專(zhuān)利名稱(chēng)：三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器的制作方法
三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器，它主要利用激光偏振成像測(cè)量
技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)、GPS定位測(cè)量技術(shù)、姿態(tài)測(cè)量技術(shù)以及數(shù)據(jù)集成與處理技 術(shù)相結(jié)合為有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器。背景技術(shù)：
目前已經(jīng)有多種激光雷達(dá)遙感技術(shù)，如應(yīng)用于大氣遙感、水文遙感、地表特 征研究、痕量氣體探測(cè)等領(lǐng)域的基于激光脈沖的飛行時(shí)間編碼、激光回波強(qiáng)度編 碼以及激光回波波形編碼的單一波長(zhǎng)的激光雷達(dá)遙感技術(shù)，最近幾年國(guó)際上又開(kāi) 展了偏振成像激光雷達(dá)遙感技術(shù)的研究，以擴(kuò)展傳統(tǒng)的激光雷達(dá)遙感技術(shù)在植被 分類(lèi)遙感、農(nóng)作物產(chǎn)量評(píng)估遙感以及軍事遙感的某些應(yīng)用方面的功能，特別是最 近幾年國(guó)際上最新研制的偏振成像激光雷達(dá)遙感器倍受重視，技術(shù)最先進(jìn)的要數(shù) 美國(guó)的雙波長(zhǎng)偏振成像遙感器，但該遙感器系統(tǒng)采用折射和透射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方 法，不僅存在系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、重量重、工藝復(fù)雜難以制造等缺點(diǎn)，而且需兩 個(gè)激光器、折射投射光學(xué)系統(tǒng)的光能損耗大、難以航空航天遠(yuǎn)距離遙感。因此， 設(shè)計(jì)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、光能損耗小、能夠?qū)崿F(xiàn)三維偏振光信息成像的 遙感器是新型偏振成像遙感器發(fā)展的關(guān)鍵。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種新型三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器。它巧妙地將偏振分光、倍 頻、光機(jī)掃描和反射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合為一體，充分利用激光測(cè)距技術(shù)、GPS定位技 術(shù)、遙感器姿態(tài)測(cè)量技術(shù)以及偏振光信息測(cè)量技術(shù)，并將這幾種技術(shù)以及這些技 術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)集成和處理，能夠?qū)崿F(xiàn)基于航空或航天平臺(tái)的三維偏振 成像激光雷達(dá)遙感器。
本發(fā)明提供的一種三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器采用以下技術(shù)方案 該三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器，包括三維偏振信息成像的激光雷達(dá)光機(jī) 結(jié)構(gòu)裝置、偏振光產(chǎn)生裝置、偏振光和測(cè)距脈沖發(fā)射裝置、目標(biāo)散射的偏振光 和測(cè)距脈沖接收和數(shù)據(jù)記錄裝置、目標(biāo)三維面形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生裝置和方法、目標(biāo) 散射的偏振圖像數(shù)據(jù)與三維面形數(shù)據(jù)集成與處理方法。其特征在于，所述三維 偏振信息成像的激光雷達(dá)光機(jī)結(jié)構(gòu)裝置是由激光測(cè)距儀和偏振信息產(chǎn)生、發(fā)射 與探測(cè)裝置組成一體的同一套光機(jī)系統(tǒng)，所述偏振光產(chǎn)生與發(fā)射裝置包括激光 器、偏振光束分離器、倍頻晶體、光學(xué)部分反射鏡、濾光片、轉(zhuǎn)動(dòng)波片、轉(zhuǎn)折 棱鏡、準(zhǔn)直透鏡、擴(kuò)東透鏡系統(tǒng)、掃描反射鏡及其光機(jī)結(jié)構(gòu)、光學(xué)碼盤(pán)和驅(qū)動(dòng) 電機(jī)，所述目標(biāo)散射的偏振光接收和數(shù)據(jù)記錄裝置包括掃描反射鏡、卡塞格侖 望遠(yuǎn)鏡、偏振片、轉(zhuǎn)動(dòng)波片、光電探測(cè)器、分色片、電荷耦合器件(CCD)、計(jì) 算機(jī)，所述目標(biāo)三維面形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生裝置和方法包括激光測(cè)距儀裝置及其數(shù)據(jù) 產(chǎn)生、GPS裝置及其定位數(shù)據(jù)產(chǎn)生、遙感器姿態(tài)測(cè)量裝置及其數(shù)據(jù)產(chǎn)生，所述目 標(biāo)散射的偏振圖像數(shù)據(jù)與三維面形數(shù)據(jù)集成與處理方法包括激光測(cè)距數(shù)據(jù)與
GPS定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)的集成及其目標(biāo)面形的解算方法、三維面形數(shù)據(jù)與偏振
成像數(shù)據(jù)的融合處理方法。本發(fā)明能夠準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取被探測(cè)目標(biāo)散射的偏振信息 的三維圖像。
其中，所述三維偏振信息成像的激光雷達(dá)光機(jī)結(jié)構(gòu)裝置是由激光測(cè)距儀、 偏振信息產(chǎn)生、發(fā)射與探測(cè)裝置組成一體的同一套光機(jī)系統(tǒng)。所述的激光測(cè)距 儀裝置包括激光器、冷卻系統(tǒng)、激光控制器、激光發(fā)射脈沖分配器、同步信號(hào) 發(fā)生器、偏振光束分離器、倍頻晶體、分光片、采樣接收器、轉(zhuǎn)折棱鏡、掃描 反射鏡及其光機(jī)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、光學(xué)碼盤(pán)、卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡、分色片、測(cè)距 回波接收裝置，激光器與冷卻系統(tǒng)為自身配套整體，激光控制器、激光脈沖分 配器和同步信號(hào)發(fā)生器連接成一體，具體參量結(jié)合遙感距離、遙感器行進(jìn)速度
和激光器性能設(shè)定；所述的偏振光東分離器是由兩塊直角棱鏡組成的、中心波
長(zhǎng)在激光器發(fā)射光波長(zhǎng)的立方體，它可以將激光器發(fā)出的光分成兩個(gè)互相垂直
方向傳播的兩種偏振光；倍頻晶體是中心波長(zhǎng)在激光器輸出波長(zhǎng)的倍頻晶體， 它能夠?qū)⒔?jīng)偏振光束分離器出來(lái)的光倍頻；所述的光學(xué)部分反射鏡可以透過(guò)10 %的倍頻光，透過(guò)98%以上的激光器發(fā)出的光；所述濾光片只可以透過(guò)98%以
上的倍頻光；所述的采樣接收器是由光電探測(cè)器和電子學(xué)部分組成，其作用是 在激光脈沖發(fā)射的同時(shí)，通過(guò)分色片的少量透過(guò)光取得激光的視頻調(diào)制脈沖電 信號(hào)，作為距離計(jì)數(shù)器的開(kāi)啟脈沖，其光電探測(cè)器是一類(lèi)響應(yīng)速度快、靈敏度 高、內(nèi)阻大、性能穩(wěn)定、暗電流小的單元硅光電二極管，其電子學(xué)部分由前置 放大器和電壓比較器等組成，可得到響應(yīng)迅速、波形理想、工作穩(wěn)定的計(jì)數(shù)觸
發(fā)脈沖；所述的轉(zhuǎn)折棱鏡是可以將光路實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)變的全反射光學(xué)棱鏡；所述的 掃面反射鏡及其光機(jī)結(jié)構(gòu)中的鏡面是采用LY12鋁材進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)橢圓鏡面， 鏡面與掃面轉(zhuǎn)動(dòng)軸成45°角，鏡面基地的不平整度研磨達(dá)0. 005mm,對(duì)基地進(jìn)行 化學(xué)鍍鎳至一定厚度，經(jīng)光學(xué)加工為鏡面，鏡面的光學(xué)性能要求光圈N《3，局 部光圈AN《0. 8，鏡面平均反射率(0. 4~12. 5um) 〉95 % ，為避免加工過(guò)程中機(jī) 械切削產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)鏡面質(zhì)量的影響，在加工形成后，經(jīng)高、低溫循環(huán)處理以 釋放內(nèi)應(yīng)力和切削應(yīng)力；所述的掃面反射鏡及其光機(jī)結(jié)構(gòu)中的光機(jī)結(jié)構(gòu)是鏡面 后采用具有良好的抗變形強(qiáng)度和均勾的剛度分布的內(nèi)三角桁架結(jié)構(gòu)，能保證鏡 面的光學(xué)穩(wěn)定性；所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是兩頭出軸的、具有足夠驅(qū)動(dòng)功率的特制同 步電機(jī)，電機(jī)的一端出軸安裝內(nèi)動(dòng)平衡塊和掃描鏡，另一端安裝外動(dòng)平衡塊和 彈性連接軸，通過(guò)彈性連接軸與光電編碼器相連；所述的光學(xué)碼盤(pán)是光電軸角
編碼器，它可以產(chǎn)生與掃描鏡同步的各種時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，掃描鏡、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和 光電軸角編碼器組成一個(gè)掃描器光機(jī)組件，可以單獨(dú)進(jìn)行裝配、通電試驗(yàn)和動(dòng)
平衡校正，最后與安裝平臺(tái)相連；所述的卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡由一個(gè)非球面主鏡、 一個(gè)球面次面鏡和光學(xué)接收鏡筒構(gòu)成，鏡面鍍鋁膜和保護(hù)膜，在0.4-13. Oum 光譜范圍內(nèi)平均反射率大于等于92。/。，鏡筒由ZL107材料鑄造,壁厚不低于6mm， T6定型處理，加工時(shí)進(jìn)行時(shí)效處理以避免應(yīng)力造成變形，鏡簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)是保證卡 塞格倫望遠(yuǎn)鏡中主鏡、次鏡和分色片的結(jié)構(gòu)位置；所述的分色片置于望遠(yuǎn)鏡的 次鏡與焦點(diǎn)之間的光路中，分色片的鏡面與光軸成45。傾角，將接收到的后向散 射光分為倍頻光(用于測(cè)距)反射和原波長(zhǎng)光的后向散射偏振光部分，分色片 由玻璃基底材料和表面鍍膜制成，具體結(jié)合波長(zhǎng)來(lái)設(shè)計(jì)；所述的測(cè)距回波接收 裝置，其功能是接收目標(biāo)后向散射的微弱的測(cè)距激光脈沖，并進(jìn)行放大、比較 而產(chǎn)生規(guī)則的電脈沖作為回波脈沖信號(hào)送到距離計(jì)數(shù)器，它由單元光電探測(cè)器、
視頻放大器和脈沖形成電路等組成，其單元光電探測(cè)器是特別適合于短脈沖探 測(cè)探測(cè)的、具有極高響應(yīng)速度的光電二極管(如雪崩二極管、PIN管等)，視頻 放大器和脈沖形成電路即為通常的電路。
其中，所述的偏振光產(chǎn)生裝置包括激光器、偏振光東分離器、反射鏡、轉(zhuǎn) 動(dòng)波片，其激光器是遙感器中共用的光源，偏振光束分離器與激光測(cè)距儀中用 的是同一部件，是將激光器出射光東分解為測(cè)距光東和偏振信息遙感光東，反 射鏡是用于改變測(cè)距光東和遙感光束的光路方向，轉(zhuǎn)動(dòng)波片是通常的波片，其 中心波長(zhǎng)為激光器發(fā)出的光的波長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)受同步信號(hào)控制，轉(zhuǎn)動(dòng)波片的功能 是用于目標(biāo)散射的偏振信息參量(Meuller矩陣元)的測(cè)量，其轉(zhuǎn)動(dòng)位置的控制 精度在千分之一角度。
其中，所述的偏振光和測(cè)距脈沖發(fā)射裝置包括轉(zhuǎn)折棱鏡、準(zhǔn)直透鏡與擴(kuò)束 透鏡裝置以及掃描反射鏡，轉(zhuǎn)折棱鏡與掃描反射鏡與激光測(cè)距儀用的是同一部 件，準(zhǔn)直透鏡與擴(kuò)東透鏡裝置是將轉(zhuǎn)折棱鏡出來(lái)的光擴(kuò)展成直徑較大的平行光 東。
其中，所述的目標(biāo)散射的偏振光和測(cè)距脈沖接收和數(shù)據(jù)記錄裝置包括掃描 反射鏡、卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡及其鏡筒、分色片、測(cè)距脈沖接收裝置、轉(zhuǎn)動(dòng)波片、 ICCD、計(jì)算機(jī)，這里所述的掃描反射鏡、卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡及其鏡簡(jiǎn)、分色片、 測(cè)距脈沖接收裝置與激光測(cè)距儀用的同一部件，轉(zhuǎn)動(dòng)波片的要求與發(fā)射系統(tǒng)中 的轉(zhuǎn)動(dòng)波片相同，ICCD成像探測(cè)器置于接收望遠(yuǎn)鏡的焦面上，將接收到的目標(biāo) 散射的偏振激光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其響應(yīng)的峰值靈敏度應(yīng)在激光發(fā)射波長(zhǎng)處， 計(jì)算機(jī)是按照一定的格式記錄偏振信息圖像數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)動(dòng)波片和ICCD受同步信號(hào) 控制。
其中，所述的目標(biāo)三維面形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生裝置和方法包括安裝在遙感器平臺(tái) 上的GPS接收機(jī)、姿態(tài)測(cè)量裝置、激光測(cè)距儀、數(shù)據(jù)采集與格式化器和數(shù)據(jù)記 錄器，GPS接收機(jī)主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能(l)精確確定每根掃描線中心像元的三維 位置；(2)實(shí)時(shí)每秒給平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量裝置輸入時(shí)間、三維位置、速率信息；(3) 遙感器載體飛行器的精確導(dǎo)航。姿態(tài)測(cè)量裝置提供飛行器機(jī)下點(diǎn)姿態(tài)(測(cè)滾、 俯仰和偏航)數(shù)據(jù)，激光測(cè)距儀在同步信號(hào)和掃描電機(jī)的控制下，讓激光脈沖 波東按照 一定規(guī)律在空中對(duì)被測(cè)目標(biāo)掃描，測(cè)量出飛行器航線 一定寬度的區(qū)域 內(nèi)遙感目標(biāo)到飛行器的斜距，然后結(jié)合與測(cè)距同步的偏振成像數(shù)據(jù)、飛行器姿 態(tài)數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)而計(jì)算出被遙感目標(biāo)的三維圖形。數(shù)據(jù)采集與格式化器由 圖像主放和數(shù)字化部分、時(shí)序部分、輔助數(shù)據(jù)板和格式化電路四大部分組成，
其作用是將ICCD輸出的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)預(yù)處理后，再由數(shù)據(jù)格式器將偏振圖 像數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)(時(shí)間數(shù)據(jù)、行計(jì)數(shù)、GPS事件數(shù)據(jù)、激光測(cè)距數(shù)據(jù)和飛行器
平臺(tái)姿態(tài)數(shù)據(jù))形成一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式輸出，送數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。數(shù)據(jù)記錄器 采用硬盤(pán)記錄，按照格式器發(fā)出的控制指令，將格式器送往記錄器緩存卡的數(shù) 據(jù)流記錄在硬盤(pán)介質(zhì)上。
其中，所述的目標(biāo)散射的偏振圖像數(shù)據(jù)與三維面形數(shù)據(jù)集成與處理方法包 括三維面形產(chǎn)生方法、激光點(diǎn)與偏振圖像像元配準(zhǔn)以及應(yīng)用圖像產(chǎn)生方法，三 維面形產(chǎn)生采用矢量相加求端點(diǎn)軌跡的方法，采用彈性連接軸聯(lián)結(jié)光電數(shù)字編 碼器，將掃描鏡旋轉(zhuǎn)的角位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖，作為數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)的時(shí)鐘
基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振圖像與激光測(cè)距圖像配準(zhǔn)，采用測(cè)量理論中的幾何校正、DEM數(shù) 據(jù)生成技術(shù)、空地定位的現(xiàn)代遙感模式生產(chǎn)三維透視偏振信息圖像等。
本發(fā)明的有益效果通過(guò)基于激光器的偏振光產(chǎn)生、發(fā)射和接收光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)并集成GPS和姿態(tài)測(cè)量技術(shù)、在可編程邏輯電路控制同步信號(hào)控制下實(shí)現(xiàn)三維 偏振測(cè)量遙感器系統(tǒng)，可以在無(wú)地面控制點(diǎn)的情況下(準(zhǔn))實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)三維偏 振信息地學(xué)編碼圖像。說(shuō)明書(shū)附圖

圖l是雙波長(zhǎng)三維偏振成像遙感器光、機(jī)、電系統(tǒng)組成示意圖； 圖2是基于WGS-84地球參考系的目標(biāo)三維面形解算原理示意圖。
具體實(shí)施方式
同步信號(hào)發(fā)生器101發(fā)出同步時(shí)序信號(hào)，經(jīng)激光發(fā)射脈沖分配器102和同步 控制器103,控制帶有冷卻系統(tǒng)105的激光器104按照同步時(shí)序信號(hào)發(fā)射出波長(zhǎng) 為入的激光脈沖。激光脈沖經(jīng)立方體偏振光東分離器108后分成分別沿原光東方
向和與原光東方向垂直的方向傳播的兩東等能量的偏振光束，其中沿原光東方向
的偏振光東經(jīng)倍頻器109變成波長(zhǎng)為A/2的激光脈沖，該激光脈沖再經(jīng)對(duì)入/2 透過(guò)率為2%、反射率為98%、對(duì)入的光全透過(guò)的、與入/2光路成45°角放置的 部分透射反射鏡111,透過(guò)的能量為2%的激光脈沖再經(jīng)濾光片133后被單元光 電探測(cè)器110接收作為激光測(cè)距儀的起始觸發(fā)脈沖；另一束與原光束方向垂直傳 播的波長(zhǎng)為入的偏振光東經(jīng)與光路成45°角放置的反射鏡106和反射鏡109反射 后，再經(jīng)lll與入/2光東合為同一光路，該共同光路經(jīng)被同步信號(hào)126控制而產(chǎn) 生一定轉(zhuǎn)動(dòng)角的人/4波片后，再經(jīng)全反射棱鏡113折轉(zhuǎn)9(f后，經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)114, 通過(guò)由電機(jī)117驅(qū)動(dòng)的45('掃描反射鏡115，實(shí)現(xiàn)與遙感器載體平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向垂直 的行掃描探測(cè)。與掃描反射鏡115共軸連接的光電編碼器118輸出像元碼信號(hào)和 行掃描同步信號(hào)，作為波長(zhǎng)入/2的激光測(cè)距掃描與波長(zhǎng)為入的偏振成像掃描嚴(yán)格 同步的時(shí)序基準(zhǔn)。
經(jīng)目標(biāo)116后向散射的部分光能被掃描鏡115所反射后射向卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡 的主鏡121,再經(jīng)卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡的次鏡119射向插在卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡光路中、 與卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡光軸成45°放置的分色片120,分色片120反射入/2的目標(biāo)回 波激光脈沖，透過(guò)入的目標(biāo)回波激光脈沖。被分色片反射的波長(zhǎng)為入/2的目標(biāo)回 波激光脈沖經(jīng)單元光電探測(cè)器125成為激光測(cè)距儀的回波電脈沖信號(hào)，然后將此 測(cè)距回波電脈沖信號(hào)傳送給由同步信號(hào)126控制的激光測(cè)距儀的電子學(xué)系統(tǒng)134, 從而可獲得距離矢量數(shù)據(jù)135,用局部參考系中的1(L)矢量表示；透射過(guò)分色片 120的波長(zhǎng)為入的目標(biāo)回波激光脈沖經(jīng)由同步信號(hào)126控制的轉(zhuǎn)動(dòng)波片124入射 到高靈敏度的圖像釆集器122上(如ICCD)，進(jìn)而由計(jì)算機(jī)123記錄下該圖像數(shù) 據(jù)，這樣就獲得了與轉(zhuǎn)動(dòng)波片112和124的轉(zhuǎn)動(dòng)角相對(duì)應(yīng)的激光偏振遙感圖像數(shù) 據(jù)。
因激光測(cè)距光東和激光偏振遙感光東共用同一個(gè)光機(jī)系統(tǒng)，因此，測(cè)距激光 束在目標(biāo)面上的光斑和偏振成像像元是精確套合的，為了利用激光測(cè)距矢量數(shù)據(jù)
和偏振遙感圖像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維偏振遙感圖像，就必須獲得目標(biāo)表面各像元的地理 坐標(biāo)，為此，本發(fā)明應(yīng)用不需地面控制點(diǎn)的矢量相加求端點(diǎn)軌跡的三維成像原理，
即利用在同步時(shí)序脈沖信號(hào)126經(jīng)控制器127控制GPS接收機(jī)128的采集數(shù)據(jù)時(shí) 間，從而獲取遙感器在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置數(shù)據(jù)129，即圖2中的g(C) 矢量；利用在同步時(shí)序脈沖信號(hào)126經(jīng)控制器130控制遙感器姿態(tài)測(cè)量裝置131 的姿態(tài)數(shù)據(jù)采集時(shí)間，從而獲得遙感器的同步時(shí)間姿態(tài)數(shù)據(jù)132。將計(jì)算機(jī)123 記錄的目標(biāo)偏振圖像數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)132、 GPS的定位數(shù)據(jù)129和激光測(cè)距數(shù)據(jù) 135同時(shí)送往數(shù)據(jù)格式記錄器136分別按各自的格式記錄，最后數(shù)據(jù)處理器137 將測(cè)量所得的各矢量數(shù)據(jù)按照?qǐng)D2所示的矢量進(jìn)行運(yùn)算，從而得出各像元點(diǎn)在 WGS-84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置，即矢量e(C)，即獲得了目標(biāo)三維偏振遙感圖像。
偏振遙感圖像各像元的位置矢量e(C)計(jì)算原理可用圖2來(lái)說(shuō)明。在圖2中， C是WGS-84地心笛卡爾參考坐標(biāo)系，Z軸是實(shí)際地球的旋轉(zhuǎn)中軸，X軸在地球橢 球的赤道平面內(nèi)并通過(guò)地球橢球的起始子午圈，Y軸則完成右手參考坐標(biāo)系，激 光東在目標(biāo)表面上的激光點(diǎn)為e， gl(C)是GPS接收天線端點(diǎn)到激光器發(fā)光點(diǎn)的距 離矢量，是在遙感器安裝時(shí)在GPS接收天線的局部測(cè)量參考系預(yù)先測(cè)量好的gl(B) 矢量經(jīng)參考系變換而得。三維成像的根本問(wèn)題就是要找出e點(diǎn)的地球橢球的坐標(biāo) (緯度06,經(jīng)度l和目標(biāo)表面高程he),也就是要確定矢量e(C)，由圖2的矢 量關(guān)系可以得到
e(C)=g(C)+gl(C)+l(C) (1)(l)式中g(shù)(C)可由GPS系統(tǒng)直接測(cè)量獲得。為了將局部參考系中測(cè)量得到 得激光測(cè)距矢量l(L)和gl(B)轉(zhuǎn)換成WGS-84參考系下的l(C)和gl(C)，為此再定 義4個(gè)參考系
G參考系中心位于GPS接收天線頂端，即圖2中的g點(diǎn)，其坐標(biāo)軸與C 參考系的相應(yīng)的坐標(biāo)軸平行。O參考系中心也位于圖2中的g點(diǎn)，ZG軸垂直于WGS-84橢球并從C點(diǎn) 指向地球向外，Y。軸沿著GPS子午圈與WGS-84橢球切平面平行的平面的交叉 線，XG軸則完成右手參考系，指向東，如圖3所示。
B參考系中心仍同樣位于GPS天線頂端g點(diǎn)，XB軸沿著具有正X軸遙感 器平合運(yùn)動(dòng)方向的平臺(tái)中軸線，zB軸向上指向離開(kāi)地球方向，YB軸則完成右手 參考系。這樣可用遙感器載體平臺(tái)的實(shí)際偏航角(P )、俯仰角(cc )和測(cè)滾角 (ciO來(lái)描述參考系B相對(duì)于參考系O的旋轉(zhuǎn)。角P、 a和4;定義為相對(duì)ZB軸、 YB軸和XB軸的轉(zhuǎn)動(dòng)逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。如果角P、 a和4是零，則0參考系和B 參考系是一致的。
L參考系中心位于激光器發(fā)光處并通過(guò)矢量gl(O)從參考系轉(zhuǎn)換得到的參 考系，ZL軸指向激光發(fā)光方向。定義參考系L相對(duì)于參考系B轉(zhuǎn)動(dòng)的Euler角 為(AP， Aa， Ac|))，則將矢量l(L)從L參考系變換到B參考系中的1(B) 有
1(B)=R_1(A P， △ a， △ 4)1(L) (2)
(2)式中的R"為R的逆矩陣。因三維成像是掃描測(cè)距，對(duì)于掃描角為^s而言， 有
1(B^R1(0,0,平s)R'(A P, A a， △ (J))1(L) (3)
式中R.1( △ 0 ， △ a ， △ Hf ):R3.1( △ v )R2-1( △ a )R.1( △ P )=[&( △ g ) R2( △ a)R3(A "]-1， Rj(A "、 R2(A a )、 R3(A u;)分別為正交參考系中繞3個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng) 的變換矩陣。
參考系B相對(duì)于參考系 的轉(zhuǎn)動(dòng)由安裝在遙感器平臺(tái)上的姿態(tài)測(cè)量裝置給出。
依據(jù)上面定義這些參考系，從測(cè)量參考系到WGS-84參考系矢量轉(zhuǎn)換可以 寫(xiě)作為
gl(OR"(^,F e-90,0)R、,a,x)/)gl(B) (4)<formula>formula see original document page 13</formula> (5)
<formula>formula see original document page 13</formula> (6)
對(duì)于三維成像的掃描測(cè)距，(6)式成為
<formula>formula see original document page 13</formula> (7)
(7)式就是應(yīng)用GPS定位數(shù)據(jù)g(C)和激光測(cè)距數(shù)據(jù)l(L)獲取目標(biāo)表面三維面形的
基本方程。
以上為本發(fā)明的最佳實(shí)施方式，依據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員能夠顯而易見(jiàn)的想到一些雷同、替代的方案，均應(yīng)落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器，包括三維偏振信息成像的激光雷達(dá)光機(jī)結(jié)構(gòu)裝置、偏振光產(chǎn)生裝置、偏振光和測(cè)距脈沖發(fā)射裝置、目標(biāo)散射的偏振光和測(cè)距脈沖接收和數(shù)據(jù)記錄裝置、目標(biāo)三維面形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生裝置和方法、目標(biāo)散射的偏振圖像數(shù)據(jù)與三維面形數(shù)據(jù)集成與處理方法。其特征在于，所述三維偏振信息成像的激光雷達(dá)光機(jī)結(jié)構(gòu)裝置是由激光測(cè)距儀和偏振信息產(chǎn)生、發(fā)射與探測(cè)裝置組成一體的同一套光機(jī)系統(tǒng)，所述偏振光產(chǎn)生與發(fā)射裝置包括激光器、偏振光束分離器、倍頻晶體、光學(xué)部分反射鏡、濾光片、轉(zhuǎn)動(dòng)波片、轉(zhuǎn)折棱鏡、準(zhǔn)直透鏡、擴(kuò)束透鏡系統(tǒng)、掃描反射鏡及其光機(jī)結(jié)構(gòu)、光學(xué)碼盤(pán)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述目標(biāo)散射的偏振光接收和數(shù)據(jù)記錄裝置包括掃描反射鏡、卡塞格侖望遠(yuǎn)鏡、偏振片、轉(zhuǎn)動(dòng)波片、測(cè)距回波接收裝置、分色片、電荷耦合器件(CCD)、計(jì)算機(jī)，所述目標(biāo)三維面形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生裝置和方法包括激光測(cè)距裝置及其數(shù)據(jù)產(chǎn)生、GPS裝置及其定位數(shù)據(jù)產(chǎn)生、遙感器姿態(tài)測(cè)量裝置及其數(shù)據(jù)產(chǎn)生，所述目標(biāo)散射的偏振圖像數(shù)據(jù)與三維面形數(shù)據(jù)集成與處理方法包括激光測(cè)距數(shù)據(jù)與GPS定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)的集成及其目標(biāo)面形的解算方法、三維面形數(shù)據(jù)與偏振成像數(shù)據(jù)的融合處理方法。本發(fā)明能夠準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取被探測(cè)目標(biāo)散射的偏振信息的三維圖像。
2、 按照權(quán)利要求l所述的一種三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器，其特征在于 所述的一種三維偏振信息成像的激光雷達(dá)光機(jī)結(jié)構(gòu)裝置包括激光器、激光控制 器、激光發(fā)射脈沖分配器、激光器冷卻系統(tǒng)、同步信號(hào)發(fā)生器、光學(xué)碼盤(pán)、驅(qū) 動(dòng)電機(jī)、掃描反射鏡及其光機(jī)結(jié)構(gòu)、光學(xué)部分反射經(jīng)、濾光片、采樣接收器、 分色片、測(cè)距回波接收裝置。光學(xué)碼盤(pán)、掃描電機(jī)和掃描反射鏡共用一個(gè)軸承， 激光器與激光控制器和冷卻系統(tǒng)連接在一起，激光發(fā)射脈沖分配器、激光控制 器、同步器發(fā)生器與光學(xué)碼盤(pán)相連。
3、 按照權(quán)利要求l所述的一種三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器，其特征在于 所述的偏振光產(chǎn)生裝置包括偏振光束分離器、倍頻晶體、光學(xué)反射鏡、濾光片、 轉(zhuǎn)動(dòng)波片。偏振光束分離器、倍頻晶、光學(xué)部分反射鏡、濾光片體放在激光器 的出射光束的光路上，光學(xué)反射鏡用于另一偏振光束的光路，轉(zhuǎn)動(dòng)波片可以是 激光器波長(zhǎng)的四分之一波片，也可以是二分之一波片，波片放在激光器反射光 東的光路上，轉(zhuǎn)動(dòng)波片的精度為千分之一角度。
4、 按照權(quán)利要求l所述的一種三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器，其特征在于 所述的偏振光和測(cè)距脈沖發(fā)射裝置包括轉(zhuǎn)折棱鏡、準(zhǔn)直透鏡、擴(kuò)東透鏡系統(tǒng)、 掃描反射鏡及其光機(jī)結(jié)構(gòu)、測(cè)距回波接收裝置、光學(xué)碼盤(pán)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。轉(zhuǎn)折棱 鏡中心放在激光器反射光東的光路和卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡與掃描望遠(yuǎn)鏡的光軸交點(diǎn) 處，準(zhǔn)直透鏡、擴(kuò)東透鏡系統(tǒng)放在轉(zhuǎn)折棱鏡與掃描反射鏡之間，準(zhǔn)直與擴(kuò)東系 統(tǒng)的軸線與卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡與掃描鏡軸線相同，光電探測(cè)器作為釆樣接收器， 放在激光器的倍頻光束光路中的濾光器后面。
5、 按照權(quán)利要求l所述的一種三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器，其特征在于 所述的目標(biāo)散射的偏振光探測(cè)器、測(cè)距脈沖接收器和數(shù)據(jù)記錄裝置包括掃描反 射鏡、卡塞格侖望遠(yuǎn)鏡、偏振片、轉(zhuǎn)動(dòng)波片、測(cè)距回波接收裝置、分色片、電荷耦合器件(CCD)、計(jì)算機(jī)。掃描反射鏡與卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡共用一個(gè)鏡簡(jiǎn)，分色片放在卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡的主鏡與次鏡之間，光電探測(cè)器放在分色鏡片的交點(diǎn)上，CCD放在卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡的焦面上，轉(zhuǎn)動(dòng)波片偏振片放在卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡主 鏡外面與CCD之間，轉(zhuǎn)動(dòng)波片置于光路中偏振片的前面。
6、 按照權(quán)利要求l所述的一種三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器，其特征在于 所述的目標(biāo)三維面形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生裝置和方法包括激光測(cè)距儀的電子學(xué)裝置及其 距離數(shù)據(jù)產(chǎn)生、GPS裝置及其遙感器位置數(shù)據(jù)產(chǎn)生、遙感器姿態(tài)測(cè)量裝置及其姿 態(tài)(俯仰、測(cè)滾、偏航)數(shù)據(jù)產(chǎn)生，激光測(cè)距儀的電子學(xué)裝置、GPS接收機(jī)以及 姿態(tài)測(cè)量裝置都和同步發(fā)生器的信號(hào)相連，同一時(shí)刻釆集和記錄數(shù)據(jù)。
7、 按照權(quán)利要求l所述的一種三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器，其特征在于 所述的目標(biāo)散射的偏振圖像數(shù)據(jù)與三維面形數(shù)據(jù)集成與處理方法包括激光測(cè)距 數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)的集成及其目標(biāo)面形的解算方法、三維面形數(shù)據(jù) 與偏振成像數(shù)據(jù)的融合處理方法。釆用數(shù)據(jù)格式器將激光測(cè)距數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)和姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)按照一定的格式和順序記錄，并按照同步控制信號(hào)的時(shí)序脈沖給 出掃描反射鏡的偏轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)波片的偏轉(zhuǎn)角，目標(biāo)三維面形的解算采用矢量相 加求端點(diǎn)軌跡的方法，將同一同步信號(hào)時(shí)刻的三維面形與偏振圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行疊 合和特征處理而完成三維面形數(shù)據(jù)與偏振成像數(shù)據(jù)的融合處理方法。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三維偏振成像激光雷達(dá)遙感器，包括光路系統(tǒng)、偏振光產(chǎn)生和散射光接收裝置、三維數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與三維數(shù)據(jù)處理方法，其特征在于，所述的光路系統(tǒng)是由測(cè)距儀和偏振光產(chǎn)生、發(fā)射與探測(cè)裝置組成的同一光學(xué)系統(tǒng)，所述偏振光產(chǎn)生、發(fā)射與探測(cè)裝置包括激光器、光束分離器、倍頻晶體、多種透鏡、碼盤(pán)、掃描電機(jī)、掃描鏡、望遠(yuǎn)鏡、偏振片、波片、測(cè)距回波接收裝置、分色片、CCD、計(jì)算機(jī)，所述目標(biāo)三維面形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生裝置和方法包括測(cè)距裝置及其數(shù)據(jù)產(chǎn)生、定位數(shù)據(jù)產(chǎn)生、遙感器姿態(tài)數(shù)據(jù)產(chǎn)生方法，所述偏振圖像數(shù)據(jù)與三維面形數(shù)據(jù)處理方法包括激光測(cè)距數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)的處理方法。本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)獲取被探測(cè)目標(biāo)偏振信息的三維圖像。
文檔編號(hào)G01S17/00GK101201403SQ20071009879
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者何云濤, 李小路, 江月松 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)