CN110031865A - 一种植被探测双通道荧光激光雷达*** - Google Patents

一种植被探测双通道荧光激光雷达*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种植被探测双通道荧光激光雷达***，包括激光发射单元、测距单元、扫描单元、接收探测单元和时序控制单元，激光发射单元发射紫外激光，同时作为植被荧光的激发光和测距单元的测距激光；激光发射单元产生紫外激光并经扫描单元发射，接收探测单元将紫外激光回波分离输出至测距单元，接收探测单元自身处理荧光信号；所述接收探测单元采用光学望远镜实现光学聚光，采用二向色镜片分离紫外激光回波并透射荧光信号，由耦合光纤耦合后，经光学分光模块分别进入两个植被荧光特征波段对应的光电探测器。本发明支持同步获取植被目标的激光点云空间信息和荧光双通道信息，完成对植被空间结构和生理状态的一体化监测。

Description

一种植被探测双通道荧光激光雷达***
技术领域
本发明属于测绘遥感技术领域，尤其涉及一种植被探测双通道荧光激光雷达***。
背景技术
激光雷达技术在对地观测领域，尤其是对植被的三维空间结构快速探测方面具有突出的优势。激光雷达回波信号形成的点云数据可以提供植被的空间分布信息，但是受限于单一的波长，难于获取植被的光谱特征。
主动式的激光诱导荧光技术应用在植被上可以产生荧光特征峰，荧光的产生来源于植被内部的光合作用场所进行的辐射能级跃迁。而植被的光合作用作为植被重要的生理活动，与其生理状态息息相关。因此，荧光可以作为植被光合作用和健康状况的早期“探针”，指示植被生长、生化参量胁迫以及病虫害等生理状态，可以在植被受到内部或外部胁迫因子时进行早期预报，定量、快速、无损地监测植被生理和生长状态，对植被生态研究和精准农业应用具有重要意义。
但是目前对植物荧光信号的探测成像还不能够实现以点云的形式来解释荧光信号的分布，也就是未能将激光雷达空间探测的优势和荧光光谱的优势结合在一起。通过本发明，双通道荧光激光雷达***针对植被探测目标，采用紫外激光光源，其反射回波作空间测距，同时诱导植物荧光作生化状态监测，实现反射测距和激光诱导荧光双探测机制。该***采用单波段紫外激光同时作为测距光和植被荧光的激发光，在单波段测距的基础上加上两个通道接收植物在685nm和740nm波段接收荧光特征峰信号，实现对植被目标点云和荧光双通道特征的同步观测，进而实现对植被目标的空间结构和生理状态的一体化监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种植被探测双通道荧光激光雷达***，实现对植被目标空间三维结构和荧光特征的一体化监测。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种植被探测双通道荧光激光雷达***，包括激光发射单元、测距单元、扫描单元、接收探测单元和时序控制单元，时序控制单元分别连接激光发射单元、测距单元、扫描单元和接收探测单元，激光发射单元发射紫外激光，同时作为植被荧光的激发光和测距单元的测距激光；
激光发射单元产生紫外激光并经扫描单元发射，接收探测单元将紫外激光回波分离输出至测距单元，接收探测单元自身处理荧光信号；
所述接收探测单元包括光学望远镜、二向色镜片、耦合光纤以及光学分光模块和相应提供双通道探测的光电探测器，采用光学望远镜实现光学聚光，采用二向色镜片分离紫外激光回波并透射荧光信号，由耦合光纤耦合后，经光学分光模块分别进入两个植被荧光特征波段对应的光电探测器。
而且，紫外激光发射光轴与接收探测单元中光学望远镜中轴线重合。
而且，扫描单元中设置转镜。
而且，所述转镜采用铝膜全反射镜。
而且，二向色镜片置于光学望远镜聚合口后，与光学望远镜中轴线呈135度放置。
而且，所述两个植被荧光特征波段为685nm和740nm。
而且，测距单元通过时序控制单元外部触发接收紫外激光回波，接收探测单元中光学望远镜接收并分离紫外测距回波输出至测距单元，激光出射时入射扫描转镜中心反射至植被目标以转镜所在转台转动实现扫描，测距单元的距离数据和扫描单元的扫描角度脉冲共同构成植被三维空间结构数据。
而且，时序控制单元输出数字脉冲信号，在时间序列上完成距离探测、转镜扫描和双通道探测器光电转换动作，并记录植被目标距离、转镜运动步长和双波长荧光信号的积分强度。
本发明和现有技术的区别和效果在于：双通道荧光激光雷达***突破传统单波段激光雷达单一的空间探测能力的限制，在单波段激光测距的基础上同时实现对植被双波长荧光特征的探测，采用反射测距和激光诱导荧光双探测机制，可支持同步获取植被目标的激光点云空间信息和荧光双通道信息，实现对植被目标空间结构和生理状态的一体化监测，可以广泛运用于数字测绘、植被遥感等领域。
附图说明
图1为本发明实施例中***结构示意图。
图2为本发明实施例中***光路共轴设计示意图。
图3为本发明实施例中测距单元结构示意图。
图4为本发明实施例中分光探测光路设计示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
本发明提供的一种植被探测双通道荧光激光雷达***，激光发射单元采用泵浦可调谐激光器泵浦倍频紫外激光，同时作为植被荧光的激发光和测距单元的测距激光。该***由激光发射单元、测距单元、扫描单元、接收探测单元和时序控制单元组成，和现有的单通道激光雷达***类似，但是本发明对各单元进行改进，以实现泵浦可调谐激光器泵浦倍频紫外激光，作为测距单元距离测量的测距激光，同时紫外激光作为激发光作用于植被基于植被激光诱导荧光机制产生特征荧光。本发明通过***构建、光学设计和时序控制完成用于主动式的对植被荧光点云成像的一种植被探测双通道荧光激光雷达***。测距单元通过时序控制单元外部触发接收紫外激光回波，接收探测单元中光学望远镜接收并分离紫外测距回波输出至测距单元，激光出射时入射扫描转镜中心反射至植被目标以转镜所在转台转动实现扫描，测距单元的距离数据和扫描单元的扫描角度脉冲共同构成植被三维空间结构数据。
参见图1，本发明实施例的一种植被探测双通道荧光激光雷达***结构分布主要包括激光发射单元1、扫描单元2、测距单元3、接收探测单元4和时序控制单元5。
如图1所示，激光发射单元1产生紫外激光并经扫描单元2发射，接收探测单元4将紫外激光回波分离输出至测距单元3，接收探测单元4自身处理荧光信号。时序控制单元5同时通过通讯连线连接激光发射单元1、扫描单元2、测距单元3和接收探测单元4，通过多通道时序脉冲控制***扫描探测。
所述激光发射单元1包括激光模块、倍频模块、分光模块和紫外高反射镜片、第一全反射镜片6、第二全反射镜片7。
实施例中，所述的一种植被探测双通道荧光激光雷达***通过泵浦可调谐激光器泵浦发射出紫外激光。激光器包括激光模块、倍频模块和分光模块。激光模块泵浦出一定重复频率的1064nm的基频激光，经过倍频模块的倍频晶体倍频出532nm和355nm波长的激光，然后输入分光模块。分光模块分离出355nm的激光光源，再经过紫外高反射镜片进一步滤除多余激光。激光发射单元发射出的355nm紫外激光同时作为荧光激发光和测距激光。
所述扫描单元2包括旋转台、电控箱和转镜8。电控箱连接旋转台，转镜8安装在扫描单元的旋转台上，可以随着旋转台旋转。转镜8优选采用铝膜全反射镜，接收视场大、反射波长范围宽，反射率受到波长和入射角度影响小，反射率高且价格便宜。
参见图2，本发明实施例的一种植被探测双通道荧光激光雷达***紫外激光发射光轴与接收探测单元中光学望远镜中轴线重合，构成共轴设计。共轴光学设计具体包括第一全反射镜片6、第二全反射镜片7、转镜8、光学望远镜9和二向色镜片10。其中第一全反射镜片6与入射紫外激光呈45度角放置，第二全反射镜片7置于接收探测单元光学望远镜接收视场中心并与望远镜中轴线呈45度角，转镜8与来自第二全反射镜片7激光呈45度角放置并可随底部转台转动改变角度，光学望远镜9中心轴与第二全反射镜片7到转镜8光轴重合，构成光学共轴，能够同时接收到紫外激光回波和植被荧光，支持单点同步获取距离和荧光双波长，可有效提高信噪比。二向色镜片10置于光学望远镜9聚合口后，与光学望远镜9中轴线呈135度放置。
具体实施时，激光发射单元泵浦发射出紫外激光，在***光学结构中以入射45度角依次经过第一全反射镜片6、第二全反射镜片7，并同样以入射45度角至转镜8中心。转镜8连接的转台接收到时序控制单元发射的数字信号，完成激光束在空间上水平和垂直两个方向的步进式扫描并返回步长脉冲信号输出至***。
植被场景中接收到紫外激光，在植被内部光反应中心基于激光诱导荧光机制产生特征性荧光。转镜8接收到的光信号包含紫外激发光回波和植被特征连续谱荧光信号。转镜8通过大视场反射接收进入光学望远镜9视场中的光信号聚焦于镜焦平面。在光学望远镜接收出口，基于二向色镜片10在不同波段的反射、透射特性，分离出紫外激光回波信号输出至测距单元，并透射荧光连续谱信号至耦合光纤。
来自于激光发射单元的紫外激光作用于植被表面，产生了特征荧光，其紫外激光回波和荧光信号在空间上的传输并不是单方向的。这种回波信号的后向散射和荧光的散射特性在空间分布上是有规律的。各方向上的回波信号会被转镜8的大视场接收到并反射到光学望远镜9的视场中。全反射镜7正好处于光学望远镜9的视场中心，但是望远镜这边的接收视场中心小圆场本身就是不透光的，所以前面放置全反射镜片7没有影响。聚焦的作用是方便之后做光纤耦合。
所述接收探测单元4包括光学望远镜9、二向色镜片10、耦合光纤、光学分光模块和光电探测器19、23。光学分光模块包括第一分光滤光片16、第二分光滤光片20、第一窄带滤光片17、第二窄带滤光片21、第一聚焦透镜18和第二聚焦透镜22。
参见图4，本发明实施例的一种植被探测双通道荧光激光雷达***接收探测单元包括图2中光学望远镜9，二向色镜片10，耦合光纤、以及光学分光模块和相应提供双通道探测的光电探测器。光学分光模块包括第一分光滤光片16、第二分光滤光片20、第一窄带滤光片17、第二窄带滤光片21、第一聚焦透镜18和第二聚焦透镜22；光电探测器包括第一光电探测器19和第二光电探测器23。
光学望远镜9聚焦于耦合光纤的耦合入口处，二向色镜片10设置在光学望远镜9和耦合光纤的耦合入口之间，光学望远镜9与耦合光纤之间通过二向色镜片10反射紫外光回波输出至测距单元，也防止强光对探测器造成损害。由耦合光纤耦合出射连续谱荧光信号，通过第一分光滤光片16透射并进入第一窄带滤光片17滤得685nm波长荧光，经第一聚焦透镜18进入第一光电探测器19；经第一分光滤光片16的反射光线入射第二分光滤光片20反射并进入第二窄带滤光片21滤得740nm荧光，经第二聚焦透镜22进入第二光电探测器23。第一光电探测器19和第二光电探测器23对两通道单波段信号光电模数转换采集并输出。所述测距单元3包括雪崩光电二极管12、窄带滤光片13、高速采集器14和计数器15，其中雪崩光电二极管12、高速采集器14和计数器15依次连接，紫外激光回波经窄带滤光片13射入雪崩光电二极管12。雪崩光电二极管12简称APD。
参见图3，本发明实施例的一种植被探测双通道荧光激光雷达***测距单元包括雪崩光电二极管12、窄带滤光片13、高速采集器14和计数器15。第三方数字延时发生器11连接雪崩光电二极管12可触发光电探测，同时雪崩光电二极管12接收来自探测接收单元4中二向色镜片10分离反射后经窄带滤光片13过滤的紫外光回波。雪崩光电二极管12连接高速采集器14和计数器15，对激光脉冲波形进行采集并记录。
所述时序控制单元5包括，第三方数字延时发生器11和BNC连线，时序控制单元的第三方数字延时发生器11通过BNC连线输出4路通道TTL幅值脉冲信号，分别连接到激光发射单元1的激光模块、扫描单元2的电控箱、测距单元3的雪崩光电二极管12和接收探测单元4里的光电探测器19、23。可以连接到各部分的外部接口，输出数字脉冲信号，在时间序列上完成***距离探测、转镜扫描和双通道探测器光电转换***动作，并记录植被目标距离、转镜运动步长和685nm、740nm双波长荧光信号的积分强度。
实施例中，时序控制单元中的第三方数字延时发生器11发射脉冲信号触发测距单元中雪崩光电二极管12开始探测。紫外激光通过***光学结构、扫描单元发射至植被目标，其后向散射信号进入接收探测单元经二向色镜片10反射至测距单元。紫外光回波经窄带滤光片13进入雪崩光电二极管12。与雪崩光电二极管12连接的高速采集器14对光电信号进行采集，通过计数器15将紫外光回波信号的时间间隔转化为距离信息，完成对单点的距离测量。
具体实施时，时序控制单元5连接激光发射单元1、扫描单元2、测距单元3和接收探测单元4，发射数字信号，完成以一定的时间顺序控制***动作的目的。时序控制单元依靠第三方数字延时发生器11构建多通道的时序控制，控制***依次对植被场景中单点的距离和双通道荧光强度进行探测并记录。时序控制单元的第三方数字延时发生器11通过BNC连线输出4路通道TTL幅值脉冲信号至各单元。***扫描至单点时，激光发射单元中的激光模块收到通道1脉冲信号泵浦并倍频分光发射紫外激光。通道2、3连接测距单元和接收探测单元在设置经过短暂的时间延迟之后，雪崩光电二极管12和光电探测器19、23分别同时探测紫外回波信号和荧光双通道信号。通道4连接扫描单元中的电控箱，在经过又一段时间延迟之后输出脉冲触发电控箱控制转台旋转，使***扫描至下一点。时序控制单元控制的各单元执行***动作返回的逐点的距离值、双通道荧光强度值和转镜步进运动步长值都记录并输出至***。
各部分建议优选采用的产品型号为：激光器包括激光模块、倍频模块和分光模块，优选型号：Surelite I-20。雪崩光电二极管11优选产品型号：Thorlabs APD410A2/M。高速采集器13优选型号：Teledyne SP Devices ADQ412。计数器14优选型号：NationalInstruments PXIe-6612。光电探测器18、20优选型号：Licel SP32-200-2758。旋转台优选型号：Zolix Rauk100、Rauk200。电控箱优选型号：Zolix MC600-2B。第三方数字延时发生器11优选型号：Stanford Research Systems DG645。转镜8优选型号：Zolix TFAEFL-300S06-P。
本发明采用以上方案可以实现一体化监测植被的空间结构和生理状态信息，可形成以点云为形式和基础的植被荧光成像。这种植被探测双通道荧光激光雷达***形成了三维空间特征和双波长荧光光谱特征为一体的植被点云荧光数据，可完成对植被目标的点云荧光光谱成像，实现对植被目标生理状态的空间表征。
以上所述的实施例仅仅是对发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方法作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种植被探测双通道荧光激光雷达***，包括激光发射单元、测距单元、扫描单元、接收探测单元和时序控制单元，时序控制单元分别连接激光发射单元、测距单元、扫描单元和接收探测单元，其特征在于：激光发射单元发射紫外激光，同时作为植被荧光的激发光和测距单元的测距激光；
激光发射单元产生紫外激光并经扫描单元发射，接收探测单元将紫外激光回波分离输出至测距单元，接收探测单元自身处理荧光信号；
所述接收探测单元包括光学望远镜、二向色镜片、耦合光纤以及光学分光模块和相应提供双通道探测的光电探测器，采用光学望远镜实现光学聚光，采用二向色镜片分离紫外激光回波并透射荧光信号，由耦合光纤耦合后，经光学分光模块分别进入两个植被荧光特征波段对应的光电探测器。
2.根据权利要求1所述植被探测双通道荧光激光雷达***，其特征在于：紫外激光发射光轴与接收探测单元中光学望远镜中轴线重合。
3.根据权利要求2所述植被探测双通道荧光激光雷达***，其特征在于：扫描单元中设置转镜。
4.根据权利要求3所述植被探测双通道荧光激光雷达***，其特征在于：所述转镜采用铝膜全反射镜。
5.根据权利要求2所述植被探测双通道荧光激光雷达***，其特征在于：二向色镜片置于光学望远镜聚合口后，与光学望远镜中轴线呈135度放置。
6.根据权利要求1所述植被探测双通道荧光激光雷达***，其特征在于：所述两个植被荧光特征波段为685nm和740nm。
7.根据权利要求3或4或5或6所述植被探测双通道荧光激光雷达***，其特征在于：测距单元通过时序控制单元外部触发接收紫外激光回波，接收探测单元中光学望远镜接收并分离紫外测距回波输出至测距单元，激光出射时入射扫描转镜中心反射至植被目标以转镜所在转台转动实现扫描，测距单元的距离数据和扫描单元的扫描角度脉冲共同构成植被三维空间结构数据。
8.根据权利要求7所述植被探测双通道荧光激光雷达***，其特征在于：时序控制单元输出数字脉冲信号，在时间序列上完成距离探测、转镜扫描和双通道探测器光电转换动作，并记录植被目标距离、转镜运动步长和双波长荧光信号的积分强度。
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