三维偏振成像激光雷达遥感器制造技术

本发明专利技术公开了一种三维偏振成像激光雷达遥感器，包括光路系统、偏振光产生和散射光接收装置、三维数据的产生与三维数据处理方法，其特征在于，所述的光路系统是由测距仪和偏振光产生、发射与探测装置组成的同一光学系统，所述偏振光产生、发射与探测装置包括激光器、光束分离器、倍频晶体、多种透镜、码盘、扫描电机、扫描镜、望远镜、偏振片、波片、测距回波接收装置、分色片、ＣＣＤ、计算机，所述目标三维面形数据的产生装置和方法包括测距装置及其数据产生、定位数据产生、遥感器姿态数据产生方法，所述偏振图像数据与三维面形数据处理方法包括激光测距数据与定位数据和姿态数据的处理方法。本发明专利技术能够实时获取被探测目标偏振信息的三维图像。

【技术实现步骤摘要】
三维偏振成像激光雷达遥感器
本专利技术是一种三维偏振成像激光雷达遥感器，它主要利用激光偏振成像测量技术、激光测距技术、GPS定位测量技术、姿态测量技术以及数据集成与处理技 术相结合为有机整体，实现三维偏振成像激光雷达遥感器。
技术介绍
目前已经有多种激光雷达遥感技术，如应用于大气遥感、水文遥感、地表特 征研究、痕量气体探测等领域的基于激光脉冲的飞行时间编码、激光回波强度编 码以及激光回波波形编码的单一波长的激光雷达遥感技术，最近几年国际上又开 展了偏振成像激光雷达遥感技术的研究，以扩展传统的激光雷达遥感技术在植被 分类遥感、农作物产量评估遥感以及军事遥感的某些应用方面的功能，特别是最 近几年国际上最新研制的偏振成像激光雷达遥感器倍受重视，技术最先进的要数 美国的双波长偏振成像遥感器，但该遥感器系统采用折射和透射光学系统设计方 法，不仅存在系统复杂、体积大、重量重、工艺复杂难以制造等缺点，而且需两 个激光器、折射投射光学系统的光能损耗大、难以航空航天远距离遥感。因此， 设计系统简单、体积小、重量轻、光能损耗小、能够实现三维偏振光信息成像的 遥感器是新型偏振成像遥感器发展的关键。
技术实现思路
本专利技术是一种新型三维偏振成像激光雷达遥感器。它巧妙地将偏振分光、倍 频、光机扫描和反射光学系统结合为一体，充分利用激光测距技术、GPS定位技 术、遥感器姿态测量技术以及偏振光信息测量技术，并将这几种技术以及这些技 术所获取的数据进行有机集成和处理，能够实现基于航空或航天平台的三维偏振 成像激光雷达遥感器。本专利技术提供的一种三维偏振成像激光雷达遥感器采用以下技术方案 该三维偏振成像激光雷达遥感器，包括三维偏振信息成像的激光雷达光机 结构装置、偏振光产生装置、偏振光和测距脉冲发射装置、目标散射的偏振光 和测距脉冲接收和数据记录装置、目标三维面形数据的产生装置和方法、目标 散射的偏振图像数据与三维面形数据集成与处理方法。其特征在于，所述三维 偏振信息成像的激光雷达光机结构装置是由激光测距仪和偏振信息产生、发射 与探测装置组成一体的同一套光机系统，所述偏振光产生与发射装置包括激光 器、偏振光束分离器、倍频晶体、光学部分反射镜、滤光片、转动波片、转折 棱镜、准直透镜、扩東透镜系统、扫描反射镜及其光机结构、光学码盘和驱动 电机，所述目标散射的偏振光接收和数据记录装置包括扫描反射镜、卡塞格仑 望远镜、偏振片、转动波片、光电探测器、分色片、电荷耦合器件(CCD)、计 算机，所述目标三维面形数据的产生装置和方法包括激光测距仪装置及其数据 产生、GPS装置及其定位数据产生、遥感器姿态测量装置及其数据产生，所述目 标散射的偏振图像数据与三维面形数据集成与处理方法包括激光测距数据与GPS定位数据和姿态数据的集成及其目标面形的解算方法、三维面形数据与偏振成像数据的融合处理方法。本专利技术能够准实时获取被探测目标散射的偏振信息 的三维图像。其中，所述三维偏振信息成像的激光雷达光机结构装置是由激光测距仪、 偏振信息产生、发射与探测装置组成一体的同一套光机系统。所述的激光测距 仪装置包括激光器、冷却系统、激光控制器、激光发射脉冲分配器、同步信号 发生器、偏振光束分离器、倍频晶体、分光片、采样接收器、转折棱镜、扫描 反射镜及其光机结构、驱动电机、光学码盘、卡塞格伦望远镜、分色片、测距 回波接收装置，激光器与冷却系统为自身配套整体，激光控制器、激光脉冲分 配器和同步信号发生器连接成一体，具体参量结合遥感距离、遥感器行进速度和激光器性能设定；所述的偏振光東分离器是由两块直角棱镜组成的、中心波长在激光器发射光波长的立方体，它可以将激光器发出的光分成两个互相垂直方向传播的两种偏振光；倍频晶体是中心波长在激光器输出波长的倍频晶体， 它能够将经偏振光束分离器出来的光倍频；所述的光学部分反射镜可以透过10 %的倍频光，透过98%以上的激光器发出的光；所述滤光片只可以透过98%以上的倍频光；所述的采样接收器是由光电探测器和电子学部分组成，其作用是 在激光脉冲发射的同时，通过分色片的少量透过光取得激光的视频调制脉冲电 信号，作为距离计数器的开启脉冲，其光电探测器是一类响应速度快、灵敏度 高、内阻大、性能稳定、暗电流小的单元硅光电二极管，其电子学部分由前置 放大器和电压比较器等组成，可得到响应迅速、波形理想、工作稳定的计数触发脉冲；所述的转折棱镜是可以将光路实现90°转变的全反射光学棱镜；所述的 扫面反射镜及其光机结构中的镜面是采用LY12铝材进行轻量化设计椭圆镜面， 镜面与扫面转动轴成45°角，镜面基地的不平整度研磨达0. 005mm,对基地进行 化学镀镍至一定厚度，经光学加工为镜面，镜面的光学性能要求光圈N《3，局 部光圈AN《0. 8，镜面平均反射率(0. 4~12. 5um) 〉95 % ，为避免加工过程中机 械切削产生的应力对镜面质量的影响，在加工形成后，经高、低温循环处理以 释放内应力和切削应力；所述的扫面反射镜及其光机结构中的光机结构是镜面 后采用具有良好的抗变形强度和均勾的刚度分布的内三角桁架结构，能保证镜 面的光学稳定性；所述的驱动电机是两头出轴的、具有足够驱动功率的特制同 步电机，电机的一端出轴安装内动平衡块和扫描镜，另一端安装外动平衡块和 弹性连接轴，通过弹性连接轴与光电编码器相连；所述的光学码盘是光电轴角编码器，它可以产生与扫描镜同步的各种时间基准信号，扫描镜、驱动电机和 光电轴角编码器组成一个扫描器光机组件，可以单独进行装配、通电试验和动平衡校正，最后与安装平台相连；所述的卡塞格伦望远镜由一个非球面主镜、 一个球面次面镜和光学接收镜筒构成，镜面镀铝膜和保护膜，在0.4-13. Oum 光谱范围内平均反射率大于等于92。/。，镜筒由ZL107材料铸造,壁厚不低于6mm， T6定型处理，加工时进行时效处理以避免应力造成变形，镜简的结构是保证卡 塞格伦望远镜中主镜、次镜和分色片的结构位置；所述的分色片置于望远镜的 次镜与焦点之间的光路中，分色片的镜面与光轴成45。倾角，将接收到的后向散 射光分为倍频光(用于测距)反射和原波长光的后向散射偏振光部分，分色片 由玻璃基底材料和表面镀膜制成，具体结合波长来设计；所述的测距回波接收 装置，其功能是接收目标后向散射的微弱的测距激光脉冲，并进行放大、比较 而产生规则的电脉冲作为回波脉冲信号送到距离计数器，它由单元光电探测器、视频放大器和脉冲形成电路等组成，其单元光电探测器是特别适合于短脉冲探 测探测的、具有极高响应速度的光电二极管(如雪崩二极管、PIN管等)，视频 放大器和脉冲形成电路即为通常的电路。其中，所述的偏振光产生装置包括激光器、偏振光東分离器、反射镜、转 动波片，其激光器是遥感器中共用的光源，偏振光束分离器与激光测距仪中用 的是同一部件，是将激光器出射光東分解为测距光東和偏振信息遥感光東，反 射镜是用于改变测距光東和遥感光束的光路方向，转动波片是通常的波片，其 中心波长为激光器发出的光的波长，其转动受同步信号控制，转动波片的功能 是用于目标散射的偏振信息参量(Meuller矩阵元)的测量，其转动位置的控制 精度在千分之一角度。其中，所述的偏振光和测距脉冲发射装置包括转折棱镜、准直透镜与扩束 透镜装置以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维偏振成像激光雷达遥感器，包括三维偏振信息成像的激光雷达光机结构装置、偏振光产生装置、偏振光和测距脉冲发射装置、目标散射的偏振光和测距脉冲接收和数据记录装置、目标三维面形数据的产生装置和方法、目标散射的偏振图像数据与三维面形数据集成与处理方法。其特征在于，所述三维偏振信息成像的激光雷达光机结构装置是由激光测距仪和偏振信息产生、发射与探测装置组成一体的同一套光机系统，所述偏振光产生与发射装置包括激光器、偏振光束分离器、倍频晶体、光学部分反射镜、滤光片、转动波片、转折棱镜、准直透镜、扩束透镜系统、扫描反射镜及其光机结构、光学码盘和驱动电机，所述目标散射的偏振光接收和数据记录装置包括扫描反射镜、卡塞格仑望远镜、偏振片、转动波片、测距回波接收装置、分色片、电荷耦合器件（ＣＣＤ）、计算机，所述目标三维面形数据的产生装置和方法包括激光测距装置及其数据产生、ＧＰＳ装置及其定位数据产生、遥感器姿态测量装置及其数据产生，所述目标散射的偏振图像数据与三维面形数据集成与处理方法包括激光测距数据与ＧＰＳ定位数据和姿态数据的集成及其目标面形的解算方法、三维面形数据与偏振成像数据的融合处理方法。本专利技术能够准实时获取被探测目标散射的偏振信息的三维图像。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江月松，李小路，何云涛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]