一種高光譜全波形激光雷達(dá)遙感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)，其包括：掃描平臺(tái)、超連續(xù)譜脈沖激光光源、固定于所述掃描平臺(tái)的同軸發(fā)射接收系統(tǒng)、多通道全波形測量裝置、連接發(fā)射探測信號(hào)和多通道波形探測信號(hào)的全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元、連接掃描平臺(tái)、光源、實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元的控制中心。本發(fā)明可以獲取帶有光譜信息的3D點(diǎn)云，同時(shí)探測精細(xì)的光譜變化和全波形激光雷達(dá)回波信號(hào)，獲取的一系列的不同波長的回波信號(hào)包含了豐富的信息，可同時(shí)用于結(jié)構(gòu)信息和生化組分信息提取。
【專利說明】一種高光譜全波形激光雷達(dá)遙感系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及植被遙感領(lǐng)域，特別是涉及一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]地表植被覆蓋是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，其在三維空間內(nèi)往往呈現(xiàn)出此較顯著的空間異質(zhì)性，生理生化參數(shù)三維空間內(nèi)立體分布的測定對于分析植被的生長狀況和生長環(huán)境、研究不同高度處的光照、水分和養(yǎng)分限制、評(píng)估株型、遮蔽影響、預(yù)估生態(tài)系統(tǒng)演化等具有重要意義。現(xiàn)有的被動(dòng)光學(xué)儀器如高光譜成像光譜儀等已經(jīng)對水平異質(zhì)性能進(jìn)行較好的提取，但是很難進(jìn)行垂直分布信息遙感提取。一方面使我們失去了判斷植被生長狀況的立體空間內(nèi)的差異信息，只能將三維植被結(jié)構(gòu)置于二維平面上表達(dá)；另一方面也會(huì)利用遙感數(shù)據(jù)反演的各種參數(shù)與實(shí)測相比存在較大的偏差。在現(xiàn)有研究中，已經(jīng)有將高光譜成像儀和三維掃描儀結(jié)合，來產(chǎn)生具有光譜信息的3D點(diǎn)云的研究，但是這種方法不能保證兩種儀器成像時(shí)間和像素點(diǎn)位置的嚴(yán)格配準(zhǔn)，具有一定的誤差，另外，基于被動(dòng)光學(xué)遙感理論的光譜測量以晴天，萬里無云條件為最佳條件，受天氣狀況的影響極大，尤其夜晚不能進(jìn)行測量。另外，已有的研究中還包括將地面波形激光雷達(dá)和多角度遙感相結(jié)合對植被面積、結(jié)構(gòu)和生物量進(jìn)行評(píng)估。
[0003]為了彌補(bǔ)目前商用激光雷達(dá)在植被生化組分探測能力上的缺陷，將距離測量和高光譜測量相結(jié)合，生產(chǎn)具有光譜信息的3D點(diǎn)云，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜植被的結(jié)構(gòu)和生化組分信息的精確探測將會(huì)顯著提高遙感儀器在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)，生產(chǎn)具有光譜信息的3D點(diǎn)云，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜植被的結(jié)構(gòu)和生化組分信息的精確探。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)，其包括:
[0008]掃描平臺(tái)；超連續(xù)譜脈沖激光光源；固定于所述掃描平臺(tái)的同軸發(fā)射接收系統(tǒng)；多通道全波形測量裝置；連接發(fā)射探測信號(hào)和多通道波形探測信號(hào)的全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元；連接掃描平臺(tái)、光源、實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元的控制中心。同軸發(fā)射接收系統(tǒng)的光源為超連續(xù)譜脈沖激光光源，該光源經(jīng)入射光子晶體光纖與固定于鏡筒上且與鏡筒同軸的準(zhǔn)直器相連，特別地，該超連續(xù)譜激光光源型號(hào)為NKT compact ；
[0009]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，同軸發(fā)射接收系統(tǒng)主要由鏡筒、中心開孔的消色差物鏡、二維角度微調(diào)裝置、微透分束鏡、發(fā)射探測傳感器、位置可調(diào)鏡筒后座、45度探測視場反射鏡、可調(diào)瞄準(zhǔn)目鏡、攝像頭、接收光纖、全反射鏡等組成。二維角度微調(diào)裝置固定于鏡筒前方，二維角度微調(diào)裝置上安裝有徼透分束鏡，通過二維角度微調(diào)裝置上的兩個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕可以調(diào)整微透分束鏡的兩個(gè)角度。微透分束鏡的后方連接光纖接頭，發(fā)射探測光纖一端插入該接頭，另外一端連接到發(fā)射探測傳感器的鏡筒的光學(xué)接頭中。發(fā)射探測傳感器由發(fā)射探測鏡筒、透鏡、雪崩二級(jí)管組成，鏡筒的前端為固定發(fā)射探測光纖的接頭，接頭后端為透鏡，透鏡焦點(diǎn)處安裝雪崩二極管，雪崩二極管的輸出端為電信號(hào)，該電信號(hào)輸入信號(hào)處理單元的發(fā)射探測信號(hào)接口。同軸發(fā)射接收系統(tǒng)的前端安裝中心開孔的消色差物鏡。同軸發(fā)射接收系統(tǒng)的后端由位置可調(diào)鏡筒后座、固定于后座上的二維角度微調(diào)裝置、固定于二維角度微調(diào)裝置前端的45度探測視場反射鏡、固定于鏡筒上的可調(diào)瞄準(zhǔn)目鏡、可調(diào)瞄準(zhǔn)目鏡的上方安裝可拆卸攝像頭。45度探測視場反射鏡的中心開孔，開孔直徑對應(yīng)于觀測的視場大小，特別低，對于本發(fā)明采用4mrad的觀測視場角。反射鏡開孔的內(nèi)側(cè)為接收光纖接口。接收光纖一端固定于該光纖接口內(nèi)，另外一端連接多通道全波形測量裝置的光纖接口。其中，探測視場反射鏡的開孔位于望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)處。鏡筒后座的位置可調(diào)可以保證對相距進(jìn)行細(xì)調(diào)，以適應(yīng)探測物距在大范圍內(nèi)的變化。
[0010]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，控制中心通過USB控制線連接超連續(xù)譜脈沖激光光源；控制中心通過串口控制線連接掃描平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制器，掃描平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制器連接到掃描平臺(tái)的兩個(gè)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)；控制中心通過網(wǎng)線連接信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元同時(shí)連接發(fā)射探測信號(hào)和接收探測信號(hào)。
[0011]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，多通道全波形測量裝置主要由光纖接口、準(zhǔn)直鏡、反射鏡、球面反射鏡組、凸球面光柵、線性光電倍增管陣列探測器、可調(diào)高壓發(fā)生器、高速放大電路、多通道信號(hào)輸出接口組成。
[0012]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元主要由多路選擇電子開關(guān)、高速模數(shù)采集卡、處理板、固態(tài)硬盤、信號(hào)接口組成。
[0013](三)有益效果
[0014]上述技術(shù)方案所提供的一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)，該設(shè)備可生產(chǎn)具有光譜信息的3D點(diǎn)云，對于植被生長狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)以及植被定量遙感的發(fā)展、遙感產(chǎn)品的生態(tài)學(xué)應(yīng)用具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)的發(fā)射部分的原理示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)的接收部分的原理示意圖；
[0018]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)的多通道全波形測量裝置原理不意圖；
[0019]其中，1:掃描平臺(tái)；2:超連續(xù)譜脈沖激光光源；3:同軸發(fā)射接收系統(tǒng)；4:多通道全波形測量裝置；5:全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元；6:控制中心；7:入射光子晶體光纖；8:準(zhǔn)直器；9:鏡筒；10:中心開孔的消色差物鏡；11:二維角度微調(diào)裝置；12:微透分束鏡；13:發(fā)射探測傳感器；14:位置可調(diào)鏡筒后座；15:45度探測視場反射鏡；16:可調(diào)瞄準(zhǔn)目鏡；
17:攝像頭；18:接收光纖；19:光纖接口 ；20:準(zhǔn)直鏡；21:反射鏡；22:球面反射鏡組；23:凸球面光柵；24:線性光電倍增管陣列探測器；25:可調(diào)高壓發(fā)生器；26:高速放大電路；27:多通道信號(hào)輸出接口 ；28:發(fā)射探測鏡筒；29:透鏡；30:雪崩二級(jí)管組成；31:發(fā)射探測光纖；32:多路選擇電子開關(guān)；33:運(yùn)動(dòng)控制器；34:行星減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)；35:高速模數(shù)采集卡；36:全反射鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0021]結(jié)合圖1至圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)，包括:掃描平臺(tái)I ;超連續(xù)譜脈沖激光光源2 ;固定于所述掃描平臺(tái)I的同軸發(fā)射接收系統(tǒng)3 ；多通道全波形測量裝置4 ;連接發(fā)射探測信號(hào)和多通道波形探測信號(hào)的全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元5;連接掃描平臺(tái)、光源、實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元的控制中心6。同軸發(fā)射接收系統(tǒng)的光源為超連續(xù)譜脈沖激光光源，該光源經(jīng)入射光子晶體光纖7與固定于鏡筒上且與鏡筒同軸的準(zhǔn)直器8相連，特別地，該超連續(xù)譜脈沖激光光源的型號(hào)為NKT compact ；
[0022]結(jié)合圖2和圖3，同軸發(fā)射接收系統(tǒng)主要由鏡筒9、中心開孔的消色差物鏡10、二維角度微調(diào)裝置11、微透分束鏡12、發(fā)射探測傳感器13、位置可調(diào)鏡筒后座14、45度探測視場反射鏡15、可調(diào)瞄準(zhǔn)目鏡16、攝像頭17、接收光纖18、全反射鏡36等組成。二維角度微調(diào)裝置11固定于鏡筒9前方，二維角度微調(diào)裝置11上安裝有微透分束鏡12，通過二維角度微調(diào)裝置上的兩個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕可以調(diào)整微透分束鏡的兩個(gè)角度。微透分束鏡12的后方連接光纖接口 19，發(fā)射探測光纖一端插入該接頭，另外一端連接到發(fā)射探測傳感器的鏡筒的光學(xué)接頭中。發(fā)射探測傳感器13由發(fā)射探測鏡筒28、透鏡29、雪崩二級(jí)管30組成，鏡筒的前端為固定發(fā)射探測光纖的接頭，接頭后端為透鏡，透鏡焦點(diǎn)處安裝雪崩二極管30，雪崩二極管的輸出端為電信號(hào)，該電信號(hào)輸入信號(hào)處理單元的發(fā)射探測信號(hào)接口。同軸發(fā)射接收系統(tǒng)的前端安裝中心開孔的消色差物鏡10。同軸發(fā)射接收系統(tǒng)的后端由位置可調(diào)鏡筒后座14、固定于后座上的二維角度微調(diào)裝置11、固定于二維角度微調(diào)裝置前端的45度探測視場反射鏡15、固定于鏡筒上的可調(diào)瞄準(zhǔn)目鏡16、可調(diào)瞄準(zhǔn)目鏡16的上方安裝可拆卸攝像頭17。45度探測視場反射鏡15的中心開孔，開孔直徑對應(yīng)于觀測的視場大小，特別地，對于本發(fā)明采用4mrad的觀測視場角。反射鏡開孔的內(nèi)側(cè)為接收光纖接口。接收光纖一端固定于該光纖接口內(nèi)，另外一端連接多通道全波形測量裝置的光纖接口。其中，45度探測視場反射鏡15的開孔位于望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)處。鏡筒后座的位置可調(diào)可以保證對相距進(jìn)行細(xì)調(diào)，以適應(yīng)探測物距在大范圍內(nèi)的變化，優(yōu)選地，后座位置調(diào)整采用絲杠螺母結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。超連續(xù)譜脈沖激光光源2發(fā)出的激光脈沖通過準(zhǔn)直器8輸出后入射到微透分束鏡12上，大部分激光被分束鏡12反射到鏡頭內(nèi)部的全反射鏡36上，再透過消色差物鏡10的發(fā)射孔反射出鏡頭，照射到目標(biāo)上。小部分光透過微透分束鏡12進(jìn)入光纖接頭，光纖接頭內(nèi)固定有發(fā)射探測光纖31，這部分發(fā)射光通過光纖進(jìn)入發(fā)射探測器13中，并經(jīng)過透鏡29進(jìn)行準(zhǔn)直匯聚，投射到雪崩二極管30上，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波形的探測。激光投射到目標(biāo)后的反射激光通過望遠(yuǎn)鏡前端的消色差物鏡10進(jìn)行收集，將目標(biāo)在焦點(diǎn)處成像，焦點(diǎn)處同時(shí)為45度探測視場反射鏡15的開孔處，因此探測視場內(nèi)的光線進(jìn)入接收光纖18，然后被引入多通道全波形測量裝置4，實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道波形的同時(shí)測量，并且轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該多路電信號(hào)經(jīng)過多路開關(guān)32后輸入全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元5進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且將波形進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到固態(tài)硬盤中。
[0023]控制中心6通過USB控制線連接超連續(xù)譜脈沖激光光源2 ;控制中心6通過串口控制線連接掃描平臺(tái)I的運(yùn)動(dòng)控制器33，掃描平臺(tái)I的運(yùn)動(dòng)控制器33連接到掃描平臺(tái)的兩個(gè)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)；控制中心6通過網(wǎng)線連接全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元5，全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元5同時(shí)連接發(fā)射探測信號(hào)和接收探測信號(hào)。
[0024]多通道全波形測量裝置主要由光纖接口 19、準(zhǔn)叵鏡20、反射鏡21、球面反射鏡組22、凸球面光柵23、線性光電倍增管陣列探測器24、可調(diào)高壓發(fā)生器25、高速放大電路26、多通道信號(hào)輸出接口 27組成。
[0025]全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元主要由多路選擇電子開關(guān)、高速模數(shù)采集卡、處理板、固態(tài)硬盤、信號(hào)接口組成。
[0026]本實(shí)施例的具體工作過程為:測量時(shí)，控制中心打開超連續(xù)譜脈沖激光光源2，待光源穩(wěn)定后，控制掃描平臺(tái)I運(yùn)動(dòng)到指定位置，然后發(fā)射激光脈沖，同時(shí)啟動(dòng)全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元記錄發(fā)射波形，然后再根據(jù)設(shè)定選擇相應(yīng)的通道記錄多通道的激光回波波形，并存儲(chǔ)到固態(tài)硬盤。然后再控制掃描平臺(tái)I運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)位置，重復(fù)上述的測量。最終生產(chǎn)出具有光譜信息的3D點(diǎn)云。
[0027]由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)，并主要包括掃描平臺(tái)、超連續(xù)譜脈沖激光光源、同軸發(fā)射接收系統(tǒng)、多通道全波形測量裝置、全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元和控制中心。
[0028]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)，其特征在于，包括: 掃描平臺(tái)；超連續(xù)譜脈沖激光光源；固定于所述掃描平臺(tái)的同軸發(fā)射接收系統(tǒng)；多通道全波形測量裝置；連接發(fā)射探測信號(hào)和多通道波形探測信號(hào)的全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元；連接掃描平臺(tái)、光源、實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元的控制中心； 同軸發(fā)射接收系統(tǒng)的光源為超連續(xù)譜脈沖激光光源，該光源經(jīng)入射光子晶體光纖與固定于鏡筒上且與鏡筒同軸的準(zhǔn)直器相連； 同軸發(fā)射接收系統(tǒng)主要由鏡筒、準(zhǔn)直器、中心開孔的消色差物鏡、二維角度微調(diào)裝置、微透分束鏡、發(fā)射探測傳感器、位置可調(diào)鏡筒后座、45度探測視場反射鏡、可調(diào)瞄準(zhǔn)目鏡、攝像頭、接收光纖、全反射鏡等組成；超連續(xù)譜脈沖激光光源二維角度微調(diào)裝置固定于鏡筒前方，二維角度微調(diào)裝置上安裝有微透分束鏡；微透分束鏡的后方連接光纖接頭，發(fā)射探測光纖一端插入該接頭，另外一端連接到發(fā)射探測傳感器的鏡筒的光學(xué)接頭中；發(fā)射探測傳感器由發(fā)射探測鏡筒、透鏡、雪崩二級(jí)管組成，鏡筒的前端為固定發(fā)射探測光纖的接頭，接頭后端為透鏡，透鏡焦點(diǎn)處安裝雪崩二極管，雪崩二極管的輸出端為電信號(hào)，該電信號(hào)輸入信號(hào)處理單元的發(fā)射探測信號(hào)接口 ；同軸發(fā)射接收系統(tǒng)的前端安裝中心開孔的消色差物鏡；同軸發(fā)射接收系統(tǒng)的后端由位置可調(diào)鏡筒后座、固定于后座上的二維角度微調(diào)裝置、固定于二維角度微調(diào)裝置前端的45度探測視場反射鏡、固定于鏡筒上的可調(diào)瞄準(zhǔn)目鏡、可調(diào)瞄準(zhǔn)目鏡的上方安裝可拆卸攝像頭；45度探測視場反射鏡的中心開孔，開孔直徑對應(yīng)于觀測的視場大小，特別地，對于本發(fā)明采用4mrad的觀測視場角；反射鏡開孔的內(nèi)側(cè)為接收光纖接口 ；接收光纖一端固定于該光纖接口內(nèi)，另外一端連接多通道全波形測量裝置的光纖接口 ；探測視場反射鏡的開孔位于望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)，其特征在于，控制中心通過USB控制線連接超連續(xù)譜脈沖激光光源；控制中心通過串口控制線連接掃描平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制器，掃描平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制器連接到掃描平臺(tái)的兩個(gè)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)；控制中心通過網(wǎng)線連接信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元同時(shí)連接發(fā)射探測信號(hào)和接收探測信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)，其特征在于，多通道全波形測量裝置主要由光纖接口、準(zhǔn)直鏡、反射鏡、球面反射鏡組、凸球面光柵、線性光電倍增管陣列探測器、可調(diào)高壓發(fā)生器、高速放大電路、多通道信號(hào)輸出接口組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高光譜全波形激光遙感系統(tǒng)，其特征在于，全實(shí)時(shí)全波形信號(hào)處理單元主要由多路選擇電子開關(guān)、高速模數(shù)采集卡、處理板、固態(tài)硬盤、信號(hào)接口組成。
【文檔編號(hào)】G01S7/483GK103558605SQ201310499238
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】牛錚, 孫剛, 高帥, 黃文江, 王力, 鄔明權(quán), 黃妮, 占玉林 申請人:中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所