CN112817008B - 一种双波段单光子三维探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电探测技术领域，特别涉及一种双波段单光子三维探测系统，包括：激光发射组、双光楔扫描组、卡式望远组、偏振片、第一分光镜、宽视场532nm波段单光子接收组、第二分光镜、窄视场532nm单光子接收组及控制器。本发明提供的双波段单光子三维探测系统，所采用的双光楔扫描组可将所述激光束入射在扫描对象上，以及获取扫描对象反射的回波光信号并入射在卡式望远组上，采用激光收发共孔径方案，可以采用一个扫描系统就可以实现激光发射和接收同步扫描，使系统结构的更加紧凑、可靠性高。此外，本发明提供的双波段单光子三维探测系统，系统具有532nm波段和1064nm波段的探测能力，可以同时实现水下探测和陆地探测，能够实现高精度三维重构。

Description

一种双波段单光子三维探测系统

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，特别涉及一种双波段单光子三维探测系统。

背景技术

海底地形的获取是海洋基础测绘的核心内容之一，对于经济建设、海洋权益维护、国防与科学建设具有十分重要的意义。激光雷达测深是一种先进的海底地形探测技术，是目前最重要的海洋测绘技术之一。它具有高精度、高分辨率、灵活机动、快速高效和全覆盖的测深特点。

蓝绿单波段机载激光测深系统由于缺少红外波段，单波段机载激光测深系统只能依赖蓝绿波段激光去获取水面高程。当水深非常浅时，不易从混合波形中检测出水面和水底反射信号，严重影响水深测量的精度。因此，主流的机载激光测深系统大多采用蓝绿/红外双波段激光配置，其中蓝绿波段激光主要用于获取水底地形信息，红外激光基本不能穿透水体而只用于提取水面高程。使用双波长方案，则既可以发挥1064nm波段激光在探测水表时的优势，又可以充分利用其土壤和植被反射率比532nm波段更大的优势。

双波长工作方案，虽然取得了不错的效果，但随之而来的是系统的复杂度陡然上升。由于双波段、大功率激光发射器和多通道、高灵敏度信号接收装置的采用造成了更加复杂的光机结构，进而增加系统的体积重量，这在在很大程度上限制了双波段机载激光测深技术在机载平台上的大规模推广。此外，通常激光雷达的空间分辨率较低，不利于高精度的三维重构。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的蓝绿/红外双波段激光设备结构复杂、不能实现高精度三维重构的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种双波段单光子三维探测系统，包括：

-激光发射组，用于发出激光束；

-双光楔扫描组，用于将所述激光束入射在扫描对象上；以及获取扫描对象反射的回波光信号；

-卡式望远组，用于将双光楔扫描组反射的回波光信号汇聚；

-偏振片，用于接收从所述卡式望远组出射的回波光信号并进行偏振；

-第一分光镜，用于接收从所述偏振片出射的回波光信号，其中一部分532nm的回波光信号被反射后射出，另一部分回波光信号透射后射出；

-宽视场532nm波段单光子接收组，用于接收从所述第一分光镜透射的532nm的回波光信号；

-第二分光镜，用于接收从所述第一分光镜反射的回波光信号，其中一部分532nm的回波光信号被反射后射出，另一部分1064nm的回波光信号被透射后射出；

-窄视场532nm单光子接收组，用于接收从所述第二分光镜反射的532nm回波光信号；

-窄视场1064nm单光子接收组，用于接收从所述第二分光镜透射的1064nm回波光信号；

-控制器，与所述宽视场532nm波段单光子接收组、窄视场532nm单光子接收组、窄视场1064nm单光子接收组及所述双光楔扫描组电性连接。

进一步的，还包括：

-第一反射镜，用于接收所述激光发射组发出的激光束，并将激光束反射后射出；

-第二反射镜，用于接收从所述第一反射镜反射的激光束，并将激光束反射至所述双光楔扫描组。

进一步的，所述激光发射组包括：

-双波段激光器，用于发出双波段激光束；

-准直组，用于将所述双波段激光束准直后入射至所述第一反射镜。

进一步的，所述第一反射镜的法线与光轴的夹角为45°。

进一步的，所述第二反射镜的法线与光轴的夹角为45°。

进一步的，还包括：

-壳体，设置为前端敞开的半封闭结构，用于安装激光发射组、双光楔扫描组、卡式望远组、偏振片、第一分光镜、宽视场532nm波段单光子接收组、第二分光镜、窄视场532nm单光子接收组及窄视场1064nm单光子接收组；

-系统保护窗，设置为透明结构，固定在所述壳体的前端。

本发明提供的双波段单光子三维探测系统至少具备以下有益效果或优点：

本发明提供的双波段单光子三维探测系统，所采用的双光楔扫描组可将所述激光束入射在扫描对象上，以及获取扫描对象反射的回波光信号并入射在卡式望远组上，采用激光收发共孔径方案，即激光发射和接收共用一个光学通道共同通过双光楔扫描组调教，因此可以采用一个扫描系统就可以实现激光发射和接收同步扫描，使系统结构的更加紧凑、可靠性高。此外，本发明提供的双波段单光子三维探测系统，系统具有532nm波段和1064nm波段的探测能力，可以同时实现水下探测和陆地探测，能够实现高精度三维重构。

附图说明

图1为本发明实施例提供的双波段单光子三维探测系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的双光楔扫描组结构示意图；

图3为本发明实施例提供的中空全息光学窗口结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-系统保护窗，21-双波段激光器，22-准直组，3-双光楔扫描组，4-卡式望远组，5-偏振片，6-宽视场532nm波段单光子接收组，7-窄视场532nm单光子接收组，8-窄视场1064nm单光子接收组，9-控制器，10-第一反射镜，11-第二反射镜，12-第一分光镜，13-第二分光镜。

具体实施方式

本发明针对现有技术中存在的蓝绿/红外双波段激光设备结构复杂、不能实现高精度三维重构的技术问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种双波段单光子三维探测系统，参见图1，包括：激光发射组、双光楔扫描组3、卡式望远组4、偏振片5、第一分光镜12、宽视场532nm波段单光子接收组6(采用532nm波段单光子探测器)、第二分光镜13、窄视场532nm单光子接收组7(采用532nm单光子探测器)、窄视场1064nm单光子接收组8(采用1064nm单光子探测器)及控制器9。其中：

激光发射组用于发出激光束。具体的，激光发射组包括：双波段激光器21和准直组22；双波段激光器21用于发出双波段激光束；准直组22用于将双波段激光束准直后入射至双光楔扫描组3。

双光楔扫描组3用于将激光束入射在扫描对象上，以及获取扫描对象反射的回波光信号。

参见图2及图3，双光楔扫描组3主要包括三个中空电机031、032以及036、两片圆形光楔033和034、以及圆形中空全息光学窗口035，通过旋转两片圆形光楔033和034可以控制调节激光发射方向，通过旋转圆形中空全息光学窗口035可以调整的1064nm波段和532nm波段的探测视场。圆形光楔的直径和中空电机的内径相同，圆形光楔033同轴安装于中空电机031的内部，圆形光楔034同轴安装于中空电机032内部。中空全息光学窗口035的内径和中空电机036的外径相同，同轴安装于中空电机032的外壁上。所述的中空全息光学窗口035的包括两个环形区域，分别为内环0351和外环0352，其中内环0351通过镀膜和光栅衍射可透过特定角度内的1064nm波段光束，外环0352通过镀膜和光栅衍射可透过特定角度内的532nm波段光束。

卡式望远组4的光轴和双光楔扫描组3的光轴重合，用于将双光楔扫描组3中的圆形中空全息光学窗口035透射的回波光信号汇聚；卡式望远组4的作用是将远处的光进行汇聚。卡式望远组4为现有技术，其结构于此不再展开说明。

偏振片5用于接收从卡式望远组4出射的回波光信号并进行偏振。第一分光镜12用于接收从偏振片5出射的回波光信号，其中一部分532nm的回波光信号被反射后射出，另一部分回波光信号透射后射出。

宽视场532nm波段单光子接收组6用于接收从第一分光镜12透射的532nm的回波光信号。

第二分光镜13用于接收从第一分光镜12反射的回波光信号，其中一部分532nm的回波光信号被反射后射出，另一部分1064nm的回波光信号被透射后射出。

窄视场532nm单光子接收组7用于接收从第二分光镜13反射的532nm回波光信号。窄视场1064nm单光子接收组8用于接收从第二分光镜13透射的1064nm回波光信号。

控制器9与宽视场532nm波段单光子接收组6、窄视场532nm单光子接收组7、窄视场1064nm单光子接收组8及双光楔扫描组3电性连接。控制器9根据出射激光和回波光信号的数据进行三维图像重构。

另外，参见图1，本实施例公开的双波段单光子三维探测系统还包括：第一反射镜10和第二反射镜11。第一反射镜10用于接收激光发射组发出的激光束，并将激光束反射后射出；第二反射镜11用于接收从第一反射镜10反射的激光束，并将激光束反射至双光楔扫描组3。第一反射镜10的法线与光轴的夹角为45°、第二反射镜11的法线与光轴的夹角为45°；设置成45°角可使系统里面的光路更加规整，有利于装调。

参见图1，为实现整个系统的集成，本实施例公开的双波段单光子三维探测系统还包括：壳体和系统保护窗1。壳体设置为前端敞开的半封闭结构，用于安装激光发射组、双光楔扫描组3、卡式望远组4、偏振片5、第一分光镜12、宽视场532nm波段单光子接收组6、第二分光镜13、窄视场532nm单光子接收组7及窄视场1064nm单光子接收组8。系统保护窗1设置为透明结构，固定在壳体的前端。

参见图1，本发明实施例提供的双波段单光子三维探测系统的工作原理为：控制器9通过驱动第一中控电机来调节第一圆形光楔和第二圆形光楔的旋转角度，进而实现激光发射方向的调节。根据预先设定的扫描程序来调节第一圆形光楔和第二圆形光楔的旋转角度，并当第一圆形光楔和第二圆形光楔旋转到指定位置后向双波段激光器21发送触发信号，双波段激光器21接收到触发信号后开始持续对外发射脉冲光。双波段激光器21每发射一个脉冲激光时，对控制器9发送一个触发信号。系统控制及数据采集处理模块收到触发信号后开始计时，标记收到的脉冲信号的时间，并记录接收到的脉冲信号的次数(即双波段激光器21发射的脉冲个数)。控制器9根据出射激光和回波光信号的数据进行三维图像重构。

本发明实施例提供的双波段单光子三维探测系统至少具备以下有益效果或优点：

本发明实施例提供的双波段单光子三维探测系统，所采用的双光楔扫描组可将所述激光束入射在扫描对象上，以及获取扫描对象反射的回波光信号并入射在卡式望远组上，采用激光收发共孔径方案，即激光发射和接收共用一个光学通道共同通过双光楔扫描组调教，因此可以采用一个扫描系统就可以实现激光发射和接收同步扫描，使系统结构的更加紧凑、可靠性高。此外，本发明实施例提供的双波段单光子三维探测系统，系统具有532nm波段和1064nm波段的探测能力，可以同时实现水下探测和陆地探测，能够实现高精度三维重构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (6)

1.一种双波段单光子三维探测系统，其特征在于，包括：

-激光发射组，用于发出激光束；

-双光楔扫描组，用于将所述激光束入射在扫描对象上；以及获取扫描对象反射的回波光信号；

-卡式望远组，用于将双光楔扫描组反射的回波光信号汇聚；

-偏振片，用于接收从所述卡式望远组出射的回波光信号并进行偏振；

-第一分光镜，用于接收从所述偏振片出射的回波光信号，其中一部分532nm的回波光信号被反射后射出，另一部分回波光信号透射后射出；

-宽视场532nm波段单光子接收组，用于接收从所述第一分光镜透射的532nm的回波光信号；

-第二分光镜，用于接收从所述第一分光镜反射的回波光信号，其中一部分532nm的回波光信号被反射后射出，另一部分1064nm的回波光信号被透射后射出；

-窄视场532nm单光子接收组，用于接收从所述第二分光镜反射的532nm回波光信号；

-窄视场1064nm单光子接收组，用于接收从所述第二分光镜透射的1064nm回波光信号；

-控制器，与所述宽视场532nm波段单光子接收组、窄视场532nm单光子接收组、窄视场1064nm单光子接收组及所述双光楔扫描组电性连接；

所述双光楔扫描组主要包括三个中空电机、两片圆形光楔、以及圆形中空全息光学窗口，通过旋转两片圆形光楔可以控制调节激光发射方向，通过旋转圆形中空全息光学窗口可以调整的1064nm波段和532nm波段的探测视场；圆形光楔的直径和中空电机的内径相同，圆形光楔同轴安装于中空电机的内部，圆形光楔同轴安装于中空电机内部；中空全息光学窗口的内径和中空电机的外径相同，同轴安装于中空电机的外壁上；所述的中空全息光学窗口的包括两个环形区域，分别为内环和外环，其中内环通过镀膜和光栅衍射可透过特定角度内的1064nm波段光束，外环通过镀膜和光栅衍射可透过特定角度内的532nm波段光束。

2.根据权利要求1所述的双波段单光子三维探测系统，其特征在于，还包括：

-第一反射镜，用于接收所述激光发射组发出的激光束，并将激光束反射后射出；

-第二反射镜，用于接收从所述第一反射镜反射的激光束，并将激光束反射至所述双光楔扫描组。

3.根据权利要求2所述的双波段单光子三维探测系统，其特征在于，所述激光发射组包括：

-双波段激光器，用于发出双波段激光束；

-准直组，用于将所述双波段激光束准直后入射至所述第一反射镜。

4.根据权利要求2或3所述的双波段单光子三维探测系统，其特征在于，所述第一反射镜的法线与光轴的夹角为45°。

5.根据权利要求2或3所述的双波段单光子三维探测系统，其特征在于，所述第二反射镜的法线与光轴的夹角为45°。

6.根据权利要求1-3任一项所述的双波段单光子三维探测系统，其特征在于，还包括：

-壳体，设置为前端敞开的半封闭结构，用于安装激光发射组、双光楔扫描组、卡式望远组、偏振片、第一分光镜、宽视场532nm波段单光子接收组、第二分光镜、窄视场532nm单光子接收组及窄视场1064nm单光子接收组；

-系统保护窗，设置为透明结构，固定在所述壳体的前端。

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