[发明专利]一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统

摘要

本发明公开了一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统，系统基于接收端光纤色散实现目标高精度测距和宽波段反射光谱特性的高分辨率主动获取。高光谱激光雷达系统包括上位机、激光发射单元、高精度测距单元、回波接收单元和光谱数据获取单元。上位机实现系统整体控制和数据读取。激光发射单元实现所发射激光脉冲光谱段的选择。回波接收单元实现激光回波的收集和分束。高精度测距单元实现目标距离的精确测量。光谱数据获取单元实现目标宽波段反射光谱数据的获取。本发明所述激光雷达系统突破了常规激光雷达只能测量目标距离和目标单一波长反射特性的限制，实现目标宽光谱段反射光谱特性主动高分辨率获取，有效增强了激光雷达的探测能力和探测精度。

主权项

1.本发明公开了一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统利用光纤的材料色散特性在接收端对接收到的宽光谱激光脉冲进行色散，实现被测目标距离高精度测量及目标宽波段反射光谱特性高分辨率主动测量；所述激光雷达系统包括上位机、激光发射单元、回波接收单元、高精度测距单元和光谱数据获取单元；所述激光发射单元包括超连续激光器、可调滤波器、光纤准直器和高分光比分光元件；所述回波接收单元包括远心镜头和分光元件；所述高精度测距单元包括触发探测器、触发时刻鉴别模块、测距模块、聚焦镜、测距探测器和回波时刻鉴别模块；所述光谱数据获取单元包括激光光纤耦合器、光纤色散模块、光纤接头光电探测器和高速数据采集卡；所述上位机控制超连续激光器发射宽光谱激光脉冲；所发射宽光谱激光脉冲入射到可调滤波器；可调滤波器在上位机的控制下，根据待测目标的光谱特性滤除宽光谱激光脉冲中无用光谱段的激光脉冲，实现宽光谱激光脉冲光谱的选择；滤完波的激光脉冲经光纤准直器输出；光纤准直器用于光纤输出激光脉冲的准直，减小激光脉冲的发散角，提高测量距离；准直后的激光脉冲入射到高分光比分光元件；高分光比分光元件将准直后的激光脉冲分为低能量激光脉冲和高能量激光脉冲；其中，低能量激光脉冲入射到高精度测距单元中的触发探测器；触发探测器将低能量激光脉冲转换为触发信号；触发信号被触发时刻鉴别模块整形；触发时刻鉴别模块用于减小触发信号幅值抖动所引起的触发时刻抖动，提高触发时刻的精度，从而提高测距精度；整形后的触发信号被称为开始计时信号；开始计时信号触发测距模块开始计时；其中，高能量激光脉冲经回波接收单元中远心镜头上的反射棱镜反射照向目标；当激光脉冲照射到目标时，一部分激光脉冲经目标反射或散射；经目标反射或散射的激光脉冲被回波接收单元中的远心镜头收集；所收集的激光脉冲经分光元件分为距离测量光束和光谱测量光束；距离测量光束经高精度测距单元中的聚焦镜聚焦入射到测距探测器的光敏面上；测距探测器将聚焦后的距离测量光束转换为距离测距回波信号；测距回波信号经回波时刻鉴别模块整形；回波时刻鉴别模块用于减小测距回波信号幅值抖动和波形畸变所以引起的回波时刻抖动，从而提高测量距离；整形后的测距回波信号被称为停止计时信号；停止计时信号触发测距模块停止计时；测距模块通过测量开始计时信号和停止计时信号之间的时间间隔，得到激光脉冲往返于激光雷达系统和目标之间的飞行时间，基于距离与光速和飞行时间之间的关系，得到目标与激光雷达系统之间的距离；光谱测量光束经光谱数据获取单元中的激光光纤耦合器耦合进光纤；并由光纤传输到光纤色散模块；由于光纤色散模块中的光纤对不同波长的激光脉冲具有不同折射率；折射率的不同导致不同波长的激光脉冲在光纤中具有不同的传输速度；当不同波长的激光脉冲经过相同长度的光纤后，由于传输速度的不同，不同波长激光脉冲到达光纤色散模块出口的时间不同，实现不同波长激光脉冲的分离；由于光纤折射率是波长的连续函数，不同波长激光脉冲的时域展开也属于连续变化；因此，光纤色散模块实现宽光谱激光脉冲在时域的连续高分辨率光谱展开；展开后的激光脉冲经光纤传输到光纤接头光电探测器；光纤接头光电探测器将展开后的激光脉冲信号转换为光谱回波电信号；光谱回波电信号被高速数据采集卡采集；高速数据采集卡将采集到数据上传到上位机，从而实现目标宽波段反射光谱数据的高分辨率获取；目标距离数据与反射光谱数据相结合实现目标结构与光谱特性的测量。