水下微小颗粒物探测的高光谱连续光激光雷达系统 |
|||||||
| 申请号 | CN201710112302.1 | 申请日 | 2017-02-28 | 公开(公告)号 | CN106772420A | 公开(公告)日 | 2017-05-31 |
| 申请人 | 苏州四百克拉光电科技有限公司; | 发明人 | 赵光宇; 米克尔布约得歌德; 苏尼斯万贝里; 何赛灵; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 水 下微小颗粒物探测的高 光谱 连续光 激光雷达 系统，包括激光发射单元、激光接收单元、分光单元及光路补偿单元、光电探测单元、 数据采集 分析单元；所述的激光发射单元的 光源 为连续激光光源，发送连续激光至待测物，待测物背向散射光反射至光路补偿单元补偿和分光单元，最后会聚在光电探测单元上；光电探测单元与数据采集分析单元相连通过数据采集单元进行分析 信号 ；所述的激光发射单元与光电探测单元相连，光电探测单元发射同步脉冲信号，同步调制激光发射单元的发光 频率 。本发明采用了连续光激光作为光源，采用成像方法实现空间分布探测，通过光学元件进行调节，具有更高的 分辨率 ，实现水下微小颗粒物的光谱和空间信息同步探测。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种水下微小颗粒物探测的高光谱连续光激光雷达系统，其特征在于：包括激光发射单元、激光接收单元、分光单元及光路补偿单元、光电探测单元、数据采集分析单元；所述的激光发射单元的光源为连续激光光源，发送连续激光至待测物，待测物背向散射光反射至光路补偿单元补偿和分光单元，最后会聚在光电探测单元上；光电探测单元与数据采集分析单元相连通过数据采集单元进行分析信号；所述的激光发射单元与光电探测单元相连，光电探测单元发射同步脉冲信号，同步调制激光发射单元的发光频率。 |
||||||
| 说明书全文 | 水下微小颗粒物探测的高光谱连续光激光雷达系统技术领域[0001] 本发明属于激光高光谱遥感领域，特别涉及一种水下微小颗粒物探测的高光谱连续光激光雷达系统。 背景技术[0002] 为了实现对水下完整生态系统高精度，多层次的空间监测，多种技术相结合是遥感技术发展的趋势。遥感技术已经广泛应用于生态环境探测领域。其中高光谱技术更是遥感技术的前沿，目前的高光谱成像技术具有较高的光谱分辨率，探测范围广等优点，能够提供被测目标的光谱影像信息。但是暂不具备精确的测距定位功能。激光雷达技术具有单色性好，发射能量高等优点，能够提供空间定位信息，但激光雷达技术不能够提供光谱信息。 [0003] 综上，单一的探测方式已经难以满足当前对生态遥感立体式监测需求，考虑结合高光谱技术和激光雷达技术实现对水下微小颗粒物的高光谱测距遥感探测，进而同时得到被测颗粒物的光谱以及空间分布信息具有重要意义，此处探测颗粒物为小于1mm的悬浮颗粒（动物粪便，海雪等），浮游植物，浮游动物等。 发明内容[0004]1、本发明的目的。 [0006] 2、本发明所采用的技术方案。 [0007] 为了解决水下探测信号衰减过快，信噪比较高的问题，本发明所提出的水下微小颗粒物探测的高光谱连续光激光雷达系统，包括激光发射单元、激光接收单元、分光单元及光路补偿单元、光电探测单元、数据采集分析单元；所述的激光发射单元的光源为连续激光光源，发送连续激光至待测物，待测物背向散射光反射至光路补偿单元补偿和分光单元，最后会聚在光电探测单元上；光电探测单元与数据采集分析单元相连通过数据采集单元进行分析信号；所述的激光发射单元与光电探测单元相连，光电探测单元发射同步脉冲信号，同步调制激光发射单元的发光频率。 [0008] 更进一步具体实施方式中，所述的激光发射单元包括连续激光光源、激光准直原件、激光控制电路，光电探测单元与激光控制电路相连，所述的激光控制电路控制激光光源的发光频率发出激光，再经过激光准直原件射入水体中。 [0009] 为了同步调节光源和探测单元的频率，更进一步具体实施方式中，所述的激光控制电路包括激光器驱动电源和循环计数器，所述的光电探测单元与激光发射单元通过循环计数器相连同步调制激光发射。 [0010] 为了探测被测物的信号，更进一步具体实施方式中，所述的同步调制激光发射，调制激光器以亮暗相间模式工作，激光器点亮时，探测器记录被测目标探测信号；激光器熄灭时，探测器记录被测背景信号。 [0011] 为了提高系统的动态探测范围，所述的光电探测单元为二维面阵CCD/CMOS，与所述数据采集分析单元相连，记录接收面阵CCD/CMOS收集到的回波信号，在二维面阵CCD/CMOS的弧矢面上可以得到距离分布信息、在子午面上可以得到高光谱分布信息，进而得到被测目标的空间信息以及高光谱信息。 [0012] 更进一步具体实施方式中，所述的激光接收单元为光收集透镜组。 [0013] 更进一步具体实施方式中，本发明将楔角棱镜-光栅-楔角棱镜分光结构融入到连续光激光雷达中，狭缝采取倾斜放置方式。狭缝也具有一直光谱探测方向杂散光的作用，同时狭缝放置角度又能保证对探测区域的清晰成像，实现距离探测。所述的分光单元及光路补偿单元包括光路补偿单元后置透镜、分光单元后置楔角棱镜、投射光栅、分光单元前置楔角棱镜、光路补偿单元前置透镜、调制光学狭缝，经过准直聚焦的背向散射光信号经过倾斜放置的调制光学狭缝从而在抑制背景杂散光后进入光路补偿单元的前置透镜组，光路补偿单元前置透镜组将散射光汇聚至光栅前置楔角棱镜上，用以将光束折转一定角度，该角度匹配闪耀光栅的闪耀角，然后光进入投射光栅进行分光，分光之后的信号光通过分光单元的后置楔角棱镜，使信号光折转一定角度，使信号光与主光轴方向重合，之后信号光进入光路补偿系统的后置透镜组，使会平行光变成会聚光成像于光电探测器上。 [0014] 更进一步的具体实施方式中，所述的调制光学狭缝的倾斜角度范围在30°-60°。 [0015] 更进一步的具体实施方式中，所述的光电探测单元为二维面阵CCD/CMOS与所述数据采集分析单元相连，记录接收面阵CCD/CMOS收集到的回波信号，在二维面阵CCD/CMOS的弧矢面上可以得到距离分布信息、在子午面上可以得到高光谱分布信息，进而得到被测目标的空间信息以及高光谱信息。 [0016] 更进一步的具体实施方式中，不同于传统激光雷达，本发明采用连续光激光雷达技术，所述的连续激光光源为AlGaN/GaN 的蓝紫二极管激光器；所述的分光光栅是透射式光栅；循环计数器为约翰逊计数器。与所述的光电检测单元配合即可实现检测，其光源体积小成本低，不需要额外的系统即可实现本发明的目的。 [0017] 3、本发明的有益效果。 [0018] （1）本发明采用了连续光激光作为光源，采用成像方法实现空间分布探测，通过光学元件进行调节，具有更高的分辨率，探测准确，真正的实现水下微小颗粒物的光谱和空间信息同步探测，而不是数据拼接方式。 [0019] （2）本发明采用连续光作为光源配合光学元件，以及与探测单元的频率同步，采样速率远大于传统激光雷达，传统脉冲激光雷达重复频率大多为几百赫兹，现有KHz激光雷达；本发明激光雷达探测采样频率可达3-10KHz。 [0020] （3）本发明使用紧凑型二极管激光器作为激光发射源实现整个系统，不需要水冷系统。体积只有脉冲激光器的百分之一，甚至千分之一。 [0021] （4）本发明采用AlGaN/GaN 的蓝紫二极管激光器，激光输出功率可达10W，在水下探测中可穿透100m清澈海水，相对传统方法仅30cm左右的探测范围具有极大优势。 [0022] （5） 本发明中采用面阵CCD/CMOS作为探测器，应用光学成像方法实现距离探测，提供随探测距离变化的非线性距离分辨率，不随距离的平方衰减，因此极大地提高了系统的动态范围，以及远距离激光雷达信号的信噪比。而传统激光雷达采用光电倍增管（PMT）或者光电二极管作为探测器，大多需要单光子技术功能实现远距离弱信号探测。 [0023] （6）本发明将楔角棱镜-光栅-楔角棱镜分光结构融入到连续光激光雷达中，狭缝采取倾斜放置方式。狭缝也具有一直光谱探测方向杂散光的作用，同时狭缝放置角度又能保证对探测区域的清晰成像，实现距离探测。实现探测光谱范围350-800 nm。基于新型连续光激光雷达的系统结构，实现了轴向高光谱探测。 [0024] （7）本发明在水下探测中，可实现对小于1mm的微小颗粒物的探测，能够探测悬浮植物的叶绿素荧光信号，水分子的拉曼光谱信号，水下悬浮动物的荧光蛋白荧光信号。同时探测这些被探测目标的空间分布。在正常自然水域探测距离可达50-100m，光谱分辨率可达1nm。 附图说明 [0025] 图1是高光谱成像测距激光雷达装置的结构示意图。图中1-光电探测器（CCD/CMOS），2-光路补偿单元后置透镜，3-分光单元后置楔角棱镜，4-投射光栅，5-分光单元前置楔角棱镜，6-光路补偿单元前置透镜，7-调制光学狭缝，8-光收集透镜组，9-二极管激光器，10-激光准直元件，11-循环计数器(附带激光驱动电源)。 [0026] 图2是本发明的验证性实验图。从图中可以看到两个浮游植物在4秒钟时间分别通过激光光束被几率下来。数据记录了水体的背向散射光信号（蓝色层），水体的拉曼光谱信号（绿色层），浮游植物的荧光信号（黄色层），以及水底固体的反射信号。改数据证明本仪器能够同时对按距离分布的高光谱信息进行连续探测。 具体实施方式[0027] 实施例1如图1所示，本实施例一种水下微小颗粒物探测的高光谱连续光激光雷达系统，包括1光电探测器（CCD/CMOS），2光路补偿单元后置透镜，3分光单元后置楔角棱镜，4投射光栅，5分光单元前置楔角棱镜，6光路补偿单元前置透镜，7调制光学狭缝，8光收集透镜组，9二极管激光器，10激光准直原件，11循环计数器(附带激光驱动电源)。 [0028] 工作原理：本实施例所述水下微小颗粒物探测的高光谱连续光激光雷达系统采用如下的成像测距方法：由激光发射单元的连续激光器沿目标方向发出激光，激光经激光准直原件发出射入大气环境中，环境中的目标物如水下微小悬浮植物出现在光路时会产生背向散射光信号，背向散射信号包括弹性散射信号，以及非弹性散射信号（激光激发荧光，拉曼光谱信号灯），所产生背向散射光信号被激光接收单元收集，通过分光单元进行分光同时处理分出不同波长信息的背向散射光信号，再由光电探测单元对光信号进行采集；最终，经过数据采集分析单元与计算机相连，利用沙氏成像定律（Scheimpflug）可以得到对应光路中的不同距离及其光强信息，还可以得到对应不同波长的散射光信息，从而实现距离可分辨的高光谱探测。 [0029] 具体的，包括以下步骤：（1）将水下微小颗粒物探测的高光谱连续光激光雷达系统瞄准待检测环境，开启激光光源9。 [0030] （2）激光光源9发出的激光经过激光准直原件10射入水体中，环境中的目标物如水下微小浮游生物出现在光路时会产生背向散射光信号。 [0031] （3）所产生背向散射光信号被激光接收单元收集，即由光收集透镜组8对背向散射光进行接收采集。 [0032] （4）光收集透镜组8接收的背向散射光信号通过光学狭缝7进行抑制背景杂散光，再由会聚镜光路补偿单元前置透镜6准直后进入分光单元前置楔角棱镜5，光路被折转一定角度以匹配透射光栅闪耀角，然后信号光进入分光单元透射光栅4进行分光。然后信号光进入分光单元后置楔角棱镜3，折转信号光与系统光轴平行。 [0033] （5）由分光单元分出不同波长信息的背向散射光信号经过光路补偿单元后置透镜2，将光信号会聚在光电探测器1上，该光电探测器与所述数据采集分析单元相连，即通过与笔记本电脑相连记录收集到的回波信号，在该探测器的弧矢面上可以得到距离分布信息、在子午面上可以得到不同波长的光谱信息，进而得到被测目标的空间信息以及高光谱信息。 [0034] （6）光电探测器1与激光器9通过循环计数器11相连接，用以同步调制激光发射。调制激光器以亮暗相间模式工作，激光器点亮时，探测器记录被测目标探测信号；激光器熄灭时，探测器记录被测背景信号。 [0035] 本实施例中，1光电探测器（CCD/CMOS），2光路补偿单元后置透镜，3分光单元后置楔角棱镜，4投射光栅，5分光单元前置楔角棱镜，6光路补偿单元前置透镜，7调制光学狭缝，8光收集透镜组，9二极管激光器，10激光准直原件，11循环计数器(附带激光驱动电源)。均为现有的成熟产品或可以加工，利用这些现有产品或加工原件具有的功能，构建的本实施例所述系统，不仅能够得到传统雷达提供的距离分布信息、还可以得到高光谱信息。结合高光谱技术和激光雷达技术实现对水下微小生物的高光谱测距遥感探测，进而同时得到被测生物体的光谱以及空间分布信息具有重要意义。 [0036] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 |
||||||
