机载超连续激光50个波段高光谱雷达系统技术方案

本发明专利技术公开了机载超连续激光高光谱激光雷达系统(50个波段，400‑900纳米)，包括综控系统、存储单元、超连续谱激光系统、发射光学系统、反射镜、扫描系统、接收光学系统、超连续高光谱激光探测系统、面阵CCD相机等。其工作原理是综控系统控制超连续谱激光系统发出连续高光谱脉冲激光(下称“激光”)，发射光学系统对激光扩束准直，扫描系统发射激光到地物表面，反射的激光被扫描系统接收，传输给接收光学系统，聚焦到高光谱激光探测系统，输出激光高光谱和三维空间数据，与高分辨率多光谱数据一起存储到存储单元。其功能是全天时同时获取地表物体高光谱(波段50个，波谱覆盖400‑900纳米，光谱分辨率10纳米)、空间三维(地面分辨率优于0.5米)数据。

【技术实现步骤摘要】
机载超连续激光50个波段高光谱雷达系统
本专利技术涉及机载激光雷达(LightDetectionAndRanging，简称LiDAR)，尤其涉及一种用于全天时主动式获取地物激光高光谱(50个波段，波谱覆盖400-900纳米,光谱分辨率10纳米)和空间三维数据(地面分辨率优于0.5米)的雷达系统。技术背景目前，高光谱成像技术可获取物体表面丰富的光谱数据，但缺乏地物的空间三维数据，尤其是在垂直方向上的空间分布数据。另一方面，激光雷达(LiDAR)可快速、直接、高精度地获取地物的三维空间数据,但目前国际上现有的雷达成像系统通常采用固化在某一特定波长的激光光源，导致不能获取地物表面的高光谱数据。国际上，已研究多年的将传统高光谱和激光雷达两种传感器数据融合技术和最近几年开展的同时获取目标地物空间三维光谱信息的光学仪器都存在一定局限性，如传统高光谱依赖太阳作为光源导致无法进行全天时高光谱数据获取，无法反演植物晚间的生化、理化和晚间作用参数，植物高光谱和冠层数据不能估算植被垂直分布的生理参数，传统的激光雷达只能获取植被空间三维信息和单波段激光反射数据，传统的高光谱和激光雷达获得的异构数据难以精确配准，无论是传统的高光谱还是激光雷达都不能同时获取植被垂直分布高光谱数据和空间三维数据。申请号为CN201510591715.3的专利公开了一种高光谱激光雷达目标样品试验装置与方法，但其存在不能同时获取目标样品三维空间数据的缺陷。申请号为CN201810030256.5的专利公开了一种基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，但其存在不能获取目标地物三维空间数据的缺陷。申请号为CN201611131238.3的专利公开了一种机载测绘激光雷达扫帚式扫描系统及其扫描方法，其缺陷在于只能获取单波段激光的地物反射数据和三维空间数据。为此，基于传统高光谱和激光雷达的缺陷和优点，本专利技术提出了一种全天时主动式机载超连续激光高光谱雷达系统(50个波段，400-900纳米)。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述传统高光谱以太阳作为光源导致无法进行全天时高光谱数据获取、无法获取地物空间垂直参数和激光雷达只能获取地物空间三维数据和单波段激光反射数据以及传统的高光谱和激光雷达获得的异构数据难以精确配准等问题，本专利技术设计了一种面向机载的超连续激光高光谱雷达系统(50个波段，400-900纳米)，本专利技术的机载超连续激光高光谱雷达系统可以实现全天时主动获取地物激光高光谱和空间三维数据。机载超连续激光高光谱雷达系统(50个波段，400-900纳米)主要包括机械结构、光路、探测三个部分和工作过程。机械结构包括综控系统与存储单元、超连续谱激光系统、发射光学系统、反射镜、扫描系统、接收光学系统、超连续高光谱激光探测系统、面阵CCD相机、GPS和IMU十个部分。其中，综控系统与存储单元由综控系统和存储单元两部分组成，综控系统通过总线与超连续谱激光系统、扫描系统、超连续高光谱激光探测系统、面阵CCD相机、GPS和IMU组成的POS系统相连，存储单元专门用来存储数据。综控系统与存储单元由综控系统和存储单元两个部分组成，综控系统控制超连续谱激光系统发射连续高光谱脉冲激光，扫描系统进行Z字型扫描，超连续高光谱激光探测系统将地物反射的连续高光谱脉冲激光处理成激光高光谱和三维空间数据，面阵CCD相机拍照获取高分辨率多光谱数据，GPS和IMU组成的POS系统获取精确的定位和时间信息、飞行速度和航向、俯仰和翻滚等姿态信息，并根据这些信息和导航信息控制飞行平台的飞行路线和姿态，获取地物激光高光谱、三维空间和多光谱数据，存储数据到存储单元。超连续谱激光系统通过总线接受综控系统控制，通过出光瞳与发射光学系统相连。其特征是发射400-900纳米连续高光谱脉冲激光。其功能是接收综控系统指令，发射连续高光谱脉冲激光。发射光学系统通过入光瞳与激光器出光瞳对接，通过反射镜将连续高光谱脉冲激光传输给扫描系统。其特征是采用反射式光学系统结构形式，基于超大相对孔径、小型化的设计约束，采用离轴两反高次非球面结构，实现全波段无色差高像质的成像。其中，主镜为凸双曲面，采用Hindle球零位补偿检验技术，通过焦点自准直手段完成光路的干涉检测；次镜为二次非球面，采用高精度零位补偿检验技术，完成反射镜面形精度检测。其功能是扩束和准直。反射镜接收发射光学系发射的连续高光谱脉冲激光，反射给扫描系统。其特征是与发射系统发射的连续高光谱脉冲激光呈45°夹角。其功能是反射连续高光谱脉冲激光。扫描系统由摆扫镜、力矩电机、光电编码器和基座组成。其中，摆扫镜设计为双面对称结构，具有天然的静平衡特性，采用高比刚度材料，降低镜体的转动惯量，提高镜体的刚度，易于实现高稳定度的驱动和良好的镜面面形。其通过总线接受综控系统控制，旋转力矩电机，带动摆扫镜摆扫，可以随着高度变化改变摆扫弧度实现地面分辨率优于0.5米。其功能是采用Z字型扫描方式发射连续高光谱谱脉冲激光或接收地物反射的连续高光谱脉冲激光。另外，光电编码器实时将摆扫镜的位置信息传输给综控系统，综控系统在每扫完一行时修正扫描系统的转速信息，调整摆扫镜摆扫弧度，防止误差累积。接收光学系统通过主镜接收扫描系统反射的连续高光谱脉冲激光，经过两次反射，由副镜会聚连续高光谱脉冲激光给超连续高光谱激光探测系统。其特征是采用反射式光学系统结构形式，基于超大相对孔径、小型化的设计约束，采用离轴两反高次非球面结构，实现全波段无色差高像质的成像。其中，主镜为凸双曲面，采用Hindle球零位补偿检验技术，通过焦点自准直手段完成光路的干涉检测；次镜为二次非球面，采用高精度零位补偿检验技术，完成反射镜面形精度检测。其功能是接收和会聚地物反射的连续高光谱脉冲激光。超连续高光谱激光探测系统由接收光学单元、耦合传输光纤、小孔狭缝、校正透镜、凹面光栅、入射连续高光谱脉冲激光、光栅、光阴极、光电子、网孔、聚焦极、阳极、偏转板、MPC、荧光屏、相机、图像处理单元、全波形反演单元、时序控制器、延时器、触发电压发生器组成。其中，入射连续高光谱脉冲激光、光栅、光阴极、网孔、光电子、聚焦极、阳极、偏转板、MPC、荧光屏、相机、图像处理单元、全波形反演单元、时序控制器、延时器、触发电压发生器组成探测单元。接收光学系统通过小孔狭缝接收连续高光谱脉冲激光，通过接口与耦合传输光纤连接，其功能是接收接收光学系统聚焦的连续高光谱脉冲激光，传输给耦合传输光纤。耦合传输光纤接收接收光学系统输出的连续高光谱脉冲激光，输出连续高光谱脉冲激光给小孔狭缝，其功能是传输连续高光谱脉冲激光。小孔狭缝与耦合传输光纤对接，输出连续高光谱脉冲激光，其功能是输出连续高光谱脉冲激光。校正透镜接收透过小孔狭缝的连续高光谱脉冲激光，输出校正后的连续高光谱脉冲激光，其功能是校正激光。凹面光栅接收校正透镜输出的连续高光谱脉冲激光，再反射给校正透镜，其功能是与校正透镜结合将光栅成像组件的单块反射镜分成两个，经过偏心和离轴化设计，形成紧凑型光栅色散分光结构，输出会聚的入射连续高光谱脉冲激光。光栅接收校正透镜校正的入射连续本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机载超连续激光高光谱雷达系统，包括综控系统、存储单元、超连续谱激光系统、发射光学系统、反射镜、扫描系统、接收光学系统、超连续高光谱激光探测系统、面阵CCD相机、GPS和IMU；综控系统通过总线控制超连续谱激光系统发射连续高光谱脉冲激光，控制扫描系统进行Z字型扫描，控制超连续高光谱激光探测系统将地物反射的连续高光谱脉冲激光处理成激光高光谱和三维空间数据，控制面阵CCD相机拍照获取高分辨率多光谱数据，控制GPS和IMU组成的POS系统获取飞行平台精确的定位、时间、飞行速度、航向、俯仰和翻滚等信息并导航飞行平台，获取地物激光高光谱、三维空间和多光谱数据并存放到存储单元；其特征在于机载平台发射400-900纳米连续高光谱脉冲激光，同时获取目标地物的激光高光谱和空间三维数据以及高分辨率多光谱数据，其中激光高光谱分辨率为10纳米，空间三围地面分辨率优于0.5米。/n

【技术特征摘要】
1.一种机载超连续激光高光谱雷达系统，包括综控系统、存储单元、超连续谱激光系统、发射光学系统、反射镜、扫描系统、接收光学系统、超连续高光谱激光探测系统、面阵CCD相机、GPS和IMU；综控系统通过总线控制超连续谱激光系统发射连续高光谱脉冲激光，控制扫描系统进行Z字型扫描，控制超连续高光谱激光探测系统将地物反射的连续高光谱脉冲激光处理成激光高光谱和三维空间数据，控制面阵CCD相机拍照获取高分辨率多光谱数据，控制GPS和IMU组成的POS系统获取飞行平台精确的定位、时间、飞行速度、航向、俯仰和翻滚等信息并导航飞行平台，获取地物激光高光谱、三维空间和多光谱数据并存放到存储单元；其特征在于机载平台发射400-900纳米连续高光谱脉冲激光，同时获取目标地物的激光高光谱和空间三维数据以及高分辨率多光谱数据，其中激光高光谱分辨率为10纳米，空间三围地面分辨率优于0.5米。


2.根据权利要求1所述一种机载超连续激光高光谱雷达系统，其特征在于发射光学系统通过入光瞳与超连续谱激光系统出光瞳对接，通过反射镜将连续高光谱脉冲激光传输给扫描系统；发射光学系统采用反射式光学系统结构形式，基于超大相对孔径、小型化的设计约束，采用离轴两反高次非球面结构，实现全波段无色差高像质的成像；主镜为凸双曲面，拟采用Hindle球零位补偿检验技术，通过焦点自准直手段完成光路的干涉检测；次镜为二次非球面，拟采用高精度零位补偿检验技术，完成反射镜面形精度检测。


3.根据权利要求1所述一种机载超连续激光高光谱雷达系统，其特征在于反射镜与发射光学系统发射的连续高光谱脉冲激光冲呈45°夹角，接收光学系统接收的连续高光谱脉冲激光，反射给扫描系统。


4.根据权利要求1所述一种机载超连续激光高光谱雷达系统，其特征在于扫描系统包括摆扫镜、力矩电机、光电编码器和基座；摆扫镜设计为双面对称结构，采用高比刚度材料；光电编码器实时把摆扫镜的位置信息传输给综控系统，综控系统在每扫完一行时修正扫描系统的转速信息，并调整摆扫镜摆扫弧度，消除累积误差；扫描系统采用收发共轴Z字型扫描方式发射连续高光谱脉冲激光或接收地物反射的连续高光谱脉冲激光；综控系统通过总线控制扫描系统旋转力矩电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：周国清，周祥，徐嘉盛，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西;45