CN112051584A - 一种机载双波长面阵成像激光雷达结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，包括吊舱、双波长激光探测系统、随动伺服系统、图像处理板、随动伺服系统控制板、电机驱动板和上位机，双波长激光探测系统、随动伺服系统、图像处理板、随动伺服系统控制板、电机驱动板均设置在吊舱内；随动伺服系统包括伺服框架、电机、陀螺、测角光栅和电机限位器，电机、陀螺、测角光栅和电机限位器电机安装在伺服框架上。本发明不仅可提高瞬时视场，而且可依赖随动伺服系统进一步提高探测视场。在结构空间上，进行了有效的小型化设计，使设备可挂载于直升机机腹进行对地探测。

Description

一种机载双波长面阵成像激光雷达结构
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，尤其是涉及一种机载双波长面阵成像激光雷达结构。
背景技术
激光在对地观测领域受到越来越多的关注，最具代表的应用是高精度三维测绘，这是任何探测装置不可比拟的。此外，利用激光雷达获取的强度信息进行植被覆盖面统计、植物种类统计、植被受虫害影响、水质监测及南极冰盖覆盖率、目标分类识别等应用。激光雷达往往采用单波段进行探测，为保证基于强度信息有效应用，对强度信息矫正精确性要求很高，这也对强度矫正技术及目标识别算法要求很高。近些年，研究学者提出利用双光谱激光进行探测，在保证测距和基本强度信息获取的基础上，可增加回波的光谱反射信息，利用双波段光谱反射特性的差异性实现目标归类、识别及参数估计，可降低对强度像矫正的精度要求，这为激光雷达目标识别提供新思路，且方案得到了有效的实验论证。
现有对地测绘机载激光雷达通常采用单点扫描成像，扫描视场及分辨率对探测效率影响很大，且在扫描过程中，存在非飞机运动引起的图像畸变。为提高对地测绘视场和单航次成像效率、避免单点扫描体制带来的成像畸变及提高目标识别率和参数估计可靠性，有必要提出了一种适合机载的双波长面阵成像激光雷达总体设计结构。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，不仅可提高瞬时视场，而且可依赖随动伺服系统进一步提高探测视场。在结构空间上，进行了有效的小型化设计，使设备可挂载于直升机机腹进行对地探测。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，包括吊舱、双波长激光探测系统、随动伺服系统、图像处理板、随动伺服系统控制板、电机驱动板和上位机，所述的双波长激光探测系统、随动伺服系统、图像处理板、随动伺服系统控制板、电机驱动板均设置在吊舱内；所述的随动伺服系统包括伺服框架、电机、陀螺、测角光栅和电机限位器，电机、陀螺、测角光栅和电机限位器电机安装在伺服框架上；
所述测角光栅的信号输出端与随动伺服系统控制板的信号输入端相连，所述电机限位器的信号输出端与随动伺服系统控制板的输入端相连，所述陀螺的信号输出端与随动伺服系统控制板的信号输入端相连；所述的随动伺服系统控制板的信号交互端与图像处理板的信号交互端相连，所述图像处理板的信号交互端与双波长激光探测系统的信号交互端相连，所述图像处理板的数据交互端与上位机的数据交互端相连；所述随动伺服系统控制板的信号交互端与电机驱动板的信号交互端相连，所述电机驱动板的信号输出端与电机的信号输入端相连。
进一步的，所述伺服框架包括支撑框架和随动框架，所述电机包括航向电机和俯仰电机，所述测角光栅包括航向测角光栅和俯仰测角光栅，所述电机限位器包括航向限位器和俯仰限位器，所述随动框架设置在支撑框架内，所述双波长激光探测系统安装在随动框架内，所述航向电机安装在随动框架的上板上，航向电机通过航向轴带动双波长激光探测系统航向运动，所述俯仰电机安装在支撑框架的右侧立板上，俯仰电机通过俯仰轴带动随动框架俯仰运动即带动双波长探测系统俯仰运动，所述测角光栅和航向与电机限位器均安装在支撑框架上，所述陀螺安装在双波长激光探测系统上。
进一步的，所述双波长激光探测系统包括激光雷达接收系统和激光雷达发射系统，所述激光雷达接收系统为共口径双波长接收结构，所述激光雷达发射系统包括激光器种子源和激光器泵浦输出头，所述激光器泵浦输出头安装在支撑框架的左侧立板上，激光器种子源设置在支撑框架的上方且紧邻激光器泵浦输出头，所述随动伺服系统控制板设置在支撑框架的左侧立板上，所述电机驱动板安装在支撑框架的上方，所述图像处理板安装在支撑框架的下方的拱形结构上，在支撑框架的右侧立板上安装激光器温控系统与ICCD电压控制模块，所述左侧立板和右侧立板与吊舱固定连接。
进一步的，所述激光雷达接收系统包括共口径、棱镜、设置在上方的1064nm波段光学接收支路并采用Gm-APD探测器接收和设置在下方为532nm波段光学接收支路并采用ICCD探测器接收，双光路的瞬时凝视视场均为Φ5°。
进一步的，所述随动框架的右侧通过俯仰轴和俯仰电机的输出轴连接，随动框架的左侧通过一转动轴及轴承与支撑框架的左侧立板连接。
进一步的，所述双波长激光探测系统以位于下方的532mm波段的光路镜筒作为回转轴通过轴承支撑在随动框架的下板上。
进一步的，所述航向电机的输出轴与航向轴以孔轴配合的方式连接，所述俯仰电机的电机轴与俯仰轴以孔轴配合的方式连接。
进一步的，所述吊舱包括吊臂和舱体，在舱体上设有光学头罩，且在光学头罩上镀有532nm与1064nm波段的高透膜。
相对于现有技术，本发明所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构具有以下优势：
本发明所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，
(1)在扫描视场的约束条件下，双波长激光探测系统与随动系统之间的结构安装保证激光高效稳定扫描探测；
(2)在小型化体积约束下，整个伺服结构及相应元件如随动控制板、航向与俯仰电机、激光器、随动伺服控制板、图像处理板等空间位置布局得到完美优化，使结构更加紧凑和稳定，适应小平台激光主动成像应用；
(3)吊舱外形便于机载安装及对地观测，保证了系统对地有效观测；
(4)本发明用于激光对地观测相关应用，可用于三维地形地貌测绘、植被监测、水质监测等。对双波长面阵成像激光雷达吊舱整体结构布局及体积优化，缩小了系统的体积，提高了系统的集成度，更利于机载探测；采用面阵凝视成像及随动伺服扫描的探测方案，使机载单航次的成像区域更大，提高激光探测的效率；本发明为双波长激光对地观测相关应用提供了小体积、大视场的探测方案。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构的工作原理框图；
图2为本发明实施例所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构的主视图(未包含吊舱)；
图3为本发明实施例所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构的左视图(未包含吊舱)；
图4为发明实施例所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构的右视图(未包含吊舱)；
图5为发明实施例所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构的俯视图(未包含吊舱)；
图6为随动伺服系统的主视图；
图7为随动伺服系统的俯视图
图8为随动伺服系统的剖面图；
图9为双波长激光探测系统的结构示意图；
图10为吊舱的结构示意图。
附图标记说明：
1-激光雷达接收系统，2-激光雷达发射系统，3-航向电机，4-航向测角光栅，5-航向限位器，6-陀螺，7-激光器种子源，8-电机驱动板，9-激光器温控系统，10-ICCD电压控制模块，11-图像处理板，12-激光器泵浦输出头，13-随动伺服系统控制板，14-右侧立板，15-左侧立板，16-航向轴，17-转动轴，18-俯仰轴，19-俯仰电机，20-俯仰测角光栅，21-俯仰限位器，22-随动框架，23-光学头罩，24-吊臂，25-共口径，26-棱镜，27-1064nm波段光学接收支路，28-Gm-APD探测器，29-532nm波段光学接收支路，30-ICCD探测器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图10所示，一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，包括吊舱、双波长激光探测系统、随动伺服系统、图像处理板11、随动伺服系统控制板13、电机驱动板8和上位机，所述的双波长激光探测系统、随动伺服系统、图像处理板11、随动伺服系统控制板13、电机驱动板8均设置在吊舱内；所述的随动伺服系统包括伺服框架、电机、陀螺6、测角光栅和电机限位器，所述电机、陀螺6、测角光栅和电机限位器电机均安装在伺服框架上；
所述测角光栅的信号输出端与随动伺服系统控制板13的信号输入端相连，所述电机限位器的信号输出端与随动伺服系统控制板13的输入端相连，所述陀螺6的信号输出端与随动伺服系统控制板13的信号输入端相连；所述的随动伺服系统控制板13的信号交互端与图像处理板11的信号交互端相连，所述图像处理板11的信号交互端与双波长激光探测系统的信号交互端相连，所述图像处理板11的数据交互端与上位机的数据交互端相连；所述随动伺服系统控制板13的信号交互端与电机驱动板8的信号交互端相连，所述电机驱动板8的信号输出端与电机的信号输入端相连。
伺服框架包括支撑框架和随动框架22，所述电机包括航向电机3和俯仰电机19，所述测角光栅包括航向测角光栅4和俯仰测角光栅20，所述电机限位器包括航向限位器5和俯仰限位器21，所述随动框架22设置在支撑框架内，所述双波长激光探测系统安装在随动框架22内，所述航向电机3安装在随动框架22的上板上，航向电机3通过航向轴16带动双波长激光探测系统航向运动，所述俯仰电机19安装在支撑框架的右侧立板14上，俯仰电机19通过俯仰轴18带动随动框架22俯仰运动即带动双波长探测系统俯仰运动，所述测角光栅和航向与电机限位器均安装在支撑框架上，所述陀螺6安装在双波长激光探测系统上。
双波长激光探测系统包括激光雷达接收系统1和激光雷达发射系统2，所述激光雷达接收系统1包括共口径25、棱镜26、1064nm波段光学接收支路27、Gm-APD探测器28、532nm波段光学接收支路29和ICCD探测器30，所述激光雷达发射系统包括激光器种子源7和激光器泵浦输出头12，所述激光器泵浦输出头12安装在支撑框架的左侧立板15上，激光器种子源7设置在支撑框架的上方且紧邻激光器泵浦输出头12，所述随动伺服系统控制板13设置在支撑框架的左侧立板15上，所述电机驱动板8安装在支撑框架的上方，所述图像处理板11安装在支撑框架的下方的拱形结构上，在支撑框架的右侧立板14上安装激光器温控系统9与ICCD电压控制模块10，所述激光温控系统9与激光器电连接，所述ICCD电压控制模块与ICCD探测器电连接，所述左侧立板15和右侧立板14与吊舱固定连接，实现整个伺服系统在吊舱内固定，与图像处理板连接的拱形结构可支撑随动伺服系统的两个侧板结构，防止变形。
双波长激光探测系统依赖共口径25接收、内部进行双波长分光的探测方案，上方的1064nm波段光学接收支路27，采用64×64Gm-APD探测器28接收和下方为532nm波段光学接收支路29，采用256×256ICCD探测器30接收，双光路的瞬时凝视视场均为Φ5°。
上位机通过图像处理板控制整个系统工作，同时储存回波数据。整个系统由机上直流电源供电。图像处理板与双波长激光探测系统进行信息交互，控制双波长激光探测系统工作、获取探测数据并进行二级扰动补偿角偏差量计算；同时图像处理板与随动伺服系统控制板进行信息交互，控制随动伺服系统工作、传输二级扰动补偿角偏差量并获取随动伺服系统状态。随动伺服系统控制板获取测角光栅的角度信息、电机限位信息及陀螺信息并与图像处理板进行信息交互，根据图像处理板的命令控制电机工作实现对探测区域进行有效探测。随动框架的扫描视场可达到水平±15°，俯仰±15°。
激光器可同时发射532nm与1064nm激光，采用光纤耦合输出，因此激光器不需与激光发射镜头放在一处。
随动框架22的右侧通过俯仰轴18和俯仰电机19的输出轴连接，随动框架22的左侧通过一转动轴17及轴承与支撑框架的左侧立板15连接。航向电机3的输出轴与航向轴16以孔轴配合的方式连接，所述俯仰电机19的电机轴与俯仰轴18以孔轴配合的方式连接。各结构的安装及连接保证稳定、高效地二维扫描。
双波长激光探测系统以位于下方的532mm波段的光路镜筒作为回转轴通过轴承支撑在随动框架22的下板上，在保证结构刚度、运动平稳的同时减小结构体积。
吊舱包括吊臂24和舱体，在舱体上设有光学头罩23，且在光学头罩23上镀有532nm与1064nm波段的高透膜。通过吊臂23可固定在飞机上，且整个系统的供电及与上位机传输控制，可通过吊臂23内部穿线缆进行连接。整个舱体体积为9322cm3，加上随动系统的重量为23kg。
本申请的机载双波长面阵成像激光雷达结构紧凑、体积小，适于机载对地探测，通过伺服随动系统可实现双波长更大视场激光成像，同时采用两级扰动补偿策略实现稳定探测并提高对地观测的效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，其特征在于：包括吊舱、双波长激光探测系统、随动伺服系统、图像处理板(11)、随动伺服系统控制板(13)、电机驱动板(8)和上位机，所述的双波长激光探测系统、随动伺服系统、图像处理板(11)、随动伺服系统控制板(13)、电机驱动板(8)均设置在吊舱内；所述的随动伺服系统包括伺服框架、电机、陀螺(6)、测角光栅和电机限位器，所述电机、陀螺(6)、测角光栅和电机限位器电机均安装在伺服框架上；
所述测角光栅的信号输出端与随动伺服系统控制板(13)的信号输入端相连，所述电机限位器的信号输出端与随动伺服系统控制板(13)的输入端相连，所述陀螺(6)的信号输出端与随动伺服系统控制板(13)的信号输入端相连；所述的随动伺服系统控制板(13)的信号交互端与图像处理板(11)的信号交互端相连，所述图像处理板(11)的信号交互端与双波长激光探测系统的信号交互端相连，所述图像处理板(11)的数据交互端与上位机的数据交互端相连；所述随动伺服系统控制板(13)的信号交互端与电机驱动板(8)的信号交互端相连，所述电机驱动板(8)的信号输出端与电机的信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，其特征在于：所述伺服框架包括支撑框架和随动框架(22)，所述电机包括航向电机(3)和俯仰电机(19)，所述测角光栅包括航向测角光栅(4)和俯仰测角光栅(20)，所述电机限位器包括航向限位器(5)和俯仰限位器(21)，所述随动框架(22)设置在支撑框架内，所述双波长激光探测系统安装在随动框架(22)内，所述航向电机(3)安装在随动框架(22)的上板上，航向电机(3)通过航向轴(16)带动双波长激光探测系统航向运动，所述俯仰电机(19)安装在支撑框架的右侧立板(14)上，俯仰电机(19)通过俯仰轴(18)带动随动框架(22)俯仰运动即带动双波长探测系统俯仰运动，所述测角光栅和航向与电机限位器均安装在支撑框架上，所述陀螺(6)安装在双波长激光探测系统上。
3.根据权利要求2所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，其特征在于：所述双波长激光探测系统包括激光雷达接收系统(1)和激光雷达发射系统(2)，所述激光雷达接收系统(1)为共口径双波长接收结构，所述激光雷达发射系统(2)包括激光器种子源(7)和激光器泵浦输出头(12)，所述激光器泵浦输出头(12)安装在支撑框架的左侧立板(15)上，激光器种子源(7)设置在支撑框架的上方且紧邻激光器泵浦输出头(12)，所述随动伺服系统控制板(13)设置在支撑框架的左侧立板(15)上，所述电机驱动板(8)安装在支撑框架的上方，所述图像处理板(11)安装在支撑框架的下方的拱形结构上，在支撑框架的右侧立板(14)上安装激光器温控系统(9)与ICCD电压控制模块(10)，所述左侧立板(15)和右侧立板(14)与吊舱固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，其特征在于：所述激光雷达接收系统包括共口径(25)、棱镜(26)、设置在上方的1064nm波段光学接收支路(27)并采用Gm-APD探测器(28)接收和设置在下方为532nm波段光学接收支路(29)并采用ICCD探测器(30)接收，双光路的瞬时凝视视场均为Φ5°。
5.根据权利要求2所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，其特征在于：所述随动框架(22)的右侧通过俯仰轴(18)和俯仰电机(19)的输出轴连接，随动框架(22)的左侧通过一转动轴(17)及轴承与支撑框架的左侧立板(15)连接。
6.根据权利要求2所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，其特征在于：所述双波长激光探测系统以位于下方的532mm波段的光路镜筒作为回转轴通过轴承支撑在随动框架(22)的下板上。
7.根据权利要求5所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，其特征在于：所述航向电机(3)的输出轴与航向轴(16)以孔轴配合的方式连接，所述俯仰电机(19)的电机轴与俯仰轴(18)以孔轴配合的方式连接。
8.根据权利要求4所述的一种机载双波长面阵成像激光雷达结构，其特征在于：所述吊舱包括吊臂(24)和舱体，在舱体上设有光学头罩(23)，且在光学头罩(23)上镀有532nm与1064nm波段的高透膜。
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