CN102901957A

CN102901957A - 一种用于条纹管激光雷达3d多光谱探测的接收装置

Info

Publication number: CN102901957A
Application number: CN2012103611794A
Authority: CN
Inventors: 韩绍坤; 赵文
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明涉及一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置，属于光电成像技术领域。该装置包括接收望远镜、分光光栅、多波长转换***、准直微透镜阵列、条纹管、耦合光锥、CCD相机、计算机。其中多波长转换***由光电探测器阵列、互阻放大器阵列、跨导放大器阵列、垂直腔面激光发射器阵列构成。本发明解决了条纹管激光雷达3D多光谱探测***的多波长转换难题，将含有目标多光谱和3D信息的多波长激光转换成条纹管光电阴极可以响应的波长，具有转换效率高，转换带宽宽的优点，可以广泛应用于条纹管激光雷达3D多光谱探测。

Description

一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置

技术领域

本发明涉及一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置，属于光电成像技术领域。

背景技术

多光谱成像技术不同于传统的单一波段成像技术，它将成像技术和光谱测量技术结合在一起，获取的信息不仅包括二维空间信息，还包括随波长分布的光谱辐射信息，形成所谓的数据立方体，扩展了传统探测技术的功能，是光电探测技术的一个质的飞跃，该技术的最大特点是能够将工作光谱区精细划分为多个谱端，并同时在各谱段对目标场景成像探测。由于绝大多数物质都有其独特的辐射、反射或吸收光谱的特征，因此根据探测器上探测到的目标物光谱分别特征，可以准确的分辨像素对应的目标成分。将三维成像与多光谱相结合，形成3D多光谱主动探测技术，利用目标的三维信息和多光谱信息同时进行探测，可以进一步提高目标探测的准确性。

波长转换装置是实现3D多光谱探测的关键技术，原理上，很多技术可以完成波长的转换。例如可以利用非线性光学技术如拉曼散射、受激拉曼散射和谐波频率产生实现波长转换。然而，这些技术需要复杂的光学装置，而且转换效率依赖于转换的光强。这种转换效率对光强依赖的方法不适合于激光雷达接收端，因为接收端的信号非常弱（在皮瓦数量级）。此外，这种方法很难获得高的波长转换效率。在某些情况下，可以通过提高接收端的波长转换效率来增强接收端的光增益。然而这种技术会大大提高接收端的复杂度和成本。本发明的波长转换装置不同于非线性光学实现的波长转换，它没有改变特定光的波长，只是通过光电变换方式实现波长的转变。

发明内容

本发明是为了解决目前条纹管激光雷达3D多光谱探测中多波长转换的问题，提出一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置，该装置包括接收望远镜、分光光栅、多波长转换***、准直微透镜阵列、条纹管、耦合光锥、CCD相机、计算机。其中多波长转换***由光电探测器阵列、互阻放大器阵列、跨导放大器阵列、垂直腔面激光发射器阵列构成。

所述的光电探测器阵列为InGaAs或PbSe等PIN光电二极管阵列。

所述的互阻放大器阵列的作用是将电流转换成放大的电压，对信号进行一级放大，放大倍数为40-50倍；

所述的跨导放大器阵列的作用是将电压转换为放大的电流，对信号进行二级放大，放大倍数为40-50倍。

所述的垂直腔面激光器是一种出射光束方向与半导体外延片表面垂直的激光器，该垂直腔面激光器发射的激光波长与条纹管的阴极的波长响应峰值相同。

工作过程为：接收望远镜将经目标散射后的含有目标多光谱和3D信息的多波长激光束接收并汇聚至分光光栅，分光光栅将接收到的混合多波长激光束分光后形成不同波长的回波激光束，不同波长的回波激光束照射至光电探测器阵列，光电探测器阵列对不同强度的多波长回波激光束进行光电转换，形成与入射光强成正比例的电流信号，互阻放大器阵列将电流信号转换成放大的电压信号，对信号进行一级放大，跨导放大器阵列将电压信号转换成放大的电流信号，对信号进行二级放大，经二级放大后的电流信号驱动垂直腔面激光发射器发射同一波长不同光强的激光，垂直腔面激光器出射的激光光强大小由驱动电流信号决定，从垂直腔面激光器出射的激光经过准直微透镜阵列准直后照射到多狭缝条纹管的光电阴极的多条狭缝上并产生多束光电子束，多束光电子束通过条纹管内部的高压扫描电路加速偏转轰击条纹管内部的荧光屏，并在荧光屏不同区域内形成多光谱图像，所形成的荧光屏多光谱条纹图像通过耦合光锥耦合成像在CCD相机上，形成含有目标多光谱和3D信息的条纹图像，形成的条纹图像送入计算机处理后重构出带有待测目标多光谱信息的三维图像；

上述的CCD相机与条纹管荧光屏通过耦合光锥耦合，CCD相机的电信号输出端与计算机相连。

有益效果

本发明解决了条纹管激光雷达3D多光谱探测***的多波长转换难题，将含有目标多光谱和3D信息的多波长激光转换成条纹管光电阴极可以响应的波长，具有转换效率高，转换带宽宽的优点，可以广泛应用于条纹管激光雷达3D多光谱探测。

附图说明

图1是实施例中用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置结构示意图；

其中，1-接收望远镜，2-分光光栅，3-多波长转换***，4-准直微透镜阵列，5-条纹管，6-耦合光锥，7-CCD相机，8-计算机，9-光电探测器阵列，10-互阻放大器阵列，11-跨导放大器阵列，12-垂直腔面激光发射器阵列。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置，如图1所示，该装置包括接收望远镜1、分光光栅2、多波长转换***3、准直微透镜阵列4、条纹管5、耦合光锥6，CCD相机7和计算机8，其中多波长转换***3由光电探测器阵列9、互阻放大器阵列10、跨导放大器阵列11和垂直腔面激光发射器阵列12构成。

所述的光电探测器阵列9由波长响应峰值分别为λ1=1064nm、λ2=532nm、λ3=355nm的InGaAs或PbSe PIN光电二极管构成。

所述的互阻放大器阵列10的作用是将电流转换成放大的电压，对信号进行一级放大，放大倍数为50倍

所述的跨导放大器阵列11的作用是将一级放大后的电压转换成放大的电流，对信号进行二级放大，放大倍数为50倍

所述的垂直腔面激光发射器阵列12发射的激光波长为λ4=650nm；

所述的条纹管5的光电阴极面响应峰值为λ4=650nm；

工作过程为：接收望远镜1将含有目标多光谱和3D信息的混合多波长激光束λ1、λ2、λ3接收并汇聚至分光光栅2，分光光栅2将接收到的混合多波长激光束分光后形成波长分别为λ1、λ2、λ3的回波激光束，波长为λ1、λ2、λ3的回波激光束分别照射至光电探测器阵列9，光电探测器阵列9对波长为λ1、λ2、λ3的回波激光束分别进行光电转换，形成与入射光强成正比例的电流信号，互阻放大器阵列10将电流信号转换成放大的电压信号，对信号进行一级放大，跨导放大器阵列11将一级放大后的电压信号转换成放大的电流信号，对信号进行二级放大，经过二级放大后的电流信号驱动垂直腔面激光器阵列12发射同一波长为λ4不同光强的激光，垂直腔面激光发射器出射的波长为λ4的激光光强大小由对应的驱动电流大小决定，从垂直腔面激光发射器出射的波长为λ4的激光经过准直微透镜阵列4准直后照射到光电阴极波长响应峰值为λ4的多狭缝条纹管5的多条狭缝上并产生多束光电子束，多束光电子束通过条纹管内部的高压扫描电路加速偏转轰击条纹管内部的荧光屏，并在荧光屏不同区域内形成多光谱条纹图像，所形成的荧光屏多光谱条纹图像通过耦合光锥6耦合成像在CCD相机7上，形成含有目标多光谱和3D信息的条纹图像，形成的条纹图像送入计算机8处理后重构出带有待测目标多光谱信息的三维图像；

上述的CCD相机7与条纹管5的荧光屏通过耦合光锥6耦合，CCD相机7的电信号输出端与计算机8相连。

工作原理：所述的一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置采用了由垂直腔面激光发射器阵列12为主体的技术，经目标反射的混合多波长回波激光束通过分光光栅2分光后，形成波长分别为λ1，λ2，λ3的回波激光束，波长分别为λ1，λ2，λ3的回波激光束通过光电探测器阵列9转换成与入射光强度成正比例的电流信号i1，i2，i3，电流信号i1，i2，i3经过互阻放大器阵列10转换成放大的电压信号A*v1，A*v2，A*v3，其中A为互阻放大器阵列10的互阻增益，对信号进行一级放大，放大后的电压信号经过跨导放大器阵列11转换成放大的电流信号B*A*i1，B*A*i2，B*A*i3，其中B为跨导放大器阵列11的跨导增益，对信号进行二级放大，放大后的电流信号B*A*i1，B*A*i2，B*A*i3分别驱动垂直腔面激光器发射器阵列12发射波长为650nm的激光，光强度分别为I1，I2，I3，光强度I1，I2，I3与电流信号B*A*i1，B*A*i2，B*A*i3成正比例变化，垂直腔面激光发射器12发射的激光经微透镜阵列准直后入射至多狭缝条纹管的光电阴极，并产生多束光电子束，多束电子束在条纹管的荧光屏上激发荧光，并通过耦合光锥6在CCD相机7上形成含有目标多光谱和3D信息的条纹图像，形成的条纹图像送入计算机8处理后重构出带有待测目标多光谱信息的三维图像。

Claims

1.一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置，其特征在于：该装置包括接收望远镜（1）、分光光栅（2）、多波长转换***（3）、准直微透镜阵列（4）、条纹管（5）、耦合光锥（6）、CCD相机（7）和计算机（8），其中多波长转换***（3）由光电探测器阵列（9）、互阻放大器阵列（10）、跨导放大器阵列（11）和垂直腔面激光发射器阵列（12）构成；

接收望远镜（1）将含有目标多光谱和激光束接收并汇聚至分光光栅（2），分光光栅（2）将接收到的激光束分光后形成回波激光束，回波激光束分别照射至光电探测器阵列（9），光电探测器阵列（9）对回波激光束分别进行光电转换，形成与入射光强成正比例的电流信号，互阻放大器阵列（10）将电流信号转换成放大的电压信号，对信号进行一级放大，跨导放大器阵列（11）将一级放大后的电压信号转换成放大的电流信号，对信号进行二级放大，经过二级放大后的电流信号驱动垂直腔面激光器阵列12发射同一波长不同光强的激光，垂直腔面激光发射器出射激光光强大小由对应的驱动电流大小决定，从垂直腔面激光发射器出射激光经过准直微透镜阵列（4）准直后照射到多狭缝条纹管（5）的多条狭缝上并产生多束光电子束，多束光电子束通过条纹管内部的高压扫描电路加速偏转轰击条纹管内部的荧光屏，并在荧光屏不同区域内形成多光谱条纹图像，所形成的荧光屏多光谱条纹图像通过耦合光锥（6）耦合成像在CCD相机（7）上，形成含有目标多光谱和3D信息的条纹图像，形成的条纹图像送入计算机（8）处理后重构出带有待测目标多光谱信息的三维图像；

上述的CCD相机（7）与条纹管（5）的荧光屏通过耦合光锥（6）耦合，CCD相机（7）的电信号输出端与计算机（8）相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置，其特征在于：光电探测器阵列（9）由光电二极管构成。

3.根据权利要求2所述的一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置，其特征在于：光电探测器阵列（9）由波长响应峰值分别为λ1=1064nm、λ2=532nm、λ3=355nm的InGaAs或PbSe PIN光电二极管构成。

4.根据权利要求1所述的一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置，其特征在于：互阻放大器阵列（10）对信号进行一级放大，放大倍数为40-50倍。

5.根据权利要求1所述的一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置，其特征在于：跨导放大器阵列（11）对信号进行二级放大，放大倍数为40-50倍。

6.根据权利要求1所述的一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置，其特征在于：垂直腔面激光发射器阵列（12）发射的激光波长为λ4=650nm。

7.根据权利要求1所述的一种用于条纹管激光雷达3D多光谱探测的接收装置，其特征在于：条纹管（5）的光电阴极面响应峰值为λ4=650nm。