RU218665U1 - MULTISPECTRAL LIDAR SYSTEM - Google Patents

MULTISPECTRAL LIDAR SYSTEM Download PDF

Info

Publication number
RU218665U1
RU218665U1 RU2021136187U RU2021136187U RU218665U1 RU 218665 U1 RU218665 U1 RU 218665U1 RU 2021136187 U RU2021136187 U RU 2021136187U RU 2021136187 U RU2021136187 U RU 2021136187U RU 218665 U1 RU218665 U1 RU 218665U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reflected
radiation
target
optical system
spectrum
Prior art date
Application number
RU2021136187U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Рада Андреевна Козаченко
Юрий Леонидович Ахмеров
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Вибрисс"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Вибрисс" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Вибрисс"
Application granted granted Critical
Publication of RU218665U1 publication Critical patent/RU218665U1/en

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к области лидарной техники и может быть использована в системах машинного зрения для измерения расстояния до удаленных целей, картографирования и создания объемных изображений.The utility model relates to the field of lidar technology and can be used in machine vision systems for measuring the distance to distant targets, mapping and creating three-dimensional images.

Мультиспектральный лидар содержит два или более лазера, генерирующих импульсы лазерного излучения в различных спектральных диапазонах, для которых спектры отраженных от различных материалов сигналов не совпадают по уровню интенсивности.A multispectral lidar contains two or more lasers generating laser radiation pulses in different spectral ranges, for which the spectra of signals reflected from different materials do not match in intensity.

Выходная оптическая система лидара обеспечивает совпадение в пространстве всех лучей лазерного излучения на протяжении всего рабочего диапазона дальности. Апертура входной оптической системы направлена на область пространства, в которой распространяются лучи отраженного излучения, и сконфигурирована таким образом, чтобы в нее попадало отраженное от цели излучение всех лазеров. Имеется массив спектроделительных элементов, разделяющих в пространстве по спектру попадающее во входную оптическую систему отраженное от цели излучение лазеров. В фокальной плоскости входной оптической системы расположен массив фотоприемных устройств таким образом, чтобы на каждый независимый элемент фотоприемного устройства попадал только один участок спектра отраженного излучения. Задержка распространения отраженных от цели световых импульсов определяется измерителем временных интервалов. Контроллер определяет параметры цели на основе измерения времени задержки распространения светового импульса от лазера до цели и амплитуды отраженного излучения, причем указанные характеристики определяются независимо для каждого элемента массивного фотоприемного устройства.The output optical system of the lidar ensures that all laser radiation beams coincide in space over the entire operating range. The aperture of the input optical system is directed to the region of space in which the rays of the reflected radiation propagate, and is configured in such a way that the radiation of all lasers reflected from the target falls into it. There is an array of spectrum-splitting elements that separate in space along the spectrum the laser radiation reflected from the target entering the input optical system. In the focal plane of the input optical system, an array of photodetectors is located in such a way that only one section of the reflected radiation spectrum falls on each independent element of the photodetector. The propagation delay of light pulses reflected from the target is determined by the time interval meter. The controller determines the parameters of the target based on the measurement of the delay time of the propagation of the light pulse from the laser to the target and the amplitude of the reflected radiation, and these characteristics are determined independently for each element of the massive photodetector.

Техническим результатом является улучшение точности идентификации объектов в системах машинного зрения на основе лидара. 3 ил.

Figure 00000001
The technical result is to improve the accuracy of object identification in machine vision systems based on lidar. 3 ill.
Figure 00000001

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области лидарной техники и может быть использована в составе систем машинного зрения для измерения расстояния до удаленных целей, картографирования и создания объемных изображений.The proposed utility model relates to the field of lidar technology and can be used as part of machine vision systems for measuring the distance to distant targets, mapping and creating three-dimensional images.

В последнее время высокая актуальность задач роботизации и компьютерного управления систем привела к бурному развитию устройств машинного зрения. Машинное зрение позволяет алгоритмам определить параметры окружающих объектов, оценить ситуацию и принять решение о стратегии поведения. Во многих случаях, например, при движении беспилотного автомобиля или летательного аппарата, корректность оценки расстояния до удаленной цели и её идентификация напрямую определяет безопасность такой системы для человека и окружающей среды. Сейчас основными устройствами для идентификации объектов являются различные виды камер, в том числе инфракрасные камеры и мультиспектральные камеры. Для оценки расстояния до объектов используются ультразвуковые датчики, радары или лидары. Недостатком камеры является то, что они не позволяют достаточно точно и надежно оценить расстояние до удаленной цели, а ультразвуковые датчики, радары и лидары не предоставляют информацию о возможном материале, форме и фактуре удаленной цели. Предлагаемая конструкция устройства позволяет получить одновременно целый массив полезной информации о расстоянии до удаленной цели и коэффициенте её отражения в нескольких спектральных диапазонах, что позволит значительно улучшить процесс идентификации удаленных целей системам машинного зрения.Recently, the high relevance of the tasks of robotization and computer control of systems has led to the rapid development of machine vision devices. Machine vision allows algorithms to determine the parameters of surrounding objects, assess the situation and decide on a behavior strategy. In many cases, for example, when an unmanned vehicle or aircraft is moving, the correctness of estimating the distance to a remote target and its identification directly determines the safety of such a system for humans and the environment. Now the main devices for identifying objects are various types of cameras, including infrared cameras and multispectral cameras. To estimate the distance to objects, ultrasonic sensors, radars or lidars are used. The disadvantage of the camera is that they do not allow to accurately and reliably estimate the distance to a remote target, and ultrasonic sensors, radars and lidars do not provide information about the possible material, shape and texture of a remote target. The proposed design of the device allows you to simultaneously obtain a whole array of useful information about the distance to a distant target and its reflection coefficient in several spectral ranges, which will significantly improve the process of identifying distant targets for machine vision systems.

Известен патент [US 9823128 B2, МПК: G01J3/2823, опубликован 27.11.2017] на устройство для мультиспектральной съемки на основе массива узкополосных световых фильтров которое включает в себя светочувствительный элемент, состоящий из множества пикселей, массив узкополосных световых фильтров, расположенный перед светочувствительным элементом, причем каждый элемент массива световых фильтров соответствует единственному пикселю светочувствительного элемента, при этом множество элементов массива световых фильтров сгруппированы по N элементов, таким образом, что каждый индивидуальный элемент массива фильтров i поглощает Ki узких участка спектра и пропускает N-Ki узких участка спектра при этом N больше 3 а Ki между 1 и N-1, i между 1 и N, и Ki отличается по крайней мере для двух элементов массива фильтра. Устройство позволяет формировать изображение, в котором в качестве контраста используются данные о коэффициенте отражения от удаленной цели в более чем 3 спектральных диапазонах, что позволяет более точно идентифицировать удаленную цель по специфике спектра поглощения и отражения. Недостатком устройства является отсутствие активной подсветки, и невозможность определения расстояния до удаленной цели.There is a known patent [US 9823128 B2, IPC: G01J3/2823, published on 11/27/2017] for a device for multispectral shooting based on an array of narrow-band light filters, which includes a photosensitive element consisting of a plurality of pixels, an array of narrow-band light filters located in front of the photosensitive element , and each element of the light filter array corresponds to a single pixel of the photosensitive element, while the many elements of the light filter array are grouped by N elements, so that each individual element of the filter array i absorbs K i narrow spectral sections and passes NK i narrow spectral sections while N is greater than 3 and K i is between 1 and N-1, i is between 1 and N, and K i is different for at least two elements of the filter array. The device allows you to form an image in which data on the reflection coefficient from a distant target in more than 3 spectral ranges are used as a contrast, which makes it possible to more accurately identify a distant target by the specifics of the absorption and reflection spectra. The disadvantage of the device is the lack of active illumination, and the inability to determine the distance to a distant target.

Известен патент [JP 2021518560 A, МПК: G01N21/21, опубликован 02.08.2021] мультиспектральный лидарный передатчик, который включает в себя оптическое устройство, устройство сканирования, устройство разделения спектра, устройство выбора длины волны и устройство детектирования. Оптическое устройство состоит из лазера с широким спектром, из которого с помощью устройства разделения спектра выбирается одна определенная длина волны. Преимуществом устройства является возможность создания активной подсветки в большом числе спектральных диапазонов. Недостатком устройства является необходимость использования лазера с чрезвычайно широким спектром, более нескольких десятков нанометров, что значительно увеличивает энергопотребление, так как единовременно используется лишь небольшая часть от излучаемой энергии. Также недостатком является невозможность одновременно излучать в более чем одном спектральном диапазоне.Known patent [JP 2021518560 A, IPC: G01N21/21, published 08/02/2021] multispectral lidar transmitter, which includes an optical device, a scanning device, a spectrum splitter, a wavelength selection device and a detection device. The optical device consists of a wide spectrum laser from which one specific wavelength is selected using a spectrum splitter. The advantage of the device is the ability to create active illumination in a large number of spectral ranges. The disadvantage of the device is the need to use a laser with an extremely wide spectrum, more than a few tens of nanometers, which significantly increases energy consumption, since only a small part of the emitted energy is used at a time. Also, the disadvantage is the inability to simultaneously emit in more than one spectral range.

В качестве прототипа используется лидар [US 10094925 B1, МПК: G01S17/08, опубликован 09.10.2021], который включает в себя: лазер, сконфигурированный для излучения светового импульса, включающего первую длину волны; сканер, сконфигурированный для направления излучаемого светового импульса в соответствии с разверткой; приемник, включающий: первый детектор, сконфигурированный для обнаружения в первом поле зрения излученного светового импульса в первом спектральном диапазоне, рассеянного удаленной целью и второй детектор, сконфигурированный для обнаружения во втором поле зрения излученного светового импульса во втором спектральном диапазоне, рассеянного уделенной целью, причем сканер обеспечивает соответствие между первым полем зрения и вторым полем зрения; также прототип содержит оптический элемент, сконфигурированный для разделения полученного излучения на первый пучок, содержащий первую длину волны и практически не содержащий вторую длину волны и второй пучок, содержащий вторую длину волны и не содержащий первую длину волны, также оптический элемент направляет первый пучок на первый детектор, а второй пучок на второй детектор, также лидарная система также включает в себя контроллер, который сконфигурирован для определения расстояния используя световой импульс зафиксированный первым детектором, также контроллер позволяет измерять параметры удаленной цели используя световой импульс зафиксированный вторым детектором, вносить корректировки в измерения параметров удаленной цели используя данные о расстоянии до неё.As a prototype, a lidar is used [US 10094925 B1, IPC: G01S17/08, published 10/09/2021], which includes: a laser configured to emit a light pulse including a first wavelength; a scanner configured to direct the emitted light pulse in accordance with the scan; a receiver comprising: a first detector configured to detect in the first field of view an emitted light pulse in the first spectral range scattered by a distant target and a second detector configured to detect in the second field of view an emitted light pulse in the second spectral range scattered by a distant target, the scanner provides correspondence between the first field of view and the second field of view; the prototype also contains an optical element configured to separate the received radiation into the first beam containing the first wavelength and practically not containing the second wavelength and the second beam containing the second wavelength and not containing the first wavelength, the optical element also directs the first beam to the first detector , and the second beam to the second detector, the lidar system also includes a controller that is configured to determine the distance using the light pulse recorded by the first detector, the controller also allows you to measure the parameters of a remote target using the light pulse recorded by the second detector, make adjustments to the measurements of the parameters of the remote target using distance data.

Прототип позволяет строить трехмерную карту пространства при этом одновременно измерять коэффициент отражения объекта во второй длине волны. Недостатком прототипа является наличие источника лазерного излучения только с одной длиной волны. Создание изображение с дополнительной информацией, полученной с помощью второго детектора возможно только в случае наличия отраженного излучения естественной природы во втором спектральном диапазоне или в случае если удаленная цель эмитирует излучение. Также недостатком является то, что в прототипе для получения информации используется только два детектора, один для определения дальности и второй для определения одного дополнительного свойства удаленной цели, в то время как информация о коэффициенте отражения от удаленной цели в различных спектральных диапазонах помогла бы улучшить возможности по распознаванию объектов для систем машинного зрения. Еще одним недостатком является то, что поле зрения первого детектора и поле зрения второго детектора не совпадают, это приводит к тому, что для построения трехмерного изображения необходимо применять системы сканирования, и при сканировании быстро двигающихся удаленных целей могут возникать ошибки, связанные с соотнесением информации о дальности и информации о дополнительных свойствах. The prototype allows you to build a three-dimensional map of space while simultaneously measuring the reflectance of the object in the second wavelength. The disadvantage of the prototype is the presence of a source of laser radiation with only one wavelength. Creating an image with additional information obtained using the second detector is possible only if there is reflected radiation of natural nature in the second spectral range or if a distant target emits radiation. Also, the disadvantage is that in the prototype only two detectors are used to obtain information, one for determining the range and the second for determining one additional property of a distant target, while information about the reflection coefficient from a distant target in different spectral ranges would help improve the ability to object recognition for machine vision systems. Another disadvantage is that the field of view of the first detector and the field of view of the second detector do not coincide, which leads to the fact that scanning systems must be used to build a three-dimensional image, and when scanning fast moving distant targets, errors may occur related to the correlation of information about range and information about additional properties.

Задачей, поставленной в основу предлагаемого технического решения является создание устройства, которое позволит одновременно получать информацию о расстоянии до удаленной цели и информацию о коэффициенте отражения в нескольких спектральных диапазонах.The task set in the basis of the proposed technical solution is to create a device that will allow you to simultaneously obtain information about the distance to a distant target and information about the reflection coefficient in several spectral ranges.

Техническим результатом от решения поставленной задачи является улучшение точности идентификации объектов в системах машинного зрения на основе лидара. Известно, что многие материалы имеют уникальный спектр отражения, и данные об относительной отражающей способности поверхности удаленной цели в нескольких спектральных диапазонах позволяют более точно и надежно идентифицировать материал удаленной цели и, соответственно, выбрать более подходящую стратегию взаимодействия с нею. Например, мультиспектральный лидар может значительно увеличить безопасность посадки беспилотного летательного аппарата на неподготовленную площадку с неизвестным покрытием. Песок и глина имеют схожий коэффициент отражения в видимом спектре, при этом в диапазоне длин волн 1400-1500 нм он отличается в два раза [Li S. et al. Automatic near real-time flood detection using Suomi-NPP/VIIRS data //Remote sensing of environment. – 2018. – Т. 204. – С. 672-689.], при этом посадка на глинистую поверхность более безопасна, чем на песчаную.The technical result of solving the problem is to improve the accuracy of object identification in machine vision systems based on lidar. It is known that many materials have a unique reflectance spectrum, and data on the relative reflectivity of the surface of a distant target in several spectral ranges allows you to more accurately and reliably identify the material of a distant target and, accordingly, choose a more appropriate strategy for interacting with it. For example, multispectral lidar can significantly increase the safety of landing an unmanned aerial vehicle on an unprepared site with unknown coverage. Sand and clay have a similar reflectance in the visible spectrum, while in the wavelength range of 1400-1500 nm it differs twice [Li S. et al. Automatic near real-time flood detection using Suomi-NPP/VIIRS data //Remote sensing of environment. - 2018. - T. 204. - S. 672-689.], while landing on a clay surface is safer than on a sandy one.

Технический результат достигается за счет того то в устройстве используется два или более лазера, которые генерируют импульсы светового излучения в несовпадающих по уровню интенсивности 1/е2 спектральных диапазонах, выходная оптическая система, которая обеспечивает совпадение в пространстве всех лучей лазерного излучения на протяженности всего рабочего диапазона дальности и обеспечивает подсветку всего поля зрения мультиспектрального лидара всеми используемыми длинами вол, также в устройстве используется входная оптическая система, апертура которой направлена на область пространства, в которой распространяются лучи светового излучения, причем апертура оптического устройства сконфигурирована таким образом, чтобы в нее попадало отраженное излучения от всех лазеров для любой удаленной цели, находящейся в пределах поля зрения оптической системы, при этом входная оптическая система проецирует изображение удаленной цели на спектроделительные элементы, которые выполняются с использованием призм, дифракционных решеток или других оптических устройств, способных в пространстве разделить по спектру попадающее в оптическую систему отраженное от удаленной цели излучение лазеров, также устройство содержит массив фотоприемных устройств, которые расположены в фокальной плоскости оптической системы таким образом, что на каждый независимый элемент фотоприемного устройства попадало излучение, соответствующее только одному участку спектра, отраженного от удаленной цели, также устройство содержит систему определения параметров удаленной цели на основе измерения времени задержки распространения светового импульса от лазера до удаленной цели и амплитуды отраженного светового излучения, причем система определения параметров удаленной цели позволяет определять указанные характеристики для каждого элемента массивного фотоприемного устройства независимо.The technical result is achieved due to the fact that the device uses two or more lasers that generate pulses of light radiation in spectral ranges that do not match in intensity level 1/e 2 , an output optical system that ensures that all laser radiation beams coincide in space over the entire operating range range and provides illumination of the entire field of view of the multispectral lidar with all wavelengths used, the device also uses an input optical system, the aperture of which is directed to the region of space in which the rays of light radiation propagate, and the aperture of the optical device is configured in such a way that reflected radiation enters it from all lasers for any remote target within the field of view of the optical system, while the input optical system projects the image of the remote target onto the spectrum-splitting elements, which are performed using prisms, diffraction gratings or other optical devices capable of separating in space the spectrum that falls into the optical system reflects laser radiation from a distant target, the device also contains an array of photodetectors, which are located in the focal plane of the optical system in such a way that each independent element of the photodetector receives radiation corresponding to only one section of the spectrum reflected from a remote target, the device also contains a system for determining the parameters of a remote target based on measuring the delay time of the propagation of a light pulse from the laser to the remote target and the amplitude of the reflected light radiation, and the system for determining the parameters of the remote target allows you to determine these characteristics for each element of the massive photodetector independently.

Существенным отличием предложенного устройства является использование для одновременного определения дальности и коэффициента отражения удаленной цели активную подсветку в двух и более несовпадающих спектральных диапазонов и фотоприемных устройств, любой из независимых пикселей которого чувствительных только к одному из используемых в подсветке спектральных диапазонов, при этом каждый импульс светового излучения, отраженный от удаленной цели попадает на все пиксели, соответствующие её изображению на ФПУ и с помощью которых формируется двумерное изображение. Это позволяет получать данные о спектре отражения удаленной цели, её геометрических размерах и расстоянии до неё даже при отсутствии дополнительного освещения или люминесценции самой цели за один кадр ФПУ и один излученный импульс лазеров и без применения систем сканирования.The essential difference of the proposed device is the use of active illumination in two or more mismatched spectral ranges and photodetector devices, any of the independent pixels of which are sensitive to only one of the spectral ranges used in the illumination, while each pulse of light radiation , reflected from a distant target, hits all pixels corresponding to its image on the FPA and with the help of which a two-dimensional image is formed. This makes it possible to obtain data on the reflection spectrum of a distant target, its geometric dimensions and distance to it, even in the absence of additional illumination or luminescence of the target itself, in one FPU frame and one emitted laser pulse and without the use of scanning systems.

Технологическая реализация предложенного мультиспектрального лидара основана на известных базовых методах его изготовления, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «Промышленная применимость».The technological implementation of the proposed multispectral lidar is based on the well-known basic methods for its manufacture, which are well developed and widely used by now. The proposal satisfies the criterion "Industrial applicability".

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Предлагаемый мультиспектральный лидар иллюстрируется фигурами 1-3.The proposed multispectral lidar is illustrated in figures 1-3.

На Фиг.1 – схематически изображена функциональная схема.Figure 1 - schematically depicts a functional diagram.

На Фиг. 2 – изображен относительный спектр излучения и относительный спектр отражения от двух удаленных целей из снега и белого пластика на одинаковом расстоянии, а также спектр используемых в лидаре лазеров.On FIG. 2 - shows the relative emission spectrum and the relative reflection spectrum from two distant targets made of snow and white plastic at the same distance, as well as the spectrum of lasers used in the lidar.

На Фиг. 3 – изображен результат работы двухмерного лидара с излучателями в трех спектральных диапазонах.On FIG. 3 shows the result of the operation of a two-dimensional lidar with emitters in three spectral ranges.

Осуществление ПМImplementation of the PM

Устройство, изображенное на Фиг. 1 включает в себя следующие составные части:The device shown in Fig. 1 includes the following components:

Л1, Л2, Лn, – лазеры, излучающие в спектральном диапазоне λ1, λ2 .. λN;L 1 , L 2 , L n , are lasers emitting in the spectral range λ 1 , λ 2 .. λ N ;

ОС1 выходная оптическая система, которая позволяет сгруппировать лучи λ1, λ2..λN в одном направлении;OS1 output optical system that allows you to group the beams λ 1 , λ 2 ..λ N in one direction;

УЦ – удаленная цель, на которую попадает излучение всех лазеров и которая находится в апертуре входной оптической системы, штрихпунктирном обозначена проекция УЦ на элементы ОС2;CA is a distant target, which is hit by the radiation of all lasers and which is located in the aperture of the input optical system;

ОС2 – входная оптическая система, во входную апертуру которой падает отраженное от удаленной цели излучение, и которая проецирует её изображение на спектроделительные элементы;OS2 is the input optical system, into the input aperture of which the radiation reflected from a distant target falls, and which projects its image onto the spectrum-splitting elements;

СЭ1, СЭ2, СЭK – спектроделительные элементы, которые разделяют упавшее на них излучение по длине волны излучения.FE 1 , FE 2 , FE K - spectrum-splitting elements that separate the radiation incident on them according to the radiation wavelength.

ФПУ массив фотоприемных устройств, состоящий из независимых пикселей Ф1, Ф2..ФПУKN;FPU array of photodetectors, consisting of independent pixels Ф 1 , Ф 2 ..FPU KN ;

ИВ – измеритель времени, который позволяет определить задержку распространения излучения для каждого независимого пикселя ФПУ измеряя время между моментом излучения импульса лазером tстарт1, tстарт2 … tстартN и приходом отраженного от удаленной цели сигнала ФПУ tstop1..N.TW is a time meter that allows you to determine the radiation propagation delay for each independent FPU pixel by measuring the time between the moment of laser pulse emission t start1 , t start2 … t startN and the arrival of the FPU signal reflected from a distant target t stop1..N .

К – контроллер который получает информацию от измерителя времени о задержке распространения излучения t1..N и информацию от ФПУ о коэффициенте отражения цели R1..KN, преобразует и обрабатывает эту информацию для создания картины в которой окружающее пространство разбивается на точки, для каждой из которой известна дальность и коэффициент отражения в N спектральных диапазонах.K - controller that receives information from the time meter about the radiation propagation delay t 1..N and information from the FPU about the target reflection coefficient R 1..KN, converts and processes this information to create a picture in which the surrounding space is divided into points, for each from which the range and reflection coefficient in N spectral ranges are known.

В моменты времени tстарт1.. tстартN излучатели генерируют световые импульсы с длиной волны λ1..λN и передают сигнал о начале отсчета для измерителя времени. Световые импульсы λ1..λN с помощью выходной оптической системы направляются в одну область пространства, где в случае наличия удаленной цели отражаются в апертуру входной оптической системы. Во входной оптической системе изображение удаленной цели проецируется на спектроделительные элементы отраженный свет разделяется на спектр и на каждый независимый элемент ФПУ попадает излучение одной длины волны. Каждый из независимых элементов ФПУ передает на измеритель времени сигнал tstop1..N и на контроллер сигнал об интенсивности отраженного светового импульса R1..N который пропорционален коэффициенту отражения удаленной цели в соответствующем спектральном диапазоне. Измеритель времени определяет задержку из разницы между временем tstop и tстарт для каждого спектрального диапазона и передает эти данные на контроллер. Контроллер преобразует и обрабатывает полученные данные и на их основе строит изображение, состоящее из дальности до удаленной цели и коэффициента отражения в каждом используемом спектральном диапазоне.At times tstart1..tstartNemitters generate light pulses with wavelength λ1..λNand transmit a signal about the beginning of the countdown for the time meter. Light impulses λ1..λNwith the help of the output optical system, they are directed to one region of space, where, in the presence of a distant target, they are reflected into the aperture of the input optical system. In the input optical system, the image of a distant target is projected onto the spectrum-splitting elements; the reflected light is divided into a spectrum, and radiation of one wavelength falls on each independent FPU element. Each of the independent elements of the FPU transmits a signal t to the time meterstop1..Nand to the controller a signal about the intensity of the reflected light pulse R1..Nwhich is proportional to the reflection coefficient of the distant target in the corresponding spectral range. The time meter determines the delay from the difference between the times tstopand tstartfor each spectral range and transmits this data to the controller. The controller converts and processes the received data and builds an image based on them, consisting of the distance to the remote target and the reflection coefficient in each used spectral range.

График, изображенный на Фиг. 2 включает в себя относительный спектр полного зеркального отражения (жирная сплошная линия) лазера λ1 c доминантной длиной волны 905 нм, лазера λ2 с доминантной длиной волны 1345 нм и лазера λ3 с доминантной длиной волны 1550 нм. Также на графике отображены спектр отражения белого пластика (пунктирная линия)и снега (штриховая линия) [Moshtaghi M. et al. Spectral reflectance of marine macroplastics in the VNIR and SWIR measured in a controlled environment //Scientific Reports. – 2021. – Т. 11. – №. 1. – С. 1-12., Spectral reflectance of marine macroplastics in the VNIR and SWIR measured in a controlled environment Domine F. et al. Correlation between the specific surface area and the short wave infrared (SWIR) reflectance of snow //Cold Regions Science and Technology. – 2006. – Т. 46. – №. 1. – С. 60-68.] и уровень интенсивности отраженного сигнала 1/е2 (тонкая сплошная линия). Из графика видно, что для лидаров с длиной волны 1345 нм интенсивность отраженного сигнала для двух этих материалов с одинакового расстояния будет близка, а белый цвет в видимом диапазоне также затрудняет идентификацию с помощью камеры. Благодаря применению совместно с излучателем других спектральных диапазонов в предлагаемой конструкции мультиспектрального лидара можно однозначно различить эти материалы на изображении за счет существенной разницы в коэффициенте отражения на 905 нм и 1550 нм. Уникальный спектральный состав отраженного света характерен для многих материалов и увеличивая количество лазеров в разных спкетральных диапазонах мультиспектрального лидара упрощается их идентификация. Таким образом, применение технологии мультиспектрального лидара позволяет определить не только расстояние до удаленной цели, но и материал, из которого она состоит.The graph depicted in Fig. 2 includes the relative total specular reflection spectrum (thick solid line) of the λ 1 laser with a dominant wavelength of 905 nm, the λ 2 laser with a dominant wavelength of 1345 nm, and the λ 3 laser with a dominant wavelength of 1550 nm. The graph also shows the reflectance spectrum of white plastic (dashed line) and snow (dashed line) [Moshtaghi M. et al. Spectral reflectance of marine macroplastics in the VNIR and SWIR measured in a controlled environment //Scientific Reports. - 2021. - T. 11. - No. 1. - P. 1-12., Spectral reflectance of marine macroplastics in the VNIR and SWIR measured in a controlled environment Domine F. et al. Correlation between the specific surface area and the short wave infrared (SWIR) reflectance of snow //Cold Regions Science and Technology. - 2006. - T. 46. - No. 1. - P. 60-68.] and the intensity level of the reflected signal 1/e 2 (thin solid line). It can be seen from the graph that for lidars with a wavelength of 1345 nm, the intensity of the reflected signal for these two materials from the same distance will be close, and the white color in the visible range also makes it difficult to identify with the camera. Due to the use of other spectral ranges together with the emitter in the proposed design of the multispectral lidar, these materials can be unambiguously distinguished in the image due to a significant difference in the reflectance at 905 nm and 1550 nm. The unique spectral composition of reflected light is characteristic of many materials, and by increasing the number of lasers in different spectral ranges of a multispectral lidar, their identification is simplified. Thus, the use of multispectral lidar technology makes it possible to determine not only the distance to a distant target, but also the material of which it consists.

На фигуре 3 изображен возможный вариант вывода изображения мулитиспектрального лидара с тремя лазерами. Кодирование цвета осуществляется с помощью 8 битной RGB системы где R- коэффициент отражения на 905 нм, G – коэффициент отражения на 1345 нм, и B – коэффициент отражения на 1550 нм. Поле зрения мультиспектрального лидара – 90 градусов. По результатам построенного изображения можно определить расстояние до удаленных целей, а также то, что в поле зрения лидара попали объекты состоящие из трех различных материалов.The figure 3 shows a possible variant of the image output of a multispectral lidar with three lasers. Color encoding is done using an 8-bit RGB system where R is the reflectance at 905 nm, G is the reflectance at 1345 nm, and B is the reflectance at 1550 nm. The field of view of the multispectral lidar is 90 degrees. Based on the results of the constructed image, it is possible to determine the distance to distant targets, as well as the fact that objects consisting of three different materials fell into the field of view of the lidar.

Claims (1)

Мультиспектральный лидар, содержащий два или более лазера с возможностью генерации импульсов лазерного излучения в несовпадающих спектральных диапазонах; выходную оптическую систему с возможностью обеспечения совпадения в пространстве всех лучей лазерного излучения на протяженности всего рабочего диапазона дальности; входную оптическую систему, апертура которой направлена на область пространства, в которой при работе мультиспектрального лидара должны распространяться лучи отраженного излучения, причем апертура оптического устройства сконфигурирована таким образом, чтобы в нее попадало отраженное от удаленной цели излучение от всех лазеров; массив спектроделительных элементов, способных в пространстве разделить по спектру попадающее во входную оптическую систему отраженное от удаленной цели излучение лазеров; массив фотоприемных устройств, которые расположены в фокальной плоскости входной оптической системы с возможностью попадания на каждый независимый элемент фотоприемного устройства излучения, соответствующего только одному участку спектра, отраженного от удаленной цели; измеритель временных интервалов, который определяет задержку распространения отраженных от удаленной цели световых импульсов; контроллер для определения параметров удаленной цели на основе измерения времени задержки распространения светового импульса от лазера до удаленной цели и амплитуды отраженного излучения, причем система определения параметров удаленной цели позволяет определять указанные характеристики для каждого элемента массивного фотоприемного устройства независимо, отличающийся тем, что выбраны лазеры с возможностью генерации импульсов лазерного излучения в различных спектральных диапазонах, для которых сигналы, отраженные от различных материалов, имеют не совпадающие по уровню интенсивности спектры.Multispectral lidar containing two or more lasers with the ability to generate laser pulses in mismatched spectral ranges; output optical system with the ability to ensure the coincidence in space of all beams of laser radiation over the entire operating range; an input optical system, the aperture of which is directed to the region of space in which, during the operation of the multispectral lidar, reflected radiation beams should propagate, and the aperture of the optical device is configured in such a way that radiation from all lasers reflected from a distant target enters it; an array of spectrum-splitting elements capable of spatially separating the laser radiation reflected from a distant target into the input optical system according to the spectrum; an array of photodetectors that are located in the focal plane of the input optical system with the possibility of hitting each independent element of the photodetector with radiation corresponding to only one section of the spectrum reflected from a distant target; a time interval meter that determines the propagation delay of light pulses reflected from a distant target; a controller for determining the parameters of a remote target based on measuring the delay time of the propagation of a light pulse from a laser to a remote target and the amplitude of the reflected radiation, and the system for determining the parameters of a remote target allows you to determine the specified characteristics for each element of a massive photodetector device independently, characterized in that lasers are selected with the ability to generation of laser radiation pulses in different spectral ranges, for which the signals reflected from different materials have spectra that do not match in terms of intensity.
RU2021136187U 2021-12-08 MULTISPECTRAL LIDAR SYSTEM RU218665U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU218665U1 true RU218665U1 (en) 2023-06-05

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2256554B (en) * 1986-09-16 1993-05-05 Thomson Csf Laser imaging system with a linear detector array
RU2540451C1 (en) * 2013-09-25 2015-02-10 ОАО "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" Laser location system
RU2544305C1 (en) * 2013-10-31 2015-03-20 ОАО "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" Laser location system
US9599468B2 (en) * 2006-09-22 2017-03-21 Leica Geosystems Ag LIDAR system
US10739256B1 (en) * 2019-03-29 2020-08-11 Rockley Photonics Limited Spectroscopy system with beat component

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2256554B (en) * 1986-09-16 1993-05-05 Thomson Csf Laser imaging system with a linear detector array
US9599468B2 (en) * 2006-09-22 2017-03-21 Leica Geosystems Ag LIDAR system
RU2540451C1 (en) * 2013-09-25 2015-02-10 ОАО "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" Laser location system
RU2544305C1 (en) * 2013-10-31 2015-03-20 ОАО "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" Laser location system
US10739256B1 (en) * 2019-03-29 2020-08-11 Rockley Photonics Limited Spectroscopy system with beat component

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10739445B2 (en) Parallel photon counting
CA3012691C (en) Lidar based 3-d imaging with far-field illumination overlap
CA2650235C (en) Distance measuring method and distance measuring element for detecting the spatial dimension of a target
US8184276B2 (en) Continuous index of refraction compensation method for measurements in a medium
JP7242849B2 (en) Method and system for retroreflector mapping
CN110824490B (en) Dynamic distance measuring system and method
AU2002319202B2 (en) Method and device for suppressing electromagnetic background radiation in an image
FR2590681A1 (en) SYSTEM FOR LOCATING AN OBJECT PROVIDED WITH AT LEAST ONE PASSIVE PATTERN.
CN112470026A (en) Laser radar, detection method thereof, storage medium and detection system
CN115720634A (en) LIDAR system with fog detection and adaptive response
CN110716189A (en) Transmitter and distance measurement system
US20230058113A1 (en) Differentiating close-range measurements of time of flight
IL277134B1 (en) Method and device for distance measurement
EP3999822A1 (en) Spectrometer device
WO2020249359A1 (en) Method and apparatus for three-dimensional imaging
RU218665U1 (en) MULTISPECTRAL LIDAR SYSTEM
WO2022088492A1 (en) Collector, distance measurement system, and electronic device
IL293290A (en) Retroreflector detection and avoidance in a lidar device
CN213903798U (en) Distance measuring system with dual light-emitting modes
CN110476080B (en) Lidar device and method for scanning a scanning angle and for analyzing a treatment detector
US20220283307A1 (en) Depth sensor calibration using internal reflections
Quero et al. Evaluation of a 3D imaging vision system based on a single-pixel InGaAs detector and the time-of-flight principle for drones
US20230258807A1 (en) Image processing apparatus and distance-measurement apparatus
WO2022040937A1 (en) Laser scanning device and laser scanning system
JP7483548B2 (en) Electromagnetic wave detection device