CN116068532A - 用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置、系统及方法，该装置包括：依次排列的微透镜阵列、微腔阵列和探测器阵列，其中：微透镜阵列包括m行k列的微透镜，用于将目标回波汇聚至微腔阵列上；微腔阵列包括m行k列的微腔，通过控制每个微腔的腔长，以选择每个微腔通过的中心波段，进行目标回波的阵列选谱，并将中心波段投射至探测器阵列上；探测器阵列包括m行k列的探测器，接收微腔阵列投射的不同中心频谱的单色光，并将该中心频谱的单色光转换为电信号，得到目标回波的光谱信息。

Description

用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及激光雷达、高光谱成像及目标探测领域，尤其涉及一种用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置、系统及方法。

背景技术

高光谱激光雷达结合了激光雷达和高光谱的优点，在获取目标三维特征的同时，可以获取目标丰富的光谱特征，具有时空同步性好、图/谱/3D合一的优点，在农业、森林、组分测量、目标探测等领域具有广泛的应用前景。目前，高光谱激光雷达大都采用光栅分光阵列探测的方案。采用超连续谱激光作为光源，采用扫描机构，将超连续谱激光发射到目标，目标回波经光栅分光，将复合光分解为空间单色光，投射到雪崩光电二极管(APD)阵列，实现目标回波的光谱信息探测。同时，采用时刻鉴别电路和计时电路获取激光飞行时间，结合二维扫描角度，获取目标三维信息。然而在这种方案中，采用光栅分光，分光效率低，回波能量弱，给探测带来较大难度，同时，受限于光栅刻划的线数，光栅分光的分辨率较低。

发明内容

为解决上述现有高光谱激光雷达光谱分辨率低、探测实时性差的问题，本发明提供了一种用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置、系统及方法。

本发明提供了一种用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置，阵列选谱装置用于对目标回波进行滤光和选谱，包括：阵列选谱装置包括依次排列的微透镜阵列、微腔阵列和探测器阵列，其中：微透镜阵列包括m行k列的微透镜，用于将目标回波汇聚至微腔阵列上；微腔阵列包括m行k列的微腔，通过控制每个微腔的腔长，以选择每个微腔通过的中心波段，进行目标回波的阵列选谱，并将中心波段投射至探测器阵列上；探测器阵列包括m行k列的探测器，接收微腔阵列投射的不同中心频谱的单色光，并将该中心频谱的单色光转换为电信号，得到目标回波的光谱信息。

根据本发明的第一实施例，微透镜阵列包括m×k个结构相同的微透镜，用于将目标回波分成m×k个区域，并汇聚成m×k个焦点。

根据本发明的第一实施例，m行k列的微腔采用MEMS工艺且集成在同一基座上，每个微腔单独控制且包括相同的结构，以形成微腔阵列。

根据本发明的第一实施例，探测器阵列包括m×k个探测器，每个探测器对应接收微腔阵列微腔投射的不同中心频谱的单色光。

根据本发明的第一实施例，探测器阵列为APD探测器阵列，APD探测器阵列包括m行k列的雪崩光电二极管。

根据本发明的第二实施例，本发明提供了一种用于高光谱激光雷达的阵列选谱系统，包括：输入模块、转折反射镜、阵列选谱装置以及输出模块，其中，阵列选谱装置采用上述用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置，输入模块用于发射激光并投射到探测目标上产生目标回波，产生的目标回波再返回至输入模块，由输入模块将目标回波反射至转折反射镜上，再由转折反射镜将目标回波依次反射至微透镜阵列、微腔阵列和探测器阵列，并转换为电信号，电信号进入输出模块，由输出模块将电信号转换为目标回波的光谱信息。

根据本发明的第二实施例，输出模块包括依次设置的超连续谱激光器、抛物面镜以及二维扫描机构，其中：超连续谱激光器，用于发射激光；抛物面镜，用于反射目标回波至转折反射镜；二维扫描机构7用于扫描发射的激光。

根据本发明的第二实施例，输出模块包括依次设置的数据采集模块以及计算机，数据采集模块用于对电信号进行信息采集，并传输给计算机。

根据本发明的第二实施例，抛物面镜包括凹反射镜，转折反射镜包括平面反射镜。

根据本发明的第三实施例，本发明提供了一种用于高光谱激光雷达的阵列选谱方法，包括：超连续谱激光器发射连续的激光依次穿过抛物面镜以及二维扫描机构，再投射到探测目标上产生目标回波；目标回波回经二维扫描机构以及抛物面镜，由抛物面镜反射目标回波至转折反射镜上；转折反射镜将目标回波反射至微透镜阵列上进行阵列选谱；微透镜阵列将目标回波分别汇聚至微腔阵列上的m×k个区域；微腔阵列对聚焦后m×k个区域的目标回波进行滤光，选择预设中心波段，并投射至探测器阵列上；探测器阵列分别接收m×k个区域对应的预设中心波段，并转换为电信号，得到目标回波的光谱信息。

与现有技术相比，本发明提供的用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置，至少具有以下有益效果：

从结构上，本发明通过透射式阵列选谱装置，其通光效率高、接收口径较大，大大提高了回波能量的利用率，实现较为便捷。从性能上，本发明采用微腔阵列选谱方法，包括时分和空分两种选谱模式，在时分选谱模式下，在每一时刻，微腔阵列所有单元设置为同一中心波段，经多次选谱探测，可实现精细光谱探测；在空分选谱模式下，在同一时刻，微腔阵列的每一个单元设置为不同的中心波段，经一次探测，即可获取所有感兴趣的谱段幅值，可实现高效光谱探测。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为根据本发明实施例中阵列选谱装置的示意图；

图2为根据本发明实施例中8×8阵列选谱装置的示意图；

图3为根据本发明实施例中阵列选谱系统的示意图；以及

图4为根据本发明实施例中阵列选谱方法的流程图。

【附图标记说明】

1-微透镜阵列；2-微腔阵列；3-探测器阵列；4-超连续谱激光器；5-抛物面镜；6一转折反射镜；7-二维扫描机构；8-探测目标；9-数据采集模块；10-计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本发明提供了一种用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置、系统及方法，在高光谱激光雷达目标探测领域，采用微腔阵列透射式阵列选谱的方法，可以提高激光雷达的通光效率和和通光量，具有回波能量损失小、光谱探测精细的优点。在微腔阵列选谱中，采用控制微腔的腔长实现中心的选择，具有集成度高，光谱探测分辨率高、重量轻、稳定性好、测量快速等优点。

请参阅图1，本发明的一实施例提供了一种用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置，高光谱激光雷达对探测目标8投射激光后产生目标回波，阵列选谱装置用于对目标回波进行滤光和选谱，以探测目标回波的光谱信息，阵列选谱装置包括：

阵列选谱装置包括依次排列的微透镜阵列1、微腔阵列2和探测器阵列3，其中：

微透镜阵列1包括m行k列的微透镜，用于将目标回波汇聚至微腔阵列2上，其中，m≥2，k≥2。

具体地，微透镜阵列1例如可以为折射型微透镜阵列，具有透光效率高、小型化及集成度高的优点。

微腔阵列2包括m行k列的微腔，通过控制每个微腔的腔长，以选择每个微腔通过的中心波段，进行目标回波的阵列选谱，并将中心波段投射至探测器阵列3上。

探测器阵列3包括m行k列的探测器，接收微腔阵列2投射的不同中心频谱的单色光，并将该中心频谱的单色光转换为电信号，得到目标回波的光谱信息。

示例性地，微透镜阵列1包括m×k个结构相同的微透镜，用于将目标回波分成m×k个区域，并汇聚成m×k个焦点。

示例性地，m行k列的微腔采用MEMS工艺且集成在同一基座上，每个微腔单独控制且包括相同的结构，以形成微腔阵列2。

具体地，每个微腔结构相同、一致性较好，微腔阵列的每个微腔，通过控制其腔长，实现其中心波长的控制，达到阵列选谱的效果，微腔阵列2例如可以为MEMS微腔阵列，MEMS微腔阵列具有为可分别控制、光谱选择性好、一致性好以及控制快速的优点。

示例性地，探测器阵列3包括m×k个探测器，每个探测器对应接收微腔阵列2微腔投射的不同中心频谱的单色光。

具体地，探测器用于将微弱光信号转换为电信号，具有光谱范围宽、响应度高的优点，并将上述不同中心频谱的单色光转换为电信号，以得到目标回波的光谱信息。

示例性地，探测器阵列3例如可以为APD探测器阵列，APD探测器阵列包括m行k列的雪崩光电二极管，例如为8×8个相同结构的雪崩光电二极管组成，APD利用光电二极管的雪崩效应，将微弱光信号转换为电信号，具有光谱范围宽、响应度高的优点。

示例性地，阵列选谱装置包括时分模式和空分模式，在时分模式选谱方式下，每次探测，微腔阵列2的m×k个微腔设置为相同的中心波长，具有通光口径大，回波能量大的优点，可以实现光谱的精细探测，经过多次探测，可以实现全光谱的探测。在空分模式选谱方式下，每次探测，微腔阵列2的m×k个微腔设置为若干不同的中心波长，具有光谱分辨率高，实时性好的优点，可以实现光谱的高效探测，同时多光谱之间，时空同步性较好。

请参阅图2，本发明的二实施例提供了一种用于高光谱激光雷达的阵列选谱系统，包括：输入模块、转折反射镜6、阵列选谱装置以及输出模块，其中，阵列选谱装置采用上述阵列选谱系统的用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置，输入模块用于发射激光并投射到探测目标8上产生目标回波，产生的目标回波再返回至输入模块，由输入模块将目标回波反射至转折反射镜6上，再由转折反射镜6将目标回波依次反射至微透镜阵列1、微腔阵列2和探测器阵列3，并转换为电信号，电信号进入输出模块，由输出模块将电信号转换为目标回波的光谱信息。

示例性地，输出模块包括依次设置的超连续谱激光器4、抛物面镜5以及二维扫描机构7，其中，超连续谱激光器4，用于发射激光。抛物面镜5，用于反射目标回波至转折反射镜6。二维扫描机构7，用于扫描发射的激光，二维扫描机构7包括X轴和Y轴振镜，实现二维扫描功能。

具体地，超连续谱激光器4为白光激光，具有光谱范围宽，光谱功率谱平滑的优点。

示例性地，输出模块包括依次设置的数据采集模块9以及计算机10，数据采集模块9用于对电信号进行信息采集，并传输给计算机10。

示例性地，抛物面镜5包括凹反射镜，实现目标回波的汇聚和收集，转折反射镜6包括平面反射镜，实现汇聚后目标回波的反射转折，具有反射率高的优点。

请参阅图3，本发明的三实施例提供了一种应用上述阵列系统的用于高光谱激光雷达的阵列选谱方法，包括以下步骤S1-S6：

S1，超连续谱激光器4发射连续的激光依次穿过抛物面镜5以及二维扫描机构7，再投射到探测目标8上产生目标回波。

S2，目标回波回经二维扫描机构7以及抛物面镜5，由抛物面镜5反射目标回波至转折反射镜6上。

S3，转折反射镜6将目标回波反射至微透镜阵列1上进行阵列选谱，例如可以选择时分模式或者空分模式。

S4，微透镜阵列1将目标回波分别汇聚至微腔阵列2上的m×k个区域，其中，m≥2，k≥2。

S5，微腔阵列2对聚焦后m×k个区域的目标回波进行滤光，选择预设中心波段，并投射至探测器阵列3上。

S6，探测器阵列3分别接收m×k个区域对应的预设中心波段，并转换为电信号，得到目标回波的光谱信息。

为进一步解释本发明的实施例，例如选用8×8微透镜阵列1、8×8微腔阵列2以及8×8探测器阵列3的阵列选谱装置进一步说明。

实施例一

请参阅图1-4，本发明的阵列选谱包括时分模式和空分模式，可有效提高光谱激光雷达的分辨率和实时性。

超连续谱激光器4发射一束超连续谱白光激光，经二维扫描机构7投射到探测目标8上，目标反射回波经二维扫描机构7和抛物面镜5、转折反射镜6依次汇聚到阵列选谱装置上，8×8微透镜阵列1实现目标回波的汇聚，将目标回波分为64个空间，并分别汇聚到8×8微腔阵列2的焦平面上。8×8微腔阵列2实现目标回波的透射滤光，通过控制微腔的腔长，实现其中心波段的选择。阵列选谱包括时分模式和空分模式两种工作模式，在时分模式下，控制8×8微腔阵列2的每个微腔处于同一中心波段，实现光谱的精细探测。在空分模式下，控制8×8微腔阵列2的每个微腔处于不同的中心谱段，每次例如可以获取64个谱段，实现光谱的高效探测。8×8探测器阵列3实现多路光电转换功能，光电转换后的多路信号经信号调理和数据采集模块9，传输到计算机10，实现光谱数据获取。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置，所述阵列选谱装置用于对目标回波进行滤光和选谱，其特征在于，所述阵列选谱装置包括依次排列的微透镜阵列(1)、微腔阵列(2)和探测器阵列(3)，其中：

所述微透镜阵列(1)包括m行k列的微透镜，用于将所述目标回波汇聚至所述微腔阵列(2)上；

所述微腔阵列(2)包括m行k列的微腔，通过控制每个所述微腔的腔长，以选择每个所述微腔通过的中心波段，进行目标回波的阵列选谱，并将所述中心波段投射至所述探测器阵列(3)上；

所述探测器阵列(3)包括m行k列的探测器，接收所述微腔阵列(2)投射的不同中心频谱的单色光，并将该中心频谱的单色光转换为电信号，得到所述目标回波的光谱信息。

2.根据权利要求1所述的用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置，其特征在于，所述微透镜阵列(1)包括m×k个结构相同的微透镜，用于将目标回波分成m×k个区域，并汇聚成m×k个焦点。

3.根据权利要求1所述的用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置，其特征在于，所述m行k列的微腔采用MEMS工艺且集成在同一基座上，每个所述微腔单独控制且包括相同的结构，以形成所述微腔阵列(2)。

4.根据权利要求3所述的用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置，其特征在于，所述探测器阵列(3)包括m×k个探测器，每个所述探测器对应接收所述微腔阵列(2)微腔投射的不同中心频谱的单色光。

5.根据权利要求1所述的用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置，其特征在于，所述探测器阵列(3)为APD探测器阵列，所述APD探测器阵列包括m行k列的雪崩光电二极管。

6.一种用于高光谱激光雷达的阵列选谱系统，其特征在于，包括：输入模块、转折反射镜(6)、阵列选谱装置以及输出模块，其中，所述阵列选谱装置采用上述权利要求1-5中任一项所述的用于高光谱激光雷达的阵列选谱装置，所述输入模块用于发射激光并投射到探测目标(8)上产生目标回波，产生的所述目标回波再返回至所述输入模块，由输入模块将所述目标回波反射至所述转折反射镜(6)上，再由所述转折反射镜(6)将所述目标回波依次反射至所述微透镜阵列(1)、所述微腔阵列(2)和所述探测器阵列(3)，并转换为电信号，所述电信号进入输出模块，由所述输出模块将所述电信号转换为所述目标回波的光谱信息。

7.根据权利要求6所述的用于高光谱激光雷达的阵列选谱系统，其特征在于，所述输出模块包括依次设置的超连续谱激光器(4)、抛物面镜(5)以及二维扫描机构(7)，其中：

所述超连续谱激光器(4)，用于发射激光；

所述抛物面镜(5)，用于反射所述目标回波至所述转折反射镜(6)；

所述二维扫描机构(7)，用于扫描发射的激光。

8.根据权利要求6所述的用于高光谱激光雷达的阵列选谱系统，其特征在于，所述输出模块包括依次设置的数据采集模块(9)以及计算机(10)，所述数据采集模块(9)用于对所述电信号进行信息采集，并传输给所述计算机(10)。

9.根据权利要求7所述的用于高光谱激光雷达的阵列选谱系统，其特征在于，所述抛物面镜(5)包括凹反射镜，所述转折反射镜(6)包括平面反射镜。

10.一种应用于权7-9中用于高光谱激光雷达的阵列选谱方法，包括：

超连续谱激光器(4)发射连续的激光依次穿过抛物面镜(5)以及二维扫描机构(7)，再投射到探测目标(8)上产生目标回波；

所述目标回波回经二维扫描机构(7)以及抛物面镜(5)，由所述抛物面镜(5)反射所述目标回波至转折反射镜(6)上；

所述转折反射镜(6)将所述目标回波反射至微透镜阵列(1)上进行阵列选谱；

所述微透镜阵列(1)将所述目标回波分别汇聚至微腔阵列(2)上的m×k个区域；

所述微腔阵列(2)对聚焦后m×k个区域的目标回波进行滤光，选择预设中心波段，并投射至探测器阵列(3)上；

所述探测器阵列(3)分别接收m×k个区域对应的预设中心波段，并转换为电信号，得到目标回波的光谱信息。

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