜5反射至望远镜6，回波通过望远镜6无色差集中至望远镜的目镜，再通过目镜照射至二向色镜7，二向色镜7将回波光束根据波长，分为可见光和近红外两部分。近红外部分经过二向色镜7反射至近红外探测器8，探测近红外回波的全波形信号，可见光部分透射二向色镜7进入分光仪9，实现分光，最后输出至多通道探测器10，不同的探测器通道采集不同波长的光谱强度信息，其光谱分辨率通过分光仪9实现调节，从而采集能够反映地物特性的可见光高光谱信息。近红外探测器8和多通道探测器10的采集时序通过多通道数字延时脉冲发生器1控制。
最后，近红外探测器8和多通道探测器10采集的数据通过高性能计算机12存储和处理。数据处理过程包括将可见光光谱信息和近红外全波形距离信息结合，将高光谱点云数据彩色显示，对目标进行分类分割。地物目标的光谱信息通过分光仪9和多通道探测器10获取，距离信息通过近红外探测器8获得的回波波形得到。本发明可直接同时获取目标地物的可见光近红外激光光谱信息和激光点云空间信息，可以广泛运用于测绘遥感，目标分类识别等领域。
特别的，在二向色镜7的选择上，考虑使用高反低透的高质量二向色镜，高反低透，指的是这块二向色镜反射截止波长之后的波长，透射截止波长之前的波长；高质量，指的是截止波长之前的透射率高于90％，截止波长之后的反射率高于90％。截止波长，指的是二向色镜的反射率和透射率急剧变化的中心波长，用于对不同波长的光线进行反射和透射。截止波长的选择上，需要综合考虑近红外光泵浦的超连续谱激光器1的泵浦光源波长，和目标地物的敏感波段范围。截止波长的选择应尽可能的小于1近红外光泵浦的超连续谱激光器的泵浦光源波长，光源中的泵浦光源波段能量分布较强，有利于提高近红外探测器8获取的全波形数据质量，进而有效提高最大测距距离和测距精度。优选地，泵浦光源波段能量比其他波段高一个数量级。例如，采用泵浦源波长为1064nm的超连续谱激光器，则截止波长应尽可能小于1064nm。另外，截止波长也要考虑目标地物的敏感波长，使透射光覆盖的波段范围尽量覆盖多的目标地物敏感波长。例如，植被的叶绿素浓度主要体现在600-750nm，而叶绿素浓度能反映植被健康状况或者生长阶段，所以当应用目标是探测植被的叶绿素含量时，则截止波长尽可能设置在750nm以后。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种基于近红外光全波形测距的高光谱三维激光雷达系统，其特征在于：通过利用近红外部分激光的全波形探测，通过多通道数字延时脉冲发生器同步可见光光谱探测和近红外测距探测，实现空谱严格一致的高光谱三维扫描成像探测，同时获取三维空间信息和光谱信息；
系统包括激光发射单元、信号探测单元、同步采集单元和数据处理单元，
所述激光发射单元包括超连续谱激光器，超连续谱激光器由近红外光源泵浦，发射出覆盖可见光和近红外的超连续谱白光激光；
所述信号探测单元包括基于近红外波段的全波形测距探测系统、扫描振镜、望远镜、分光仪和多通道探测器，所述基于近红外波段的全波形测距探测系统包括二向色镜和近红外探测器，扫描振镜放置在望远镜的物镜前，望远镜的目镜处放置分离可见光和近红外光的二向色镜，采用二向色镜对回波信号进行分光，将部分近红外光能量反射至对近红外光敏感的探测器，获取近红外波段的全波形信息，所述二向色镜反射截止波长之后的波长，透射截止波长之前的波长，且截止波长之前的透射率高于90％，截止波长之后的反射率高于90％，截止波长综合近红外光泵浦的超连续谱激光器的泵浦光源波长和目标地物的敏感波段范围进行选择，尽量小于近红外光泵浦的超连续谱激光器的泵浦光源波长，光源中的泵浦光源波段能量分布较强，以提高近红外探测器获取的全波形数据质量，进而提高最大测距距离和测距精度；设置接收光纤于二向色镜后方接收可见光，分光仪置于接收光纤后端，多通道探测器接收分光后的可见光光谱信息；近红外探测器置于二向色镜另一侧，由近红外探测器实现光电转换，获取近红外波段的全波形信息；
所述同步采集单元包含一个多通道数字延时脉冲发生器，分别连接近红外探测器和多通道探测器，控制近红外波段探测器采集和多通道可见光信息采集，使距离信息和光谱信息对应；
所述数据处理单元包括计算机，用于存储近红外全波形信息和可见光光谱信息，实现点云数据处理。
2.根据权利要求1所述基于近红外光全波形测距的高光谱三维激光雷达系统，其特征在于：激光发射单元由近红外光泵浦的超连续谱白光激光器、激光准直器、两个三维角度调整全反射镜组成，超连续谱白光激光器产生的激光经过激光准直器射出，两个三维角度调整全反射镜分别置于激光准直器前方和望远镜前方，实现激光发射和接受系统的同轴。
3.根据权利要求1或2所述基于近红外光全波形测距的高光谱三维激光雷达系统，其特征在于：超连续谱激光器由近红外光源泵浦，其发射出的连续谱激光在近红外波段的能量分布较强，有利于信号探测单元的近红外探测器的信号采集。
4.根据权利要求1或2所述基于近红外光全波形测距的高光谱三维激光雷达系统，其特征在于：多通道数字延时脉冲发生器通过2根BNC线分别连接多通道探测器和近红外探测器，采用相同频率，不同延时的脉冲对两个探测器进行触发，以确保采样一致性。
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