CN110850436B - 实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达探测的技术领域，尤其涉及实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置及方法，装置包括激光器、参考模块，所述参考模块包括有设定透光率的第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜中间还依次设置有聚焦镜、光纤，所述激光器发射激光到设定透过率的第一反射镜上，第一反射镜中透射的激光经过聚焦镜后的光束经光纤后作为参考光束。本发明可实现对每一发脉冲光谱谱线的测量，提高了系统最终测量得到的地物反射谱精度。

Description

实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置及方法

技术领域

本发明涉及雷达探测的技术领域，尤其涉及一种实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置及方法。

背景技术

高光谱成像激光雷达使用的光源是高重频、超连续谱白光激光器，激光器受到自身发光机制以及其它各种因素的限制，导致激光器出射的每一发激光脉冲的光谱谱线会发生变化，后续回波信号数据处理中无法准确扣除激光器本身的光谱谱线对测量结果的影响，导致激光雷达扫描的目标物光谱谱线失真。

针对该现象，传统的地基成像激光雷达在对目标物扫描时，一般对同一个目标物采取多次扫描的方式，对目标物散射的多次回波信号，一般采用多次累加后取均值的方法。对回波信号多次累加的过程，也是对激光器发射的激光脉冲光谱谱线取均值的过程。多次累加后，理论上可以认为激光器出射的脉冲光谱谱线接近于激光器出厂测量时校准的光谱谱线。

针对机载高光谱成像激光雷达而言，对同一目标物采取激光脉冲多次扫描取均值的方法是无法实现的。

发明内容

机载高光谱成像激光雷达回波信号数据处理的过程中，为了精确得到地物目标的光谱谱线，本发明提供一种实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置及方法。具体采用以下技术方案：

实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置，包括激光器、参考模块，所述参考模块包括有设定透光率的第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜中间还依次设置有聚焦镜、光纤，所述激光器发射激光到设定透过率的第一反射镜上，第一反射镜中透射的激光经过聚焦镜后的光束经光纤后作为参考光束。

具体地说，还包括发射模块，所述发射模块包括激光器、转镜，所述转镜用于将第一反射镜反射的激光反射到待测目标上。

具体地说，还包括接收模块，所述接收模块还包括依次设置的接收望远镜、第二反射镜、光阑、准直抛物镜、光栅、远心镜头、光束耦合器、探测处理单元，所述探测处理单元包括接收光束耦合器输出光的探测器和接收探测器信号并进行采集处理的处理器，所述参考光束发射到第二反射镜的反面经透射与接收望远镜发射到第二反射镜正面的检测光束结合。

具体地说，所述第一反射镜和第二反射镜两面均有镀层，且透过率不超过0.1％。

具体地说，所述光纤的芯径为200μm的多模光纤。

具体地说，所述发射模块包括发射激光的超连续谱高重频激光器。

使用上述的实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置的方法，包括以下步骤：

S1、根据高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)和探测器探测到的参考光线功率谱P_Ref(λ)，其中

λ为光谱标定时得到的各个通道的中心波长λ_NCW，P_R(λ,z)为激光雷达中心波长为λ的通道接收到的回波信号光功率，单位：W；β_G(λ)是地物反射率；D_R是接收望远镜的有效通光孔径，单位：m；z是激光雷达与被测地表的距离，单位：m，z可以通过测距通道实时进行测量；T_atm(λ,0,z)是激光雷达与被测地表之间的大气在波长λ上的透过率；c(λ)＝ρ₀η(λ)Δλε(λ)，c(λ)为激光器出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度，ρ₀是激光器输出平均光谱功率密度，单位：W/nm；η(λ)是激光器平均光谱功率密度归一化的功率密度光谱分布函数；Δλ是1个通道内对应的光谱带宽，单位：nm；ε(λ)是激光雷达系统的光学效率；

另外，利用角反射器将经过转镜对地物目标进行扫描的部分激光引入到接收模块中，获得探测器接收到的激光功率谱P_Cor(λ)；

S2、根据步骤S1中各公式信息，激光器出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度c(λ)的值。

步骤S1具体如下：

(a)、高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)的具体公式如下：

(b)、处理器中采集卡通过时序控制实现对参考光线信号强度的采集，探测器探测到的参考光线功率谱为：

P_Ref(λ)＝ρ₀η(λ)Δλε(λ)R(λ) (2)

R(λ)是参考光线在引入过程中的光效效率；

同时，探测器接收到的光功率可进一步表示为：

I_Ref(λ)是参考光线信号在雷达系统对应通道中的电信号强度，R是雷达系统对应通道内探测器的响应度；

(c)、利用角反射器，将经过转镜对地物目标进行扫描的部分激光引入到接收模块中，此时雷达系统中的探测器接收到的激光功率谱为：

Q(λ)是利用角反射器反射的光效率，可以准确测量。

步骤S2具体如下：

S21、将公式(2)和公式(4)相比得到：

得到参考光线在引入过程中的光效率R(λ)；

S22、带入到(2)式中，进而从参考光线功率谱中得到：

由(6)式可以得到，激光器发射的每一发脉冲的激光光谱，依据参考光入射到对应通道后，得到激光器出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度。

本发明的优点在于：

(1)激光脉冲经过第一反射镜入射后，会有一部分光线透过第一反射镜，将透射的这部分光线作为参考光，利用一根光纤将参考光线耦合到雷达系统中，实现对每一发脉冲光谱谱线的测量，提高了系统最终测量得到的地物反射谱精度。

(2)机载高光谱成像激光雷达在工作时，先由超连续谱高重频激光器发射出一束激光脉冲，经过第一反射镜后，一部分光线经过转镜对地物目标进行扫描，回波信号沿同轴返回，通过转镜后进入雷达系统，经过接收望远镜后入射到第二反射镜表面，经过第二反射镜改变一次方向，小孔光阑抑制了背景杂散光信号，经过准直抛物镜入射到透射式光栅表面，光栅分光后，经过远心镜头和光束耦合，将不同波段的回波信号耦合到探测处理单元中探测器对应的探测通道。

(3)参考光线耦合到第二反射镜表面，第二反射镜两面都采用镀膜处理，让激光器出射的脉冲可以绝大部分反射，只有微量的光线可以透射，相当于对参考光信号进行了一次衰减，这样的设计起到了特殊的技术效果，可以让回波信号和参考光信号尽可能在同一个量级上。

(4)将参考光线通过多模光纤耦合到第二反射镜表面后通过小孔光阑，这样的设计降低了参考光线未准直而产生杂散光线对地物目标探测精度的影响；同时，将参考光线通过光纤直接耦合进入雷达系统，可以直接利用雷达系统自身的器件对激光器发射的激光光谱进行测量，无需系统之外的光谱仪辅助系统实现对激光光谱的测量。

(5)该方法基于装置可以对机载高光谱成像激光雷达的激光光谱进行实时测量，实现了对地物目标后向散射光谱信息的高精度获取。

附图说明

图1为本发明中装置的结构示意图。

图中标注符号的含义如下：

1-激光器 2-第一反射镜 3-聚焦镜 4-光纤 5-接收望远镜

6-第二反射镜 7-光阑 8-准直抛物镜 9-光栅 10-远心镜头

11-光束耦合器 12-地物目标 13-参考光线 14-转镜

15-处理器

具体实施方式

如图1所示，实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置，包括发射模块、接收模块、参考模块。

所述发射模块还包括发射激光的超连续谱高重频激光器1、转镜14，所述转镜14用于将第一反射镜2反射的激光反射到待测目标上。

所述接收模块还包括依次设置在的接收望远镜5、第二反射镜6、光阑7、准直抛物镜8、光栅9、远心镜头10、光束耦合器11、探测处理单元，所述探测处理单元包括接收光束耦合器11输出光的探测器和接收探测器信号并进行采集处理的处理器，接收望远镜5接收到的光发射到第二反射镜6正面。

所述参考模块包括有设定透光率的第一反射镜2和第二反射镜6，第一反射镜2和第二反射镜6中间还依次设置有聚焦镜3、光纤4，所述发射模块发射激光到第一反射镜2上，激光发射到设定透过率的第一反射镜2上，第一反射镜2中透射的激光经过聚焦镜3后经光纤4传输后输出作为参考光束，所述参考光束发射到第二反射镜6的反面经透射与接收望远镜5发射到第二反射镜6正面的检测光束结合。所述光纤4长度与机载高度有数量级的差距。在该方案中，所述第一反射镜2和第二反射镜6两面均有镀层，且透过率不超过0.1％。在该方案中，所述光纤4长度为100m、芯径为200μm的多模光纤4。激光脉冲经过第一反射镜2入射后，会有一部分光线透过反射镜，将透射的这部分光线作为参考光，利用一根光纤4将参考光线13耦合到雷达系统中，实现对每一发脉冲光谱谱线的测量，提高了系统最终测量得到的地物反射谱精度。

机载高光谱成像激光雷达在工作时，先由超连续谱高重频激光器1发射出一束激光脉冲，经过第一反射镜2后，一部分光线经过转镜14对地物目标12进行扫描，回波信号沿同轴返回，通过转镜14后进入雷达系统，经过接收望远镜5后入射到第二反射镜6表面，经过第二反射镜6改变一次方向，小孔光阑7抑制了背景杂散光信号，经过准直抛物镜8入射到透射式光栅9表面，光栅9分光后，经过远心镜头10和光束耦合，将不同波段的回波信号耦合到探测处理单元中探测器对应的探测通道。

参考光线13耦合到第二反射镜6表面，第二反射镜6两面都采用镀膜处理，让激光器1出射的脉冲可以绝大部分反射，只有微量的光线可以透射，相当于对回波信号进行了依次衰减，这样的设计起到了特殊的技术效果，可以让回波信号和参考光信号尽可能在同一个量级上。

将参考光线13通过多模光纤4耦合到第二反射镜6表面后通过小孔光阑7，这样的设计降低了参考光线13未准直而产生杂散光线对地物目标12探测精度的影响；同时，将参考光线13通过光纤4直接耦合进入雷达系统，可以直接利用雷达系统自身的器件对激光器1发射的激光光谱进行测量，无需系统之外的光谱仪辅助系统实现对激光光谱的测量。

使用上述的实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置的方法，包括以下步骤：

S1、根据高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)和探测器探测到的参考光线13功率谱P_Ref(λ)，其中

λ为光谱标定时得到的各个通道的中心波长λ_NCW，P_R(λ,z)为激光雷达中心波长为λ的通道接收到的回波信号光功率，单位：W；β_G(λ)是地物反射率；D_R是接收望远镜5的有效通光孔径，单位：m；z是激光雷达与被测地表的距离，单位：m，z可以通过测距通道实时进行测量；T_atm(λ,0,z)是激光雷达与被测地表之间的大气在波长λ上的透过率；c(λ)＝ρ₀η(λ)Δλε(λ)，c(λ)为激光器1出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度，ρ₀是激光器1输出平均光谱功率密度，单位：W/nm；η(λ)是激光器1平均光谱功率密度归一化的功率密度光谱分布函数；Δλ是1个通道内对应的光谱带宽，单位：nm；ε(λ)是激光雷达系统的光学效率；

另外，利用角反射器将经过转镜14对地物目标12进行扫描的部分激光引入到接收模块中，获得探测器接收到的激光功率谱P_Cor(λ)；

具体地说，步骤S1具体如下：

(a)、高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)的具体公式如下：

(b)、处理器中采集卡通过时序控制实现对参考光线13信号强度的采集，探测器探测到的参考光线13功率谱为：

P_Ref(λ)＝ρ₀η(λ)Δλε(λ)R(λ) (2)

R(λ)是参考光线13在引入过程中的光效效率，受到反射镜的透过率、光纤4透过率、耦合效率等因素影响；

同时，探测器接收到的光功率可进一步表示为：

I_Ref(λ)是参考光线13信号在雷达系统对应通道中的电信号强度，R是雷达系统对应通道内探测器的响应度；

(c)、利用角反射器，将经过转镜14对地物目标12进行扫描的部分激光引入到接收模块中，此时雷达系统中的探测器接收到的激光功率谱为：

Q(λ)是利用角反射器反射的光效率，可以准确测量。

S2、根据步骤S1中各公式信息，激光器1出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度c(λ)的值。

步骤S2具体如下：

S21、将公式(2)和公式(4)相比得到：

得到参考光线13在引入过程中的光效率R(λ)；

S22、带入到(2)式中，进而从参考光线13功率谱中得到：

由(6)式可以得到，激光器1发射的每一发脉冲的激光光谱，依据参考光入射到对应通道后，得到激光器1出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置，其特征在于，包括激光器、参考模块，所述参考模块包括有设定透光率的第一反射镜(2)和第二反射镜(6)，第一反射镜(2)和第二反射镜(6)中间还依次设置有聚焦镜(3)、光纤(4)，所述激光器发射激光到设定透过率的第一反射镜(2)上，第一反射镜(2)中透射的激光经过聚焦镜(3)后的光束经光纤(4)后作为参考光束；

还包括发射模块，所述发射模块包括激光器、转镜(14)，所述转镜(14)用于将第一反射镜(2)反射的激光反射到待测目标上；

还包括接收模块，所述接收模块还包括依次设置的接收望远镜(5)、第二反射镜(6)、光阑(7)、准直抛物镜(8)、光栅(9)、远心镜头(10)、光束耦合器(11)、探测处理单元，所述探测处理单元包括接收光束耦合器(11)输出光的探测器和接收探测器信号并进行采集处理的处理器(15)，所述参考光束发射到第二反射镜(6)的反面经透射与接收望远镜(5)发射到第二反射镜(6)正面的检测光束结合；

所述光纤(4)的芯径为200μm的多模光纤(4)。

2.根据权利要求1所述的实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置，其特征在于，所述第一反射镜(2)和第二反射镜(6)两面均有镀层，且透过率不超过0.1％。

3.根据权利要求1所述的实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置，其特征在于，所述发射模块包括发射激光的超连续谱高重频激光器(1)。

4.使用权利要求1-3任意一项所述的实时测量机载高光谱成像激光雷达光谱的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)和探测器探测到的参考光线(13)功率谱P_Ref(λ)，其中

λ为光谱标定时得到的各个通道的中心波长λ_NCW，P_R(λ,z)为激光雷达中心波长为λ的通道接收到的回波信号光功率，单位：W；β_G(λ)是地物反射率；D_R是接收望远镜(5)的有效通光孔径，单位：m；z是激光雷达与被测地表的距离，单位：m，z可以通过测距通道实时进行测量；T_atm(λ,0,z)是激光雷达与被测地表之间的大气在波长λ上的透过率；c(λ)＝ρ₀η(λ)Δλε(λ)，c(λ)为激光器(1)出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度，ρ₀是激光器(1)输出平均光谱功率密度，单位：W/nm；η(λ)是激光器(1)平均光谱功率密度归一化的功率密度光谱分布函数；Δλ是1个通道内对应的光谱带宽，单位：nm；ε(λ)是激光雷达系统的光学效率；

另外，利用角反射器将经过转镜(14)对地物目标(12)进行扫描的部分激光引入到接收模块中，获得探测器接收到的激光功率谱P_Cor(λ)；

S2、根据步骤S1中各公式信息，激光器(1)出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度c(λ)的值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S1具体如下：

(a)、高光谱激光雷达方程的回波信号功率P_R(λ,z)的具体公式如下：

(b)、处理器(15)中采集卡通过时序控制实现对参考光线(13)信号强度的采集，探测器探测到的参考光线(13)功率谱为：

P_Ref(λ)＝ρ₀η(λ)Δλε(λ)R(λ) (2)

R(λ)是参考光线(13)在引入过程中的光效效率；

同时，探测器接收到的光功率可进一步表示为：

I_Ref(λ)是参考光线(13)信号在雷达系统对应通道中的电信号强度，R是雷达系统对应通道内探测器的响应度；

(c)、利用角反射器，将经过转镜(14)对地物目标(12)进行扫描的部分激光引入到接收模块中，此时雷达系统中的探测器接收到的激光功率谱为：

Q(λ)是利用角反射器反射的光效率，可以准确测量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2具体如下：

S21、将公式(2)和公式(4)相比得到：

得到参考光线(13)在引入过程中的光效率R(λ)；

S22、带入到(2)式中，进而从参考光线(13)功率谱中得到：

由(6)式可以得到，激光器(1)发射的每一发脉冲的激光光谱，依据参考光入射到对应通道后，得到激光器(1)出射的光脉冲能量入射到雷达系统中探测器功率强度。

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