CN111257851B - 一种基于宽谱光源的光谱测量方法和光谱扫描激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于宽谱光源的光谱测量方法和光谱扫描激光雷达。其中测量方法包括分时调节可调滤波器的透射波长；在特定透射波长下，将宽谱脉冲激光经可调滤波器滤出激光脉冲，脉冲激放大后发射至探测目标，回波信号经同一可调滤波器滤得待测信号，测量待测信号回波强度；测量不同透射波长下回波强度得到探测目标光谱。相关光谱扫描激光雷达采用时分复用技术和光开关选通技术，以支撑上述方法的实现。本申请可最大程度滤除太阳和天空背景噪声，并隔离了布里渊信号、拉曼信号和共振荧光信号，提高了探测光谱纯度和信噪比，同时通过采用全光纤结构，提高系统集成和稳定性。本申请还可提取水下剖面的光谱信号，是目前基于被动水色遥感的重要补充。

Description

一种基于宽谱光源的光谱测量方法和光谱扫描激光雷达

技术领域

本申请涉及激光雷达领域，具体涉及一种基于宽谱光源的光谱测量方法和光谱扫描激光雷达。

背景技术

水色测量与分析是地球观测中的重要环节。由于浮游植物、悬浮泥沙及溶解物能够吸收和(或)散射来自太阳系统，特别是可见波长范围内的自然光，因此会对水下光场及穿越水气界面的向上辐射亮度光谱产生深刻的影响。这个辐射亮度的强度及其随波长的变化可以由辐射计或类似仪器测量。因此，通过分析这一光谱的变化能够感知水中及水下的成分，并由此衍生出“水色学”。水色学的研究结果革命性地改变了生物海洋学领域，特别是随着水色卫星的发展，其已经应用于资源及生态环境监测，气候变化响应与适应，灾害与生态系统预测预警，航运与油气开发等领域，在生物地球化学、物理海洋学、海洋系统模式、海洋渔业、海岸带管理等方面做出了重要贡献。

虽然卫星水色遥感已被广泛应用，但其存在发展的瓶颈，首先，由于其采用太阳光为光源，在无太阳光的晚上及其低太阳角的情况下，无法工作，另外，在白天工作期间，当天空存在云的情况下，其探测存在较大偏差或者无法探测。

发明内容

本申请的目的在于克服背景技术中存在的上述缺陷或问题，提供一种基于宽谱光源的光谱测量方法和光谱扫描激光雷达，以弥补目前基于太阳光为光源的被动遥感技术中，在夜晚以及多云的情况无法工作的缺陷，从而实现全天时的水色遥感监测。

为达成上述目的，采用如下技术方案：

第一技术方案涉及一种基于宽谱光源的光谱测量方法，其包括：分时调节可调滤波器的透射波长；在每一透射波长周期中，宽谱脉冲激光经可调滤波器滤出激光脉冲，激光脉冲经放大后入射到探测目标，回波信号经同一可调滤波器得到待测信号，测量待测信号光强度得到该波长下的回波强度；通过测量不同波长下回波强度，得到探测目标光谱。

第二技术方案基于第一技术方案，其中，所述宽谱脉冲激光和回波信号采用时分复用技术经过同一可调滤波器，具体包括：在所述可调滤波器两端各设置光开关；控制光开关切换，使可调滤波器在第一光通道与第二光通道间切换；所述第一光通道接收宽谱脉冲光激光输出激光脉冲；所述第二光通道接收回波信号输出待测信号；在每一透射波长周期中，包含一个或多个探测周期；在每个探测周期中，依序导通第一光通道和第二光通道。

第三技术方案基于第二技术方案，其中导通第二光通道时，依时序测量待测信号光强度，得到探测目标各个剖面在该波长下的回波强度；并据此得到探测目标各剖面光谱。

第四技术方案涉及一种光谱扫描激光雷达，其包括：宽谱脉冲激光器，其产生宽谱脉冲激光；第一光开关，其设有第一输入端、第二输入端和输出端；其第一输入端连接宽谱脉冲激光器；可调滤波器，其输入端连接第一光开关的输出端，并受控仅使具有透射波长的光通过；第二光开关，其设有输入端、第一输出端和第二输出端；其输入端连接可调滤波器的输出端；放大器，其输入端连接第二光开关的第一输出端，并输出出射信号；发射接收模块，其连接放大器的输出端以接收出射信号并发射；其还连接第一光开关的第二输入端以发送其接收到的回波信号；探测器，其输入端连接第二光开关的第二输出端，用于采集回波信号经滤波后形成的待测信号的光强度并转化成电信号；数据采集和处理模块，其将所述电信号转换成数字信号并进行处理得到光强度值；和控制器，其与宽谱脉冲激光器、第一光开关、可调滤波器、第二光开关和探测器信号连接；其控制宽谱脉冲激光器以特定频率输出宽谱脉冲激光并记录脉冲产生时间；其还控制可调滤波器调节透射波长；其还在控制第一光开关切换至第一输入端时控制第二光开关切换至第一输出端以滤出激光脉冲；其还在控制第一光开关切换至第二输入端时控制第二光开关切换至第二输出端以滤出待测信号；其还控制数据采集和处理模块在激光脉冲产生时间起经特定期间后采集待测信号。

第五技术方案基于第四技术方案，其中，所述控制器还控制数据采集和处理模块在激光脉冲产生时间起经特定期间后多次采集所述电信号。

第六技术方案基于第四技术方案，其中，所述发射接收模块包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜用于接收出射信号并发射；所述接收望远镜用于接收回波信号并发送到第一光开关的第二输入端。

第七技术方案基于第四技术方案，其中，所述发射接收模块包括环形器和收发望远镜；环形器的第一通道放大器与收发望远镜；环形器的第二通道连接收发望远镜和第一光开关的第二输入端；所述收发望远镜用于发射出射信号和接收回波信号。

第八技术方案基于第四技术方案，其中，所述光谱扫描激光雷达还包括延时光纤，所述延时光纤设置于第二光开关的第一输出端与发射接收模块之间。

第九技术方案基于第四技术方案至第八技术方案之任一项，其中，所述光谱扫描激光雷达采用全光纤结构。

相对于现有技术，上述方案具有的如下有益效果：

本申请采用基于宽谱光源的主动遥感技术，弥补目前基于太阳光为光源的被动遥感技术中，在夜晚以及多云的情况无法工作的缺陷，从而实现全天时的水色遥感监测。

分时调节可调滤波器的透射波长，可以得到不同波长下回波强度，以实现对光谱的测量。

采用时分复用技术，通过光开关切换，使宽谱脉冲激光和回波信号分时经过同一可调滤波器，从而仅采用单个激光器，单个滤波器，单个探测器和单通道采集卡实现了光谱提取，简化了系统结构，提高系统集成化和稳定性。

导通第二光通道时，依时序多次采集待测信号光强度，可以获得探测目标各个剖面在该波长下的回波强度，从而能够建立水下各剖面的光谱信息。

由于宽谱脉冲激光和回波信号经同一滤波器，因此不仅可有效隔离太阳和天空背景噪声，还可隔离激光激发的非弹性散射信号，包括布里渊信号、拉曼信号和共振荧光信号，从而提高探测的光谱程度和信噪比。

由于采用可调滤波器，其带宽和中心波长可通过程序调节，因此在针对特定的探测目标时，其可进行优化探测，一次实现多种海洋目标的探测。

控制器还控制数据采集和处理模块在激光脉冲产生时间起经特定期间后依时序多次采集待测信号，得以实现对探测目标各剖面光谱的测量。

通过设置延时光纤，可以让回波信号与宽谱脉冲激光在时域上分离，更有利于测量，且也能降低对第一光开关和第二光开关的切换频率的要求。

通过采用全光纤结构，简化了系统结构，提高系统集成化和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明实施例的技术方案，下面简要介绍所需要使用的附图：

图1为实施例一中的光谱扫描激光雷达结构示意图；

图2为实施例二中的光谱扫描激光雷达结构示意图；

图3为实施例一中可调滤波器透射波长随时间变化示意图；

图4为实施例一中控制器控制动作沿时间分布示意图；

图5为实施例一中探测目标辐射光谱示意图。

主要附图标记说明：

宽谱脉冲激光器1；第一光开关2；可调滤波器3；第二光开关4；放大器5；发射接收模块6，发射望远镜61，接收望远镜62，环形器63，收发望远镜64；探测器7；数据采集和处理模块8；控制器9；延时光纤10。

具体实施方式

权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系乃基于附图所示的方位和位置关系，且仅是为了便于简化描述，而不是暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作。

权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“固接”或“固定连接”，应作广义理解，即两者之间没有位移关系和相对转动关系的任何连接方式，也就是说包括不可拆卸地固定连接、可拆卸地固定连接、连为一体以及通过其他装置或元件固定连接。

权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意为“包含但不限于”。

权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“脉冲产生时间”是指宽谱脉冲激光中，每个脉冲的产生时间。

权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“激光脉冲”是指宽谱脉冲激光通过可调滤波器滤波后形成的具有特定波长和单一脉冲的光。基于此定义显而易见地可知，在控制器每次导通第一光通道时，只能允许单一脉冲通过。

权利要求书和说明书中，除非另有限定，术语“激光脉冲产生时间”特指本次探测周期内，第一光通道导通时允许通过的脉冲的脉冲产生时间。

下面将结合附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，图1示出了实施例一中的光谱扫描激光雷达的结构。如图1所示，实施例一中的光谱扫描激光雷达包括宽谱脉冲激光器1、第一光开关2、可调滤波器3、第二光开关4、放大器5、发射接收模块6、探测器7、数据采集和处理模块8和控制器9。

其中，宽谱脉冲激光器1产生宽谱脉冲激光，宽谱脉冲激光器1可以为LED光源、白光光源和飞秒激光光源，宽谱脉冲激光器1产生的宽谱脉冲激光的光谱范围可从紫外波段到红外波段，具体可根据探测需求而定。该宽谱脉冲激光的中心波长也可根据探测目标优选，从而实现对特定探测目标的锁定，例如探测海洋中不同的藻类时。该宽谱脉冲激光还存在高消光比的特点，从而避免脉冲激光的直流泄露进入探测器，引起系统误差。

第一光开关2共有四个端口，即第一输入端d端、第二输入端a端、输出端b端和弃用输出端c端；其第一输入端d端接宽谱脉冲激光器1，用于接收宽谱脉冲激光；其第二输入端a端接发射接收模块6，用于接收回波信号；其输出端b端接可调滤波器3，用于输出宽谱脉冲激光或回波信号；弃用输出端c端弃用。第一光开关2受控制器9控制，以使第一输入端d端或第二输入端a端切换连通输出端b端，这里的切换连通意指第一输入端d端与输出端b端连通时，第二输入端a端与输出端b端不连通；而第二输入端a端与输出端b端连通时，第一输入端d端与输出端b端不连通。当第一输入端d端与输出端b端连通时，第一光开关2向可调滤波器3输出宽谱脉冲激光；而当第二输入端a端与输出端b端连通时，第一光开关2向可调滤波器3输出回波信号。

可调滤波器3的输入端连接第一光开关2的输出端b端，其输出端连接第二光开关4。可调滤波器3受控制器9控制分时调节透射波长，即仅使具有透射波长的光通过。其包括但不限于光纤布拉格光栅式可调波滤器、声光可调滤波器、基于光栅的滤波器等。其应满足损耗小，可调范围应满足探测要求，透射波长调节精度高，波长调节重复性好的优点。由于采用可调滤波器3，其带宽和中心波长可程序可调，因此在针对特定的探测目标时，其可进行优化探测，一次实现多种海洋目标的探测。

第二光开关4共有四个端口，即输入端a端、弃用输入端d端、第一输出端b端和第二输出端c端；其输入端a端接可调滤波器3的输出端，其第一输出端b端接放大器5，其第二输出端c端接探测器7，其弃用输入端d端弃用。第二光开关4受控制器9控制，其根据第一光开关2的状态而使输入端a端切换连通第一输出端b端或第二输出端c端，这里的切换导通意指输入端a端与第一输出端b端连通时，输入端a端与第二输出端c端不连通；而输入端a端与第二输出端c端连通时，输入端a端与第一输出端b端不连通。第二光开关4受控制器9控制根据第一光开关2的状态切换连通的具体方式为：当第一光开关2的第一输入端d端与输出端b端连通时，控制器9同时控制第二光开关4的输入端a端连通第一输出端b端，以向放大器5输出激光脉冲；当第一光开关2的第二输入端a端与输入端b端连通时，控制器9同时控制第二光开关4的输入端a端连通第二输出端c端，以向探测器7输出待测信号。

放大器5的输入端连接第二关开关4的第一输出端b端，其输出端连接发送接收模块6。放大器5采用满足宽带要求的放大器，以实现对激光脉冲的放大，并输出满足发射要求的出射信号。

发射接收模块6在本实施例中包括发射望远镜61和接收望远镜62。其中，发射望远镜61与放大器5的输出端连接，用于接收放大器5输出的出射信号，并对出射信号准直，向探测目标发射，从而压缩发射角。接收望远镜62与第一光开关2的第二输入端a端连接，以接收探测目标的回波信号并发送至第一光开关2的第二输入端a端。这里的回波信号即出射信号照射在探测目标时的后向散射信号。发射望远镜62和接收望远镜61的布置应满足视场匹配的要求。

探测器7的输入端连接第二光开关4的第二输出端c端，用于采集待测信号的光强度并转化成电信号。探测器5为宽谱响应的探测器，其带宽响应范围覆盖宽谱脉冲激光的宽谱范围。其优选为单光子探测器。

数据采集和处理模块8，其输入端连接探测器7的输出端，用于采集电信号并转换成数字信号进行处理得到光强度值。其包括采集卡和数据处理器。其中采集卡对探测器7输出的电信号进行采集，其由控制器基于宽谱脉冲激光的脉冲产生时间控制触发，其采样率和采集深度根据探测需求由控制器控制。数据处理器用于对采集卡采集的数字信号进行处理，以得到光强度值。

控制器9与宽谱脉冲激光器1、第一光开关2、可调滤波器3、第二光开关4和数据采集和处理模块8信号连接。

控制器9控制宽谱脉冲激光器以特定频率输出宽谱脉冲激光并记录脉冲产生时间。如图4所示，控制器控制宽谱脉冲激光器每隔探测周期产生宽谱光脉冲。

如图3所示，控制器9还控制可调滤波器3每隔透射波长周期调节透射波长。如图4所示，每个透射波长周期包括一个或多个连续的探测周期。

如图4所示，控制器9在每个探测周期中，先导通第一光通道(持续期间为第一光通道导通期间)再导通第二光通道(持续期间为第二光通道导通期间)。在导通第一光通道时，其同时控制第一光开关2的第一输入端d端与输出端b端连通及第二光开关4的输入端a端与第一输出端b端连通；在导通第二光通道时，其同时控制第一光开关2的第二输入端a端与输出端b端连通及第二光开关4的输入端a端与第二输出端c端连通。这里的第一光通道和第二光通道还包括位于第一光开关2和第二光开关4之间的可调滤波器3，其中第一光通道用于接收宽谱脉冲激光并输出激光脉冲，第二光通道用于接收回波信号并滤出待测信号。

如图4所示，控制器9还控制数据采集和处理模块8中的采集卡在激光脉冲产生时间起经第一期间后采集电信号，在一些优选实施例中，其还控制采集卡在激光脉冲产生时间起经第一期间后每隔采集间隔期间多次采集电信号。

本实施例中，整个光谱扫描激光雷达的光路采用全光纤结构。光纤用的光开关可实现高速切换，可达百纳秒级，甚至纳秒级别。

采用本实施例中的光谱扫描激光雷达测量探测目标光谱的方法如图4所示：

每隔透射波长周期，控制器9调节可调滤波器3的透射波长；

每个透射波长周期包括一个或多个探测周期。

在每个探测周期开始时，控制器9控制宽谱脉冲激光器1产生脉冲，并记录脉冲产生时间。

同时控制器9控制第一光通道导通，使该脉冲经过可调滤波器3滤得激光脉冲，该激光脉冲具有特定波长，且只有一个脉冲；第一光通道向放大器5输出激光脉冲，经放大器5放大后形成出射信号，并经发射望远镜61发射至探测目标(例如海洋)。

控制器9在第一光通道导通后经第一光通道导通期间控制第二光通道导通，此时第二光通道接收从接收望远镜62输出的回波信号，并经可调滤波器3以相同的透射波长滤得待测信号，再经过探测器7形成电信号。

第二光通道导通的时长为第二光通道导通期间。在此期间内，探测器7将待测信号转换为电信号。

同样在第二光通道导通期间内，控制器9基于本次探测周期中的脉冲产生时间(激光脉冲产生时间)经第一期间后控制采集卡采集电信号并转换成数字信号；在优选实施例中，控制器9还控制采集卡每隔采集间隔期间多次采集电信号并转换成数字信号。这里的第一期间一般根据海平面与光谱扫描激光雷达的距离决定。即第一期间大约等于该距离的两倍除以光速。而采集间隔期间则受制于采集卡的最高触发频率。

采集卡采集的数字信号经过数据处理器处理后就可以得到该波长下的回波强度，如果在同一探测周期内多次采集，还能够得到探测目标各个剖面在该波长下的回波强度。由于一个透射波长周期可以包含多个探测周期，因此可对计算得到的回波强度求平均值。

通过如图3控制可调滤波器3调节透射波长，则可以测量不同波长下的回波强度，得到探测目标光谱。如果每个探测周期内进行多次采集，还能够得到如图5所示的探测目标不同剖面的光谱。

实施例一中的技术方案采用基于宽谱光源的主动遥感技术，弥补目前基于太阳光为光源的被动遥感技术中，在夜晚以及多云的情况无法工作的缺陷，从而实现全天时的水色遥感监测。实施例一中的技术方案通过分时调节可调滤波器3的透射波长，可以得到不同波长下回波强度，以实现对光谱的测量。实施例中的技术方案采用时分复用技术，通过光开关切换，使宽谱脉冲激光和回波信号分时经过同一可调滤波器3，从而仅采用单个激光器，单个滤波器，单个探测器和单通道采集卡实现了光谱提取，简化了系统结构，提高系统集成化和稳定性。在优选实施例中，在导通第二光通道时，依时序多次采集待测信号光强度，可以获得探测目标各个剖面在该波长下的回波强度，从而能够建立水下各剖面的光谱信息。本实施例中，由于宽谱脉冲激光和回波信号经同一可调滤波器3，因此不仅可有效隔离太阳和天空背景噪声，还可隔离激光激发的非弹性散射信号，包括布里渊信号、拉曼信号和共振荧光信号，从而提高探测的光谱程度和信噪比。本实施例由于采用可调滤波器3，其带宽和中心波长可通过程序调节，因此在针对特定的探测目标时，其可进行优化探测，一次实现多种海洋目标的探测。本实施例通过采用全光纤结构，简化了系统结构，提高系统集成化和稳定性。

实施例二

参见图2，图2示出了实施例二中的扫描激光雷达。如图2所示，实施例二与实施例一的差别主要是在发射接收模块6与放大器5之间增加了延时光纤10(当然，也可以在第二光开关4与放大器5之间增加延时光纤10)，且发射接收模块6的内部结构不同。

通过增加延时光纤10，可以让回波信号与宽谱脉冲激光在时域上分离，更有利于测量，且也能降低对第一光开关2和第二光开关4的切换频率的要求。

实施例二中，发射接收模块6采用收发同轴结构，其包括环形器63和收发望远镜64。其中，环形器63的a端和b端之间形成第一通道；环形器63的b端和c端之间形成第二通道。环形器63的第一通道经过延时光纤10与放大器5的输出端及收发望远镜64连接，用于接收放大器53发送的探出射信号，并发送至收发望远镜64；环形器63的第二通道与收发望远镜64和第一光开关2的第二输入端a端连接，用于接收收发望远镜64发送的回波信号，并发送至第一光开关2的第二输入端a端。收发望远镜64用于发射探测信号和接收回波信号。上述收发同轴结构的发射接收单元6属于现有技术，在此不再赘述。采用收发同轴结构，有利于提高系统集成度。

实施例二中的光谱扫描激光雷达用于测量探测目标光谱的方法与实施例一并无明显不同。在此不再赘述。

上述说明书和实施例的描述，用于解释本申请的保护范围，但并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (6)

1.一种基于宽谱光源的光谱测量方法，其特征在于，包括：

分时调节可调滤波器的透射波长；

在每一透射波长周期中，宽谱脉冲激光经可调滤波器滤出激光脉冲，激光脉冲经放大后入射到探测目标，回波信息经同一可调滤波器得到待测信号，测量待测信号光强度得到该波长下的回波强度；

通过测量不同波长下回波强度，得到探测目标光谱；

所述宽谱脉冲激光和回波信号采用时分复用技术经过同一可调滤波器，具体包括：

在所述可调滤波器两端各设置光开关；

控制光开关切换，使可调滤波器在第一光通道与第二光通道间切换；所述第一光通道接收宽谱脉冲光激光输出激光脉冲；所述第二光通道接收回波信号输出待测信号；

在每一透射波长周期中，包含一个或多个探测周期；在每个探测周期中，依序导通第一光通道和第二光通道；

导通第二光通道时，依时序测量待测信号光强度，得到探测目标各个剖面在该波长下的回波强度；并据此得到探测目标各剖面光谱。

2.一种光谱扫描激光雷达，其特征在于，包括：

宽谱脉冲激光器，其产生宽谱脉冲激光；

第一光开关，其设有第一输入端、第二输入端和输出端；其第一输入端连接宽谱脉冲激光器；

可调滤波器，其输入端连接第一光开关的输出端，并受控仅使具有透射波长的光通过；

第二光开关，其设有输入端、第一输出端和第二输出端；其输入端连接可调滤波器的输出端；

放大器，其输入端连接第二光开关的第一输出端，并输出出射信号；

发射接收模块，其连接放大器的输出端以接收出射信号并发射；其还连接第一光开关的第二输入端以发送其接收到的回波信号；

探测器，其输入端连接第二光开关的第二输出端，用于探测回波信号经滤波后形成的待测信号的光强度并转化成电信号；

数据采集和处理模块，其采集所述电信号并转换成数字信号进行处理得到光强度值；和

控制器，其与宽谱脉冲激光器、第一光开关、可调滤波器、第二光开关和数据采集和处理模块信号连接；其控制宽谱脉冲激光器以特定频率输出宽谱脉冲激光并记录脉冲产生时间；其还控制可调滤波器调节透射波长；其还在控制第一光开关切换至第一输入端时控制第二光开关切换至第一输出端以滤出激光脉冲；其还在控制第一光开关切换至第二输入端时控制第二光开关切换至第二输出端以滤出待测信号；其还控制数据采集和处理模块在激光脉冲产生时间起经特定期间后多次采集所述电信号。

3.如权利要求2所述的一种光谱扫描激光雷达，其特征在于：所述发射接收模块包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜用于接收出射信号并发射；所述接收望远镜用于接收回波信号并发送到第一光开关的第二输入端。

4.如权利要求3所述的一种光谱扫描激光雷达，其特征在于：所述发射接收模块包括环形器和收发望远镜；环形器的第一通道放大器与收发望远镜；环形器的第二通道连接收发望远镜和第一光开关的第二输入端；所述收发望远镜用于发射出射信号和接收回波信号。

5.如权利要求4所述的一种光谱扫描激光雷达，其特征在于：所述光谱扫描激光雷达还包括延时光纤，所述延时光纤设置于第二光开关的第一输出端与发射接收模块之间。

6.如权利要求2至5中任一项所述的一种光谱扫描激光雷达，其特征在于：所述光谱扫描激光雷达采用全光纤结构。

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