一种高光谱全波形激光雷达遥感系统

摘要

本发明公开了一种高光谱全波形激光遥感系统，其包括：扫描平台、超连续谱脉冲激光光源、固定于所述扫描平台的同轴发射接收系统、多通道全波形测量装置、连接发射探测信号和多通道波形探测信号的全实时全波形信号处理单元、连接扫描平台、光源、实时全波形信号处理单元的控制中心。本发明可以获取带有光谱信息的3D点云，同时探测精细的光谱变化和全波形激光雷达回波信号，获取的一系列的不同波长的回波信号包含了丰富的信息，可同时用于结构信息和生化组分信息提取。

说明书

技术领域

本发明涉及植被遥感领域，特别是涉及一种高光谱全波形激光遥感系统。 

背景技术

地表植被覆盖是一个复杂的生态系统，其在三维空间内往往呈现出此较显著的空间异质性，生理生化参数三维空间内立体分布的测定对于分析植被的生长状况和生长环境、研究不同高度处的光照、水分和养分限制、评估株型、遮蔽影响、预估生态系统演化等具有重要意义。现有的被动光学仪器如高光谱成像光谱仪等已经对水平异质性能进行较好的提取，但是很难进行垂直分布信息遥感提取。一方面使我们失去了判断植被生长状况的立体空间内的差异信息，只能将三维植被结构置于二维平面上表达；另一方面也会利用遥感数据反演的各种参数与实测相比存在较大的偏差。在现有研究中，已经有将高光谱成像仪和三维扫描仪结合，来产生具有光谱信息的3D点云的研究，但是这种方法不能保证两种仪器成像时间和像素点位置的严格配准，具有一定的误差，另外，基于被动光学遥感理论的光谱测量以晴天，万里无云条件为最佳条件，受天气状况的影响极大，尤其夜晚不能进行测量。另外，已有的研究中还包括将地面波形激光雷达和多角度遥感相结合对植被面积、结构和生物量进行评估。 

为了弥补目前商用激光雷达在植被生化组分探测能力上的缺陷，将距离测量和高光谱测量相结合，生产具有光谱信息的3D点云，从而实现对复杂植被的结构和生化组分信息的精确探测将会显著提高遥感仪器在实际生产中的应用能力。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

本发明要解决的技术问题是提供一种高光谱全波形激光遥感系统，生产具有光谱信息的3D点云，从而实现对复杂植被的结构和生化组分信息的精确探。 

(二)技术方案 

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高光谱全波形激光遥感系统，其包括： 

扫描平台；超连续谱脉冲激光光源；固定于所述扫描平台的同轴发射接收系统；多通道全波形测量装置；连接发射探测信号和多通道波形探测信号的全实时全波形信号处理单元；连接扫描平台、光源、实时全波形信号处理单元的控制中心。同轴发射接收系统的光源为超连续谱脉冲激光光源，该光源经入射光子晶体光纤与固定于镜筒上且与镜筒同轴的准直器相连，特别地，该超连续谱激光光源型号为NKT compact； 

作为上述技术方案的优选，同轴发射接收系统主要由镜筒、中心开孔的消色差物镜、二维角度微调装置、微透分束镜、发射探测传感器、位置可调镜筒后座、45度探测视场反射镜、可调瞄准目镜、摄像头、接收光纤、全反射镜等组成。二维角度微调装置固定于镜筒前方，二维角度微调装置上安装有徼透分束镜，通过二维角度微调装置上的两个调节旋钮可以调整微透分束镜的两个角度。微透分束镜的后方连接光纤接头，发射探测光纤一端插入该接头，另外一端连接到发射探测传感器的镜筒的光学接头中。发射探测传感器由发射探测镜筒、透镜、雪崩二级管组成，镜筒的前端为固定发射探测光纤的接头，接头后端为透镜，透镜焦点处安装雪崩二极管，雪崩二极管的输出端为电信号，该电信号输入信号处理单元的发射探测信号接口。同轴发射接收系统的前端安装中心开孔的消色差物镜。同轴发射接收系统的后端由位置可调镜筒后座、固定于后座上的二维角度微调装置、固定 于二维角度微调装置前端的45度探测视场反射镜、固定于镜筒上的可调瞄准目镜、可调瞄准目镜的上方安装可拆卸摄像头。45度探测视场反射镜的中心开孔，开孔直径对应于观测的视场大小，特别低，对于本发明采用4mrad的观测视场角。反射镜开孔的内侧为接收光纤接口。接收光纤一端固定于该光纤接口内，另外一端连接多通道全波形测量装置的光纤接口。其中，探测视场反射镜的开孔位于望远镜的焦点处。镜筒后座的位置可调可以保证对相距进行细调，以适应探测物距在大范围内的变化。 

作为上述技术方案的优选，控制中心通过USB控制线连接超连续谱脉冲激光光源；控制中心通过串口控制线连接扫描平台的运动控制器，扫描平台的运动控制器连接到扫描平台的两个伺服电机，伺服电机驱动行星减速机构转台实现两个自由度的转动；控制中心通过网线连接信号处理单元，信号处理单元同时连接发射探测信号和接收探测信号。 

作为上述技术方案的优选，多通道全波形测量装置主要由光纤接口、准直镜、反射镜、球面反射镜组、凸球面光栅、线性光电倍增管阵列探测器、可调高压发生器、高速放大电路、多通道信号输出接口组成。 

作为上述技术方案的优选，全实时全波形信号处理单元主要由多路选择电子开关、高速模数采集卡、处理板、固态硬盘、信号接口组成。 

(三)有益效果 

上述技术方案所提供的一种高光谱全波形激光遥感系统，该设备可生产具有光谱信息的3D点云，对于植被生长状态的准确评价以及植被定量遥感的发展、遥感产品的生态学应用具有重要意义。 

附图说明

图1是本发明实施例的一种高光谱全波形激光遥感系统的整体结 构示意图； 

图2是本发明实施例的一种高光谱全波形激光遥感系统的发射部分的原理示意图； 

图3是本发明实施例的一种高光谱全波形激光遥感系统的接收部分的原理示意图； 

图4是本发明实施例的一种高光谱全波形激光遥感系统的多通道全波形测量装置原理示意图； 

其中，1：扫描平台；2：超连续谱脉冲激光光源；3：同轴发射接收系统；4：多通道全波形测量装置；5：全实时全波形信号处理单元；6：控制中心；7：入射光子晶体光纤；8：准直器；9：镜筒；10：中心开孔的消色差物镜；11：二维角度微调装置；12：微透分束镜；13：发射探测传感器；14：位置可调镜筒后座；15：45度探测视场反射镜；16：可调瞄准目镜；17：摄像头；18：接收光纤；19：光纤接口；20：准直镜；21：反射镜；22：球面反射镜组；23：凸球面光栅；24：线性光电倍增管阵列探测器；25：可调高压发生器；26：高速放大电路；27：多通道信号输出接口；28：发射探测镜筒；29：透镜；30：雪崩二级管组成；31：发射探测光纤；32：多路选择电子开关；33：运动控制器；34：行星减速机构转台；35：高速模数采集卡；36：全反射镜。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明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发明，但不用来限制本发明的范围。 

结合图1至图4所示，本发明实施例提供了一种高光谱全波形激光遥感系统，包括：扫描平台1；超连续谱脉冲激光光源2；固定于所述扫描平台1的同轴发射接收系统3；多通道全波形测量装置4；连接发射探测信号和多通道波形探测信号的全实时全波形信号处理 单元5；连接扫描平台、光源、实时全波形信号处理单元的控制中心6。同轴发射接收系统的光源为超连续谱脉冲激光光源，该光源经入射光子晶体光纤7与固定于镜筒上且与镜筒同轴的准直器8相连，特别地，该超连续谱脉冲激光光源的型号为NKT compact； 

结合图2和图3，同轴发射接收系统主要由镜筒9、中心开孔的消色差物镜10、二维角度微调装置11、微透分束镜12、发射探测传感器13、位置可调镜筒后座14、45度探测视场反射镜15、可调瞄准目镜16、摄像头17、接收光纤18、全反射镜36等组成。二维角度微调装置11固定于镜筒9前方，二维角度微调装置11上安装有微透分束镜12，通过二维角度微调装置上的两个调节旋钮可以调整微透分束镜的两个角度。微透分束镜12的后方连接光纤接口19，发射探测光纤一端插入该接头，另外一端连接到发射探测传感器的镜筒的光学接头中。发射探测传感器13由发射探测镜筒28、透镜29、雪崩二级管30组成，镜筒的前端为固定发射探测光纤的接头，接头后端为透镜，透镜焦点处安装雪崩二极管30，雪崩二极管的输出端为电信号，该电信号输入信号处理单元的发射探测信号接口。同轴发射接收系统的前端安装中心开孔的消色差物镜10。同轴发射接收系统的后端由位置可调镜筒后座14、固定于后座上的二维角度微调装置11、固定于二维角度微调装置前端的45度探测视场反射镜15、固定于镜筒上的可调瞄准目镜16、可调瞄准目镜16的上方安装可拆卸摄像头17。45度探测视场反射镜15的中心开孔，开孔直径对应于观测的视场大小，特别地，对于本发明采用4mrad的观测视场角。反射镜开孔的内侧为接收光纤接口。接收光纤一端固定于该光纤接口内，另外一端连接多通道全波形测量装置的光纤接口。其中，45度探测视场反射镜15的开孔位于望远镜的焦点处。镜筒后座的位置可调可以保证对相距进行细调，以适应探测物距在大范围内的变化，优选地，后座位置调整采用丝杠螺母结构实现。超连续谱脉冲激光光源 2发出的激光脉冲通过准直器8输出后入射到微透分束镜12上，大部分激光被分束镜12反射到镜头内部的全反射镜36上，再透过消色差物镜10的发射孔反射出镜头，照射到目标上。小部分光透过微透分束镜12进入光纤接头，光纤接头内固定有发射探测光纤31，这部分发射光通过光纤进入发射探测器13中，并经过透镜29进行准直汇聚，投射到雪崩二极管30上，实现发射波形的探测。激光投射到目标后的反射激光通过望远镜前端的消色差物镜10进行收集，将目标在焦点处成像，焦点处同时为45度探测视场反射镜15的开孔处，因此探测视场内的光线进入接收光纤18，然后被引入多通道全波形测量装置4，实现多个通道波形的同时测量，并且转换为电信号，该多路电信号经过多路开关32后输入全实时全波形信号处理单元5进行模数转换，并且将波形进行实时存储到固态硬盘中。 

控制中心6通过USB控制线连接超连续谱脉冲激光光源2；控制中心6通过串口控制线连接扫描平台1的运动控制器33，扫描平台1的运动控制器33连接到扫描平台的两个伺服电机，伺服电机驱动行星减速机构转台实现两个自由度的转动；控制中心6通过网线连接全实时全波形信号处理单元5，全实时全波形信号处理单元5同时连接发射探测信号和接收探测信号。 

多通道全波形测量装置主要由光纤接口19、准叵镜20、反射镜21、球面反射镜组22、凸球面光栅23、线性光电倍增管阵列探测器24、可调高压发生器25、高速放大电路26、多通道信号输出接口27组成。 

全实时全波形信号处理单元主要由多路选择电子开关、高速模数采集卡、处理板、固态硬盘、信号接口组成。 

本实施例的具体工作过程为：测量时，控制中心打开超连续谱脉冲激光光源2，待光源稳定后，控制扫描平台1运动到指定位置，然后发射激光脉冲，同时启动全实时全波形信号处理单元记录发射波 形，然后再根据设定选择相应的通道记录多通道的激光回波波形，并存储到固态硬盘。然后再控制扫描平台1运动到下一个位置，重复上述的测量。最终生产出具有光谱信息的3D点云。 

由以上实施例可以看出，本发明实施例提供了一种高光谱全波形激光遥感系统，并主要包括扫描平台、超连续谱脉冲激光光源、同轴发射接收系统、多通道全波形测量装置、全实时全波形信号处理单元和控制中心。 

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