CN204945371U - 一种高光谱激光雷达目标样品试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高光谱激光雷达目标样品试验装置，其包括：脉冲式超连续谱激光光源；激光源二维转角装置；发散角可调的电调准直器；微结构晶体光纤；载物转台；探测器转角装置；固定在探测器支架上端的回波收集装置；探测装置；连接激光源二维转角装置、电调准直器、探测器转角装置、载物转台、探测装置的控制中心。本实用新型可以自动并且快速地在半球空间内测量脉冲式宽谱段激光探测条件下目标样品回波的光谱多角度信息，可用于目标样品对超连续谱脉冲激光的散射与辐射特性研究。

Description

一种高光谱激光雷达目标样品试验装置

技术领域

本实用新型涉及遥感领域，特别是涉及一种高光谱激光雷达目标样品试验装置。

背景技术

物体表面对电磁波的反射有三种形式：镜面反射、漫反射和方向反射。镜面反射指反射角等于入射角，反射能量集中在一个方向；漫反射指整个表面都均匀地向各向反射入射光；方向反射介于漫反射和镜面反射之间，各向都有反射，但各向反射强度不均一。

实际上多数自然表面对辐射的波长而言都是粗糙表面。当目标物的表面足够粗糙，以至于它对太阳短波辐射的反射辐射亮度在以目标物的中心的2π空间中呈常数，即反射辐射亮度不随观测角度而变，我们称该物体为漫反射体，亦称朗伯体。漫反射又称朗伯(Lambert)反射，也称各向同性反射。介于漫反射和镜面反射之间反射称为方向反射，也称非朗伯反射。产生方向反射的物体在自然界中占绝大多数，即它们对太阳辐射的散射具有各向异性性质。当遥感应用进入定量遥感阶段，我们必须抛弃“目标是朗伯体”的假设。目前大部分应用还都采用朗伯近似。描述方向反射不能简单用反射率表述，因为各方向的反射率都不一样。对遥感应用的目标即非朗伯体而言，它对太阳/光源辐射的反射、散射能力不仅随波长而变，同时亦随空间方向而变。

目标样品的波谱特征是指该地物对光源的反射、散射能力随波长而变的规律。地物波谱特征与地物的组成成份，物体内部的结构关系密切，通俗讲地物波谱特征也就是地物的颜色特征。目标样品的的波谱特征是指特定入射角度和观测角度下的测量值，包含其材料的波谱特征及其空间结构特征这两个要素。

而目标样品的方向特征是用来描述目标样品对光源反射、散射能力在方向空间变化的，这种空间变化特征主要决定于两种因素，其一是物体的表面粗糙度，它不仅取决于表面平均粗糙高度值与电磁波波长之间的比例关系，而且还与视角关系密切。

高光谱激光雷达的光源为宽谱的脉冲激光，相比传统光谱仪器测量的光谱而言，积分时间极短，其光谱测量需要上升时间极其短的光电器件。专利201110178750.4和200910243719.7是测量以太阳光光光源的地物的多角度信息的设备，不适合于脉冲激光雷达的应用。为了研究高光谱激光雷达在植被生化组分及结构参数探测中的应用，有必要研究目标样品的光谱多角度信息，从而实现对复杂植被的结构和生化组分信息的精确探测。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是提供一种高光谱激光雷达目标样品试验装置，用于试验研究目标样品的在脉冲激光光源照射下的光谱多角度信息，从而为宽谱脉冲激光雷达的散射截面计算，对复杂植被的结构和生化组分信息的精确探测提供基础数据。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高光谱激光雷达目标样品试验装置，其包括：

脉冲式超连续谱激光光源；激光源二维转角装置；发散角可调的电调准直器；连接脉冲式超连续谱激光光源和电调准直器的微结构晶体光纤；载物转台；探测器转角装置；固定在探测器支架上端的回波收集装置；探测装置；连接激光源二维转角装置、电调准直器、探测器转角装置、载物转台、探测装置的控制中心；

作为上述技术方案的优选，激光源二维转角装置包括光源水平转台、光源竖直转台、水平支架和竖直支架；

作为上述技术方案的优选，电调准直器固定于所述激光源二维转角装置的竖直支架的上端，

作为上述技术方案的优选，载物转台呈水平方向安装于光源水平转台的上方，包括载物电动旋转台及固定于载物旋转台上的样品载物盘。

作为上述技术方案的优选，探测器转角装置包括探测竖直转台及安装于探测竖直转台上的可伸缩的探测器支架，所述可伸缩探测器支架采用滑块导轨结构，用于调节探测视场。

作为上述技术方案的优选，回波收集装置包括镜筒、镜筒前端安装的石英双凸透镜、前后位置可调的聚焦后背、集光光纤，所述集光光纤的一端连接到聚焦后背的中心，该中心同时也是探测目标的成像焦点。

作为上述技术方案的优选，探测装置包括光纤连接器，汇聚镜片，反射光栅，汇聚反射镜，光阑，位置可调的32元线阵光电倍增管阵列传感器模块，传感器驱动电路，切换开关，数据采集器，所述光纤连接器连接集光光纤的另外一端，所述传感器驱动电路连接32元线阵光电倍增管阵列，所述位置可调的32元线阵光电倍增管阵列传感器模块包括一维平移台、以燕尾槽形式安装的传感器运动部件、安装在运动部件上的32元线阵光电倍增管阵列；探测装置还包括一路单独发射取样探测模块，包括镀膜微透取样镜、光纤适配器、石英材质的取样光纤、光纤座、取样探测器，取样探测器的输出直接输入到数据采集器中。

作为上述技术方案的优选，试验装置还包括漫反射参考白板。

作为上述技术方案的优选，激光源二维转角装置、载物转台、探测器转角装置中的4个驱动电机上都安装有绝对值编码器。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的一种高光谱激光雷达目标样品试验装置，该系统可以自动测量目标样品的光谱多角度信息。本实用新型光源采用宽谱的脉冲激光光源，相比传统的太阳光源及其他模拟光源，更符合高光谱激光雷达的光源照射条件。本实用新型的发散角可调的电调准直器可以调整激光脚印的大小，配合可伸缩的探测器支架及可调节的聚焦后背可以调节观测视场角，针对不同目标地物的要求实现不同探测范围下的光谱多角度信息测量。另外，通过调节32元线阵光电倍增管阵列传感器模块的相对位置，可以对应不同的光谱范围，实现测量光谱范围的按需调节。

附图说明

图1是本实用新型实施例的一种高光谱激光雷达目标样品试验装置的整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例的一种高光谱激光雷达目标样品试验装置的发射取样探测模块示意图；

图3是本实用新型实施例的一种高光谱激光雷达目标样品试验装置的接收部分的原理示意图；

图4是本实用新型实施例的一种高光谱激光雷达目标样品试验装置的多通道全波形测量装置运动示意图；

其中，101：脉冲式超连续谱激光光源；102：光纤；103：电调准直器；106：载物转台；107：电动旋转台；108：样品载物盘；111：光源水平转台；112：光源竖直转台；113：水平支架；114：和竖直支架；121：探测竖直转台；122：可伸缩的探测器支架；123：滑块导轨结构；131回波收集装置；132：集光光纤；135：聚焦后背；141：探测装置；147：数据采集器；151：控制中心；160：发射取样探测模块；161：镀膜微透取样镜；162：光纤适配器；163：取样光纤；164：光纤座；165：取样探测器；171：一维平移台；172：传感器运动部件；173：32元线阵光电倍增管阵列；142：光纤连接器；143：汇聚镜片；144：反射光栅；145：汇聚反射镜；146：光阑；148：32元线阵光电倍增管阵列传感器模块；149：传感器驱动电路；181：切换开关；147：数据采集器

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

结合图1至图4所示，本实用新型实施例提供了一种高光谱激光雷达目标样品试验装置，包括：脉冲式超连续谱激光光源101；激光源二维转角装置；发散角可调的电调准直器103；连接脉冲式超连续谱激光光源和电调准直器的微结构晶体光纤102；载物转台106；探测器转角装置；固定在探测器支架上端的回波收集装置131；探测装置141；连接激光源二维转角装置、电调准直器、探测器转角装置、载物转台、探测装置的控制中心151。本实用新型采用的脉冲式超连续谱激光光源波长范围为350nm-2500nm。

结合图2，探测装置141还包括一路单独发射取样探测模块，包括镀膜微透取样镜161、光纤适配器162、石英材质的取样光纤163、光纤座164、取样探测器165，取样探测器的输出直接输入到数据采集器中。该取样模块用于触发一次测量，同时取样的能量还用来校准激光的输出能量。本实用新型的取样探测器为雪崩二极管传感器。

结合图3，探测装置包括光纤连接器142，汇聚镜片143，反射光栅144，汇聚反射镜145，光阑146，位置可调的32元线阵光电倍增管阵列传感器模块148，传感器驱动电路149，切换开关181，数据采集器147，所述光纤连接器连接集光光纤132的另外一端，所述传感器驱动电路连接32元线阵光电倍增管阵列，所述位置可调的32元线阵光电倍增管阵列传感器模块148包括一维平移台171、以燕尾槽形式安装的传感器运动部件172、安装在运动部件上的32元线阵光电倍增管阵列173。其中，燕尾槽形式安装的传感器运动部件可以在一维平移台的驱动下带动32元线阵光电倍增管阵列实现微调，对应着分光后的不同的光谱谱段。

结合图1至图4，激光源二维转角装置包括光源水平转台111、光源竖直转台112、水平支架113和竖直支架114，两个电机控制两个转台运动，实现光源的任意方位角和天顶角的运动控制。其中，电调准直器103固定于激光源二维转角装置的竖直支架114的上端。述载物转台106呈水平方向安装于光源水平转台111的上方，包括载物电动旋转台107及固定于载物旋转台上的样品载物盘108。测量的目标样品放置于载物盘中。探测器转角装置包括探测竖直转台121及安装于探测竖直转台上的可伸缩的探测器支架122，所述可伸缩探测器支架采用滑块导轨结构123，用于调节探测视场。探测器转角装置结合载物转台的运动，可以实现任意探测天顶角和方位角的设定。从图4中的几何关系可以看到，光源和探测都处于探测半球的外表面上，从而实现半球空间内光源及探测器的任意角度的测量。

本实施例的具体工作过程为：

S1：控制系统复位，激光源二维转角装置、载物转台、探测器转角装置读取编码器位置信息，经控制系统比较后，运动到设定的初始位置；根据样品特点，电动调节电调准直器的发散角，并且手动调节探测器支架的长度以及聚焦后背的位置，确定观测的视场角；

S2：根据试验要求，在控制中心上设定光源以及探测器的方位角及天顶角的范围及测量间隔角度；

S3：在载物转台上放置参考白板，试验装置自动运行，测量规定方位及天顶角度的白板的光谱多角度信息，在每个测量位置，控制中心发送指令控制探测装置中的切换开关，将选定通道的光电信号传入数据采集器进行测量；

S4：在载物转台上放置目标样品，试验装置自动运行，测量规定方位及天顶角度的目标样品的光谱多角度信息，在每个测量位置，控制中心发送指令控制探测装置中的切换开关，将选定通道的光电信号传入数据采集器进行测量；

S5：控制软件自动将S3和S4步骤获取的信号进行高斯拟合，获取高斯顶点的值；

S6：控制软件按照双向反射率因子公式计算光谱多角度信息。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种高光谱激光雷达目标样品试验装置，其特征在于，所述装置包括：

脉冲式超连续谱激光光源(101)；激光源二维转角装置；发散角可调的电调准直器(103)；连接脉冲式超连续谱激光光源和电调准直器的微结构晶体光纤(102)；载物转台(106)；探测器转角装置；固定在探测器支架上端的回波收集装置(131)；探测装置(141)；连接激光源二维转角装置、电调准直器、探测器转角装置、载物转台、探测装置的控制中心(151)；

所述激光源二维转角装置包括光源水平转台(111)、光源竖直转台(112)、水平支架(113)和竖直支架(114)；

所述电调准直器(103)固定于所述激光源二维转角装置的竖直支架(114)的上端；

所述载物转台(106)呈水平方向安装于光源水平转台(111)的上方，包括载物电动旋转台(107)及固定于载物旋转台上的样品载物盘(108)；

所述探测器转角装置包括探测竖直转台(121)及安装于探测竖直转台上的可伸缩的探测器支架(122)，所述可伸缩探测器支架采用滑块导轨结构(123)，用于调节探测视场；

所述回波收集装置(131)，包括镜筒(133)、镜筒前端安装的石英双凸透镜、前后位置可调的聚焦后背(135)、集光光纤(132)，所述集光光纤的一端连接到聚焦后背(135)的中心，该中心同时也是探测目标的成像焦点；

所述探测装置(141)包括光纤连接器(142)，汇聚镜片(143)，反射光栅(144)，汇聚反射镜(145)，光阑(146)，位置可调的32元线阵光电倍增管阵列传感器模块(148)，传感器驱动电路(149)，切换开关(181)，数据采集器(147)，所述光纤连接器连接集光光纤(132)的另外一端，所述传感器驱动电路连接32元线阵光电倍增管阵列，所述位置可调的32元线阵光电倍增管阵列传感器模块(148)包括一维平移台(171)、以燕尾槽形式安装的传感器运动部件(172)、安装在运动部件上的32元线阵光电倍增管阵列(173)；探测装置还包括一路单独发射取样探测模块(160)，包括镀膜微透取样镜(161)、光纤适配器(162)、石英材质的取样光纤(163)、光纤座(164)、取样探测器(165)，取样探测器的输出直接输入到数据采集器中。

2.根据权利要求1所述的一种高光谱激光雷达目标样品试验装置，还包括漫反射参考白板。

3.根据权利要求1所述的一种高光谱激光雷达目标样品试验装置，其特征在于，所述的激光源二维转角装置、载物转台、探测器转角装置中的4个驱动电机上都安装有绝对值编码器。