CN111708044B - 机载超连续激光50个波段高光谱雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了机载超连续激光高光谱激光雷达系统(50个波段，400‑900纳米)，包括综控系统、存储单元、超连续谱激光系统、发射光学系统、反射镜、扫描系统、接收光学系统、超连续高光谱激光探测系统、面阵CCD相机等。其工作原理是综控系统控制超连续谱激光系统发出连续高光谱脉冲激光(下称“激光”)，发射光学系统对激光扩束准直，扫描系统发射激光到地物表面，反射的激光被扫描系统接收，传输给接收光学系统，聚焦到高光谱激光探测系统，输出激光高光谱和三维空间数据，与高分辨率多光谱数据一起存储到存储单元。其功能是全天时同时获取地表物体高光谱(波段50个，波谱覆盖400‑900纳米，光谱分辨率10纳米)、空间三维(地面分辨率优于0.5米)数据。

Description

机载超连续激光50个波段高光谱雷达系统
技术领域
本发明涉及机载激光雷达(Light Detection And Ranging，简称LiDAR)，尤其涉及一种用于全天时主动式获取地物激光高光谱(50个波段，波谱覆盖400-900纳米,光谱分辨率10纳米)和空间三维数据(地面分辨率优于0.5米)的雷达系统。
技术背景
目前，高光谱成像技术可获取物体表面丰富的光谱数据，但缺乏地物的空间三维数据，尤其是在垂直方向上的空间分布数据。另一方面，激光雷达(LiDAR)可快速、直接、高精度地获取地物的三维空间数据,但目前国际上现有的雷达成像系统通常采用固化在某一特定波长的激光光源，导致不能获取地物表面的高光谱数据。国际上，已研究多年的将传统高光谱和激光雷达两种传感器数据融合技术和最近几年开展的同时获取目标地物空间三维光谱信息的光学仪器都存在一定局限性，如传统高光谱依赖太阳作为光源导致无法进行全天时高光谱数据获取，无法反演植物晚间的生化、理化和晚间作用参数，植物高光谱和冠层数据不能估算植被垂直分布的生理参数，传统的激光雷达只能获取植被空间三维信息和单波段激光反射数据，传统的高光谱和激光雷达获得的异构数据难以精确配准，无论是传统的高光谱还是激光雷达都不能同时获取植被垂直分布高光谱数据和空间三维数据。申请号为CN201510591715.3的专利公开了一种高光谱激光雷达目标样品试验装置与方法，但其存在不能同时获取目标样品三维空间数据的缺陷。申请号为CN201810030256.5的专利公开了一种基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，但其存在不能获取目标地物三维空间数据的缺陷。申请号为CN201611131238.3的专利公开了一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统及其扫描方法，其缺陷在于只能获取单波段激光的地物反射数据和三维空间数据。为此，基于传统高光谱和激光雷达的缺陷和优点，本发明提出了一种全天时主动式机载超连续激光高光谱雷达系统(50个波段，400-900纳米)。
发明内容
本发明的目的是解决上述传统高光谱以太阳作为光源导致无法进行全天时高光谱数据获取、无法获取地物空间垂直参数和激光雷达只能获取地物空间三维数据和单波段激光反射数据以及传统的高光谱和激光雷达获得的异构数据难以精确配准等问题，本发明设计了一种面向机载的超连续激光高光谱雷达系统(50个波段，400-900纳米)，本发明的机载超连续激光高光谱雷达系统可以实现全天时主动获取地物激光高光谱和空间三维数据。
机载超连续激光高光谱雷达系统(50个波段，400-900纳米)主要包括机械结构、光路、探测三个部分和工作过程。
机械结构包括综控系统与存储单元、超连续谱激光系统、发射光学系统、反射镜、扫描系统、接收光学系统、超连续高光谱激光探测系统、面阵CCD相机、GPS和IMU十个部分。其中，综控系统与存储单元由综控系统和存储单元两部分组成，综控系统通过总线与超连续谱激光系统、扫描系统、超连续高光谱激光探测系统、面阵CCD相机、GPS和IMU组成的POS系统相连，存储单元专门用来存储数据。
综控系统与存储单元由综控系统和存储单元两个部分组成，综控系统控制超连续谱激光系统发射连续高光谱脉冲激光，扫描系统进行Z字型扫描，超连续高光谱激光探测系统将地物反射的连续高光谱脉冲激光处理成激光高光谱和三维空间数据，面阵CCD相机拍照获取高分辨率多光谱数据，GPS和IMU组成的POS系统获取精确的定位和时间信息、飞行速度和航向、俯仰和翻滚等姿态信息，并根据这些信息和导航信息控制飞行平台的飞行路线和姿态，获取地物激光高光谱、三维空间和多光谱数据，存储数据到存储单元。
超连续谱激光系统通过总线接受综控系统控制，通过出光瞳与发射光学系统相连。其特征是发射400-900纳米连续高光谱脉冲激光。其功能是接收综控系统指令，发射连续高光谱脉冲激光。
发射光学系统通过入光瞳与激光器出光瞳对接，通过反射镜将连续高光谱脉冲激光传输给扫描系统。其特征是采用反射式光学系统结构形式，基于超大相对孔径、小型化的设计约束，采用离轴两反高次非球面结构，实现全波段无色差高像质的成像。其中，主镜为凸双曲面，采用Hindle球零位补偿检验技术，通过焦点自准直手段完成光路的干涉检测；次镜为二次非球面，采用高精度零位补偿检验技术，完成反射镜面形精度检测。其功能是扩束和准直。
反射镜接收发射光学系发射的连续高光谱脉冲激光，反射给扫描系统。其特征是与发射系统发射的连续高光谱脉冲激光呈45°夹角。其功能是反射连续高光谱脉冲激光。
扫描系统由摆扫镜、力矩电机、光电编码器和基座组成。其中，摆扫镜设计为双面对称结构，具有天然的静平衡特性，采用高比刚度材料，降低镜体的转动惯量，提高镜体的刚度，易于实现高稳定度的驱动和良好的镜面面形。其通过总线接受综控系统控制，旋转力矩电机，带动摆扫镜摆扫，可以随着高度变化改变摆扫弧度实现地面分辨率优于0.5米。其功能是采用Z字型扫描方式发射连续高光谱谱脉冲激光或接收地物反射的连续高光谱脉冲激光。另外，光电编码器实时将摆扫镜的位置信息传输给综控系统，综控系统在每扫完一行时修正扫描系统的转速信息，调整摆扫镜摆扫弧度，防止误差累积。
接收光学系统通过主镜接收扫描系统反射的连续高光谱脉冲激光，经过两次反射，由副镜会聚连续高光谱脉冲激光给超连续高光谱激光探测系统。其特征是采用反射式光学系统结构形式，基于超大相对孔径、小型化的设计约束，采用离轴两反高次非球面结构，实现全波段无色差高像质的成像。其中，主镜为凸双曲面，采用Hindle球零位补偿检验技术，通过焦点自准直手段完成光路的干涉检测；次镜为二次非球面，采用高精度零位补偿检验技术，完成反射镜面形精度检测。其功能是接收和会聚地物反射的连续高光谱脉冲激光。
超连续高光谱激光探测系统由接收光学单元、耦合传输光纤、小孔狭缝、校正透镜、凹面光栅、入射连续高光谱脉冲激光、光栅、光阴极、光电子、网孔、聚焦极、阳极、偏转板、MPC、荧光屏、相机、图像处理单元、全波形反演单元、时序控制器、延时器、触发电压发生器组成。其中，入射连续高光谱脉冲激光、光栅、光阴极、网孔、光电子、聚焦极、阳极、偏转板、MPC、荧光屏、相机、图像处理单元、全波形反演单元、时序控制器、延时器、触发电压发生器组成探测单元。接收光学系统通过小孔狭缝接收连续高光谱脉冲激光，通过接口与耦合传输光纤连接，其功能是接收接收光学系统聚焦的连续高光谱脉冲激光，传输给耦合传输光纤。耦合传输光纤接收接收光学系统输出的连续高光谱脉冲激光，输出连续高光谱脉冲激光给小孔狭缝，其功能是传输连续高光谱脉冲激光。小孔狭缝与耦合传输光纤对接，输出连续高光谱脉冲激光，其功能是输出连续高光谱脉冲激光。校正透镜接收透过小孔狭缝的连续高光谱脉冲激光，输出校正后的连续高光谱脉冲激光，其功能是校正激光。凹面光栅接收校正透镜输出的连续高光谱脉冲激光，再反射给校正透镜，其功能是与校正透镜结合将光栅成像组件的单块反射镜分成两个，经过偏心和离轴化设计，形成紧凑型光栅色散分光结构，输出会聚的入射连续高光谱脉冲激光。光栅接收校正透镜校正的入射连续高光谱脉冲激光，输出分辨率10纳米的50个波段高光谱脉冲激光，其功能是发射分辨率10纳米的50个波段高光谱脉冲激光。光阴极接收光栅发射的50个波段高光谱脉冲激光，在对应的位置发射与50个波段高光谱脉冲激光对应的光电子，其功能是将50个波段高光谱脉冲激光转换成在同一行按波段顺序排列的光电子。光电子是光阴极发射的与50个波段高光谱脉冲激光对应的光电子。网孔接收光阴极发射的同一行按波段顺序排列的光电子，输出同一行按波段顺序排列的光电子，其功能是统一光电子出射角度，对光电子进行加速，减少光电子在光阴极和网孔之间的渡越时间和渡越弥散，提高相机成像能力。聚焦极接收网孔发射的同一行按波段顺序排列的光电子，输出聚焦后的同一行按波段顺序排列的光电子，其功能是聚焦光电子，保证成像清晰。阳极接收聚焦极聚焦后的同一行按波段顺序排列的光电子，输出同一行按波段顺序排列的光电子给偏转板，其功能是加速聚焦后的同一行按波段顺序排列的光电子，使其能够轰击荧光屏，相机清晰成像。偏转板接收阳极加速后的同一行按波段顺序排列的光电子，输出同一行按波段顺序排列的偏转光电子，其功能是将光电子在空间上偏转到不同的位置，即荧光屏垂直方向排列的不同行光电子。MPC，又称为微通道管，接收同一行按波段顺序排列的偏转光电子，输出能量倍增的同一行按波段顺序排列的光电子，其功能是倍增光电子能量，保证荧光屏产生光信号、相机成像清晰。荧光屏接收同一行按波段顺序排列的倍增光电子，产生同一行按波段顺序排列的光信号，其信号的亮度代表地物反射的按波段顺序排列的脉冲激光的强度，水平方向代表地物反射的按波段顺序排列的脉冲激光的强度，垂直方向代表时间，其功能是产生光信号。相机接收荧光屏上的光信号，输出激光高光谱图像给图像处理单元，其功能是记录和输出图像。图像处理单元接收相机输出的激光高光谱图像，输出量化采样后的激光高光谱图像给全波形反演单元，其功能是量化采样。全波形反演单元接收来自图像处理单元的量化采样激光高光谱图像，输出反演的全波形激光高光谱数据，其功能是将量化采样激光高光谱图像反演成激光高光谱和三维空间数据。时序控制器接收综控系统的信号，输出所需要延迟时间给延时器，其功能是计算延迟时间。延时器接收时序控制器的延迟时间，控制触发电压发生器产生偏置电压，其功能是根据时间信息控制触发电压发生器产生偏置电压。触发电压发生器接收延时器的信号，使偏转板产生偏置电压，进而产生随时间变化的不同强度偏转电场。
面阵CCD相机主要用来获取高分辨率多光谱数据，辅助激光高光谱雷达数据的应用，如分类。
光路主要包括发射光学系统光路、扫描光学系统光路和接收光学系统光路。
发射光学系统光路基于一个主镜和一个副镜采用离轴双反式实现光路的扩束和准直。主镜接收来自以超连续谱激光系统为光源发射的扩束连续高光谱脉冲激光，反射会聚给副镜。副镜接收主镜会聚的连续高光谱脉冲激光，反射出平行的连续高光谱脉冲激光，起到准直的作用。平行的连续高光谱脉冲激光发射到反射镜，反射给扫描光学系统。
扫描光学系统光路采用收发共轴结构，同时承担发射连续高光谱脉冲激光和接收地物反射的连续高光谱脉冲激光的任务。反射镜反射的连续高光谱脉冲激光被摆扫镜接收，发射到地物表面，地物反射连续高光谱脉冲激光，被摆扫镜接收，反射给接收光学系统。
接收光学系统光路基于一个主镜和一个副镜采用离轴双反式实现光路会聚。主镜接收来自扫描光学系统反射的连续高光谱脉冲激光，发射给副镜，副镜将接收到的连续高光谱脉冲激光会聚给超连续高光谱激光探测系统。
超连续高光谱激光探测系统探测原理是综控系统一方面发射信号给超连续谱激光系统发射连续高光谱脉冲激光，经过光学发射系统扩束和准直、反射镜反射、扫描系统发射，到达地物表面，地物反射的连续高光谱脉冲激光被扫描系统接收，反射给光学接收系统，通过小孔狭缝进入超连续高光谱激光探测系统。进入超连续高光谱激光探测系统的连续高光谱脉冲激光首先被接收光学单元所接收，经过耦合传输光纤传输给校正透镜校正，后再经凹面光栅会聚给校正透镜再校正，被光栅接收，分成分辨率10纳米的50个波段高光谱脉冲激光，照射到光阴极，在光阴极相应位置发射与50个波段高光谱脉冲激光相对应的同一行按波段顺序排列的光电子，经过网孔加速，统一光电子出射角度，对光电子进行加速，减少光电子在光阴极和网孔之间的渡越时间和渡越弥散，再经过聚焦极聚焦，阳极加速，进入偏转板偏转。另一方面，综控系统同时发送信号给探测单元，控制相机提前曝光、时序控制器计算时间并发送给延时器控制触发电压发生器在光子进入偏转板时产生偏置电压，进而产生随时间变化不同强度的电场，偏转进来的光电子，经过MPC倍增，轰击到荧光屏上产生光信号，相机记录并传输激光高光谱图像给图像处理单元量化采样，再传输给全波形反演单元反演全波形激光高光谱和三维空间数据，传输给综控系统，存储在存储单元。
机载超连续激光高光谱雷达系统(50个波段，400-900纳米)的工作过程是：
(1)综控系统接收GPS产生的PPS信号后触发综控系统中的计时器计时。
(2)综控系统读取GPS接收的位置信息和UTC时间保存到存储单元中，控制IMU工作，读取飞行平台姿态信息加上时间标签存储到存储单元中。
(3)综控系统通过接口发送指令，控制超连续谱激光系统发射连续高光谱脉冲激光，经过发射光学系统扩束和准直，反射镜反射，扫描系统发射，到达地物表面。
(4)地物反射连续高光谱脉冲激光被扫描系统接收并反射给接收光学系统会聚，传输给超连续高光谱激光探测系统，计时器计时。
(5)超连续高光谱激光探测系统将接收到的连续高光谱脉冲激光转换成激光高光谱数据和三维空间数据，传输给综控系统，存储在存储单元。
(6)综控系统将激光高光谱数据、三维空间数据和高分辨率多光谱数据存储在存储单元。
(7)然后重复(2)至(6)过程直到扫描任务完成。其中，在系统运行过程中，扫描系统采用Z字型扫描并不断调整摆扫镜转动的位置，光电编码器实时把摆扫镜的位置信息传输给综控系统，综控系统每扫完一行修正扫描系统的转速信息，调整摆扫镜摆扫弧度，实现地面分辨率优于0.5米,同时防止误差累积。与此同时，面阵CCD相机获取相应的高分辨率多光谱数据。
(8)待机载超连续激光高光谱雷达系统降落地面后，数据经过处理生成精确的带空间三维坐标的激光高光谱数据。
本发明相对已有技术，主要有以下优点：
(1)集成了传统高光谱和单波段激光雷达的优点，既能够获取地物高光谱波谱数据，也能够获取地物空间三维坐标，可以用于反演地物的空间三维参数，如植被生理参数的空间三维垂直分布。
(2)采用超连续高光谱脉冲激光器，可以避免使用太阳作为不稳定光源，实现白天和黑夜全天时高光谱成像，获取地物的高光谱数据。
(3)由于采用同一台仪器同时获取地物的高光谱波谱数据和空间三维坐标，避免了将传统激光雷达和高光谱两种传感器数据融合的精度差的问题，实现了高光谱和激光雷达获取的异构数据精确配准。
附图说明
图1是机载超连续激光高光谱雷达系统结构原理及工作示意图。
图中标记：1-飞行平台；2-隔振单元；3-稳定平台；4-光学窗口；5-载荷系统；501-综控系统与存储单元；502-超连续谱激光系统；503-发射光学系统；504-反射镜；505-扫描系统；506-接收光学系统；507-超连续高光谱激光探测系统；508-面阵CCD相机；509-IMU；510-GPS。
图2是发射光学系统。
图中标记：301-光源；302-主镜；303-副镜。
图3是扫描系统。
图中标记：201-摆扫镜；202-力矩电机；203-光电编码器；204-基座。
图4是接收光学系统。
图中标记：601-主镜；602-副镜；603-小孔狭缝。
图5是超连续高光谱激光探测系统。
图中标记：701-接收光学单元；702-耦合传输光纤；703-小孔狭缝；704-校正透镜；705-凹面光栅；706-入射连续高光谱脉冲激光；707-光栅；708-光阴极；709-光电子；710-网孔；711-聚焦极；712-阳极；713-偏转板；714-MPC；715-荧光屏；716-相机；717-图像处理单元；718-全波形反演单元；719-时序控制器；720-延时器；721-触发电压发生器；722-探测单元。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例：
本发明机载超连续激光高光谱雷达系统(50个波段，400-900纳米)实施例包括机械结构、光路和探测三个部分以及工作过程。
结合图1，说明本实施例的机械结构。其包括飞行平台1、隔振单元2、稳定平台3、光学窗口4和载荷系统5。其中，载荷系统5包括综控系统与存储单元501、超连续谱激光系统502、发射光学系统503、扫描系统504、反射镜505、接收光学系统506、超连续高光谱激光探测系统507、面阵CCD相机508、GPS509和IMU510。其中，综控系统与存储单元501通过总线与超连续谱激光系统502、扫描系统504、超连续高光谱激光探测系统507、面阵CCD相机508、GPS509和IMU510组成的POS系统511相连。
结合图1，说明本实施例机械结构的综控系统与存储单元501。其由综合控制系统和存储单元组成，综控系统控制超连续谱激光系统502发射连续高光谱脉冲激光，扫描系统505进行Z字型扫描，超连续高光谱激光探测系统507将地物反射的连续高光谱脉冲激光处理成激光高光谱和三维空间数据，面阵CCD相机508拍照获取高分辨率多光谱数据，GPS509和IMU510组成的POS系统511获取精确的定位和时间信息、飞行速度和航向、俯仰和翻滚等姿态信息，并根据这些信息和导航信息控制飞行平台的飞行路线和姿态，获取地物激光高光谱、三维空间和多光谱数据，存储数据到存储单元。
结合图1，说明本实施例机械结构的超连续谱激光系统502。其通过总线接受综控系统控制，通过出光瞳与发射光学系统相连。其特征在于发射400-900纳米连续高光谱脉冲激光。
结合图2，说明本实施例机械结构的发射光学系统503。其由超连续谱激光系统502作为光源301、主镜302和副镜303组成。其特征在于是采用双反射光路实现对超连续谱激光系统发出的连续高光谱脉冲激光脉冲进行扩束和准直。
结合图1，说明本实施例机械结构的反射镜504。其采用全波段反射镜，主要是反射系统发射的连续高光谱脉冲激光。
结合图3，说明本实施例机械结构的扫描系统505。其采用同一个扫描系统实现收发共轴的Z字型扫描和接收，由摆扫镜501、力矩电机502、光电编码器503和基座504组成。其通过总线接受综控系统控制，旋转力矩电机，带动摆扫镜摆扫1毫弧度，实现地面分辨率0.5米，若摆扫弧度减小可以实现地面分辨率优于0.5米。其功能是采用Z字型扫描方式发射连续高光谱谱脉冲激光或接收地物反射的连续高光谱脉冲激光。另外，光电编码器实时把摆扫镜的位置信息传输给综控系统，综控系统在每扫完一行时修正扫描系统的转速信息，调整摆扫镜摆扫弧度，防止误差累积。
结合图3，说明本实施例机械结构的接收光学系统505。接收光学系统506主要是采用双反射光路接收扫描系统反射的连续高光谱脉冲激光，会聚给超连续高光谱激光探测系统。
结合图5和图3，说明本实施例机械结构的超连续高光谱激光探测系统507。其由接收光学单元701、耦合传输光纤702、小孔狭缝703、校正透镜704、凹面光栅705、入射连续高光谱脉冲激光706、光栅707、光阴极708、光电子709、网孔710、聚焦极711、阳极712、偏转板713、MPC 714、荧光屏715、相机716、图像处理单元717、全波形反演单元718、时序控制器719、延时器720、触发电压发生器721组成。其中，入射连续高光谱脉冲激光706、光栅707、光阴极708、光电子709、网孔710、聚焦极711、阳极712、偏转板713、MPC 714、荧光屏715、相机716、图像处理单元717、全波形反演单元718、时序控制器719、延时器720、触发电压发生器721组成探测单元722。接收光学单元701通过小孔狭缝603接收连续高光谱脉冲激光，通过接口与耦合传输光纤702连接，其功能是接收接收光学系统聚焦的连续高光谱脉冲激光，传输给耦合光纤。耦合传输光纤702接收接收光学单元701输出的连续高光谱脉冲激光，输出连续高光谱脉冲激光给小孔狭缝703，其功能是传输连续高光谱脉冲激光。小孔狭缝703与耦合传输光纤702对接，输出连续高光谱脉冲激光，其功能是输出连续高光谱脉冲激光。校正透镜704接收透过小孔狭缝703的连续高光谱脉冲激光，输出校正后的连续高光谱脉冲激光，其功能是校正激光。凹面光栅705接收校正透镜704输出的连续高光谱脉冲激光，反射连续高光谱脉冲激光给校正透镜704，其功能是与校正透镜704结合将光栅成像组件的单块反射镜分成两个，经过偏心和离轴化设计，形成紧凑型光栅色散分光结构，输出会聚的入射连续高光谱脉冲激光706。光栅707接收校正透镜校正的高光谱入射连续高光谱脉冲激光706，输出分辨率10纳米的50个波段高光谱脉冲激光，其功能是发射分辨率10纳米的50个波段高光谱脉冲激光。光阴极708接收光栅707发射的50个波段高光谱脉冲激光，在对应的位置发射与50个波段高光谱脉冲激光对应的光电子，其功能是将50个波段高光谱脉冲激光转换成在同一行按波段顺序排列的光电子。光电子709是光阴极发射的与50个波段高光谱脉冲激光对应的光电子。网孔710接收光阴708极发射的同一行按波段顺序排列的光电子709，输出同一行按波段顺序排列的光电子709，其特征在于统一光电子出射角度，对光电子进行加速，减少光电子在光阴极708和网孔710之间的渡越时间和渡越弥散，提高相机成像能力。聚焦极711接收网孔710发射的同一行按波段顺序排列的光电子709，输出聚焦后的同一行按波段顺序排列的光电子709，其特征在于聚焦光电子，保证成像清晰。阳极712接收聚焦极711聚焦后的同一行按波段顺序排列的光电子709，输出同一行按波段顺序排列的光电子给偏转板713，其功能是加速聚焦后的同一行按波段顺序排列的光电子，使其能够轰击荧光屏，相机清晰成像。偏转板713接收阳极712加速后的同一行按波段顺序排列的光电子709，输出同一行按波段顺序排列的偏转光电子709，其功能是将光电子在空间上偏转到不同的位置，即荧光屏垂直方向排列的不同行光电子。MPC714，又称为微通道管，接收同一行按波段顺序排列的偏转光电子709，输出能量倍增的同一行按波段顺序排列的光电子709，其功能是倍增光电子能量，保证荧光屏产生光信号、相机成像清晰。荧光屏715接收同一行按波段顺序排列的倍增光电子709，产生同一行按波段顺序排列的光信号，其特征在于信号的亮度代表地物反射的按波段顺序排列的脉冲激光的强度，水平方向代表地物反射的按波段顺序排列的脉冲激光的强度，垂直方向代表时间。相机716接收荧光屏715上的光信号，输出激光高光谱图像给图像处理单元717，其功能是记录和输出图像。图像处理单元717接收相机716输出的激光高光谱图像，输出量化采用后的激光高光谱图像给全波形反演单元718，其功能是量化采样。全波形反演单元718接收来自图像处理单元718的量化采样激光高光谱图像，输出反演的全波形激光高光谱数据，其功能是将量化采样激光高光谱图像反演成激光高光谱和三维空间数据。时序控制器719接收综控系统的信号，输出所需要延迟时间给延时器720，其特征在于计算延迟时间。延时器720接收时序控制器719的延迟时间，控制触发电压发生器721产生偏置电压，其功能是根据时间信息控制触发电压发生器产生偏置电压。触发电压发生器721接收延时器720的信号，使偏转板713产生偏置电压，进而产生随时间变化的不同强度偏转电场。
面阵CCD相机508是用来获取多光谱高分辨率数据，辅助激光高光谱雷达数据应用，如分类精度验证。
本实施例光路主要包括发射光学系统光路、扫描光学系统光路和接收光学系统光路。
结合图1和图2，说明实施例光路的发射光学系统503光路。其基于一个主镜302和一个副镜303采用离轴双反式实现光路的扩束和准直。主镜302接收来自以超连续谱激光系统为光源301发射的扩束连续高光谱脉冲激光，反射会聚给副镜303。副镜303接收主镜302会聚的连续高光谱脉冲激光，反射出平行的连续高光谱脉冲激光，其功能是准直。平行的连续高光谱脉冲激光发射到反射镜504，反射给扫描光学系统505。
结合图1和图3，说明实施例光路的扫描光学系统505光路。其采用收发共轴结构，同时承担发射连续高光谱脉冲激光和接收地物反射的连续高光谱脉冲激光的任务。反射镜504反射的连续高光谱脉冲激光被摆扫镜501接收，发射到地物表面，地物反射连续高光谱脉冲激光，被摆扫镜501接收，反射给接收光学系统506。
结合图1和图4，说明实施例光路的接收光学系统506光路。其采用一个主镜601和一个副镜602采用离轴双反式实现光路会聚。主镜601接收来自扫描光学系统反射的连续高光谱脉冲激光，发射给副镜602，副镜将接收到的连续高光谱脉冲激光会聚给超连续高光谱激光探测系统507。
结合图1和图5，说明实施例探测的超连续高光谱激光探测系统507中的探测单元723。其探测原理是综控系统501一方面发射信号给超连续谱激光系统502发射连续高光谱脉冲激光，经过光学发射系统503扩束和准直、反射镜504反射、扫描系统505发射，到达地物表面，地物反射的连续高光谱脉冲激光被扫描系统505接收，反射给光学接收系统506，通过小孔狭缝进入超连续高光谱激光探测系统507。进入超连续高光谱激光探测系统的连续高光谱脉冲激光首先被接收光学单元701所接收，经过耦合传输光纤702传输给校正透镜704校正，后再经凹面光栅705会聚给校正透镜704再校正，被光栅707接收，分成分辨率10纳米的50个波段高光谱脉冲激光，照射到光阴极708，在光阴极相应位置发射与50个波段高光谱脉冲激光相对应的同一行按波段顺序排列的光电子709，经过网孔710加速，统一光电子出射角度，对光电子进行加速，减少光电子在光阴极和网孔之间的渡越时间和渡越弥散，再经过聚焦极711聚焦，阳极712加速，进入偏转板713偏转。另一方面，综控系统501同时发送信号给探测单元720，控制相机716提前曝光、时序控制器719计算时间并发送给延时器720控制触发电压发生器721在光电子709进入偏转板713时产生偏置电压，进而产生随时间变化不同强度的电场，偏转进来的光电子，经过MPC714倍增，轰击到荧光屏715上产生光信号，相机716记录并传输激光高光谱图像给图像处理单元717量化采样，再传输给全波形反演单元718反演全波形激光高光谱和三维空间数据，传输给综控系统501，存储在存储单元501。
结合图1，说明本实施例的工作过程。机载超连续激光高光谱雷达系统(50个波段，400-900纳米)搭载在100m低空飞机上进行高光谱数据和三维空间数据采集工作，发射单个连续激光脉冲可探测1×1m的目标区域，生成三维距离误差小于0.01m，像素间距为0.5m。详细过程如下：
(1)综控系统501接收GPS509产生的PPS信号后触发综控系统中的计时器计时。
(2)综控系统501读取GPS509接收的位置信息和UTC时间保存到存储单元501中，控制IMU510工作，读取飞行平台1姿态等POS数据加上时间标签存储到存储单元501中。
(3)综控系统501通过接口发送指令，计时器计时，控制超连续谱激光系统502发射连续高光谱脉冲激光，经过发射光学系统503扩束和准直，反射镜504反射，扫描系统505发射，到达地物表面。
(4)地物反射连续高光谱脉冲激光被扫描系统接收505并反射给接收光学系统506会聚，传输给超连续高光谱激光探测系统507，计时器计时。
(5)超连续高光谱激光探测系统将接收到的连续高光谱脉冲激光转换成激光高光谱数据和三维空间数据，传输给综控系统，存储在存储单元。
(6)综控系统501将激光高光谱数据、三维空间数据和高分辨率多光谱数据存储在存储单元。
(7)然后重复(2)至(6)过程直到扫描任务完成。其中，在系统运行过程中，扫描系统505采用Z字型扫描并不断调整摆扫镜转动的位置，光电编码器实时把摆扫镜的位置信息传输给综控系统，综控系统每扫完一行修正扫描系统的转速信息，调整摆扫镜摆扫弧度，实现地面分辨率优于0.5m,同时防止误差累积。与此同时，面阵CCD相机获取相应的高分辨率多光谱数据。
(8)待机载超连续激光高光谱雷达系统降落地面后，数据经过处理生成精确的带空间三维坐标的激光高光谱数据。

Claims (2)

1.一种机载超连续激光高光谱雷达系统，包括综控系统、存储单元、超连续谱激光系统、发射光学系统、反射镜、扫描系统、接收光学系统、超连续高光谱激光探测系统、面阵CCD相机、GPS和IMU；综控系统通过总线控制超连续谱激光系统发射连续高光谱脉冲激光，控制扫描系统进行Z字型扫描，控制超连续高光谱激光探测系统将地物反射的连续高光谱脉冲激光处理成激光高光谱和三维空间数据，控制面阵CCD相机拍照获取高分辨率多光谱数据，控制GPS和IMU组成的POS系统获取飞行平台精确的定位、时间、飞行速度、航向、俯仰和翻滚等信息并导航飞行平台，获取地物激光高光谱、三维空间和多光谱数据并存放到存储单元；该系统特征在于机载平台发射400-900纳米连续高光谱脉冲激光，同时获取目标地物的激光高光谱(光谱分辨率10纳米)和空间三维(地面分辨率优于0.5米)数据以及高分辨率多光谱数据；该系统特征还在于发射光学系统通过入光瞳与超连续谱激光系统出光瞳对接，通过反射镜将连续高光谱脉冲激光传输给扫描系统；发射光学系统采用反射式光学系统结构形式，基于超大相对孔径、小型化的设计约束，采用离轴两反高次非球面结构，实现全波段无色差高像质的成像；主镜为凸双曲面，拟采用Hindle球零位补偿检验技术，通过焦点自准直手段完成光路的干涉检测；次镜为二次非球面，拟采用高精度零位补偿检验技术，完成反射镜面形精度检测；该系统特征还在于反射镜与发射光学系统发射的连续高光谱脉冲激光冲呈45°夹角，接收光学系统接收的连续高光谱脉冲激光，反射给扫描系统；该系统特征还在于扫描系统包括摆扫镜、力矩电机、光电编码器和基座；摆扫镜设计为双面对称结构，采用高比刚度材料；光电编码器实时把摆扫镜的位置信息传输给综控系统，综控系统在每扫完一行时修正扫描系统的转速信息，并调整摆扫镜摆扫弧度，消除累积误差；扫描系统采用收发共轴Z字型扫描方式发射连续高光谱脉冲激光或接收地物反射的连续高光谱脉冲激光；综控系统通过总线控制扫描系统旋转力矩电机，带动摆扫镜摆扫，可以随着高度变化改变摆扫弧度实现地面分辨率优于0.5米；该系统特征还在于接收光学系统通过主镜接收扫描系统反射的连续高光谱脉冲激光，经过两次反射，由副镜会聚连续高光谱脉冲激光给超连续高光谱激光探测系统；该系统特征还在于超连续高光谱激光探测系统包括接收光学单元、耦合传输光纤、小孔狭缝、校正透镜、凹面光栅和探测单元，其中，探测单元包括光栅、光阴极、网孔、聚焦极、阳极、偏转板、MPC、荧光屏、相机、图像处理单元、全波形反演单元、时序控制器、延时器、触发电压发生器；超连续高光谱激光探测系统通过小孔狭缝接收接收光学系统传输的连续高光谱脉冲激光，输出地物的激光高光谱(光谱分辨率10纳米)和空间三维(地面分辨率优于0.5米)数据；探测单元通过光栅接收的连续高光谱脉冲激光获取地物的空间、时间和光谱数据。
2.一种机载超连续激光高光谱雷达系统，其特征还在于工作过程：
(1)综控系统接收GPS产生的PPS信号后触发综控系统中的计时器计时；
(2)综控系统读取GPS接收的位置信息和UTC时间保存到存储单元中，控制IMU工作，读取飞行平台姿态信息加上时间标签存储到存储单元中；
(3)综控系统通过接口发送指令，控制超连续谱激光系统发射连续高光谱脉冲激光，经过发射光学系统扩束和准直，反射镜反射，扫描系统发射，到达地物表面；
(4)地物反射连续高光谱脉冲激光被扫描系统接收并反射给接收光学系统会聚，传输给超连续高光谱激光探测系统，计时器计时；
(5)超连续高光谱激光探测系统将接收到的连续高光谱脉冲激光转换成激光高光谱数据和三维空间数据，传输给综控系统，存储在存储单元；
(6)综控系统，将激光高光谱数据、三维空间数据和高分辨率多光谱数据存储在存储单元；
(7)然后重复(2)至(6)过程直到扫描任务完成；与此同时，面阵CCD相机获取相应的高分辨率多光谱数据；
(8)待机载超连续激光高光谱雷达系统降落地面后，数据经过处理生成精确的带空间三维坐标的激光高光谱数据。
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