一种收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统

本申请涉及成像激光雷达领域，特别是涉及一种收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统。

背景技术：

1、目标检测与识别技术在遥感、遥测、安全监测等领域发挥着重要作用。目前主要的技术手段中，激光雷达技术可以通过主动式测距获取目标的高分辨率三维信息，这对于在复杂环境中快速定位目标有着很大的优势。然而，激光雷达技术本身缺乏光谱特征数据，这限制了其在揭示伪装目标方面的能力；被动高光谱成像技术能够提供连续窄波段的图像数据，这些数据包含了丰富的化学成分信息，有助于识别不同材料的特征。特别是在伪装目标识别方面，高光谱技术能够通过分析伪装材料的光谱曲线来识别材料种类；偏振成像技术，可以进一步获取与表面纹理、粗糙度、材料介电常数等有关的物理性质信息，这对于提高目标识别的精度至关重要。因此，如何将主被动成像技术有效的结合起来成为了人们的研究热点和亟待解决的难题。

2、高光谱偏振成像激光雷达技术结合了高光谱偏振成像和激光雷达测距的优势，能够在同一平台上同时获取地物的三维结构信息和偏振光谱信息，这对于遥感领域的应用具有重要意义。然而，目前市面上的雪崩二极管（avalanche photo diode，apd）阵列探测单元较少，且数据量有限，通常只能实现几十个谱段的探测。这限制了高光谱激光雷达在复杂环境下的性能表现，因为它需要处理大量的光谱数据来进行有效的图像重建和分析。apd获得的高速模拟信号容易受到各种干扰，如电磁干扰、环境噪声等，这些因素都会影响到信号的质量，从而降低最终光谱图像的质量。这种低信噪比的情况使得从原始数据中提取有用信息变得更加困难，所以主被动结合的方法仍是实现空间信息与偏振光谱信息同时获取的有效方法。

3、当前常用的主被动结合方法主要是：将一台激光雷达和一台高光谱成像仪安装在同一个运载平台上进行同时观测，再通过复杂的处理算法进行数据同化。这种传统的共平台分置方法易于组装，但由于测量基准不统一，光轴的一致性和稳定性难以保证，两传感器测量指向的错位、误差传递放大、坐标系互不重合等在所难免，使得遥感目标远场一致性匹配精度较差甚至无法匹配。另外，两传感器分置，体积、重量、功耗难以实现公用，且庞大的空间、功耗、载重开销也是飞行载体如空中飞行器和空间飞行器难以解决的。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统，以解决高光谱成像与激光远场光斑的一致性匹配问题和系统体积庞大、重量大的问题。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、本申请提供了一种收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统，所述收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统包括：激光发射单元、离轴三反望远单元、分光单元、激光测距单元和成像单元；

4、激光发射单元，用于发射激光信号；

5、离轴三反望远单元，位于所述激光信号的出射光路上，用于将所述激光信号反射到探测目标上，形成混合信号，并将所述混合信号反射进入所述分光单元；所述混合信号包括激光回波信号和可见光信号；所述可见光信号为所述激光信号反射到所述探测目标上形成的携带探测目标的高光谱偏振信息的信号；

6、所述分光单元，位于所述混合信号的出射光路上，用于将所述混合信号分离，形成不同方向的两路信号；其中，一路信号为激光回波信号，另一路信号为可见光信号；

7、所述激光测距单元，位于所述激光回波信号的出射光路上，用于接收所述激光回波信号并对所述激光回波信号进行探测，得到探测目标的距离信息；

8、所述成像单元，位于所述可见光信号的出射光路上，用于接收所述可见光信号并对所述可见光信号进行探测，得到探测目标的高光谱图像和偏振图像。

9、可选地，所述激光发射单元包括激光器、扩束镜、第一反射镜和二维扫描转镜；所述激光器、所述扩束镜和所述第一反射镜位于同一光路上，所述二维扫描转镜位于与所述第一反射镜所在的光路垂直的光路上；

10、所述激光器发射激光信号，所述激光信号经过所述扩束镜扩束后经所述第一反射镜反射到达所述二维扫描转镜，并经过所述二维扫描转镜扫描偏转，进入所述离轴三反望远单元。

11、可选地，所述分光单元包括：分色片、第二反射镜和狭缝；所述分色片位于所述混合信号的出射光路上，所述第二反射镜位于所述可见光信号的出射光路上，所述狭缝位于所述第二反射镜的出射光路上；

12、所述激光回波信号和所述可见光信号经过所述分色片被分离成两路，所述激光回波信号进入所述激光测距单元，所述可见光信号经过所述第二反射镜折转至狭缝，并经过所述狭缝后被所述成像单元接收。

13、可选地，所述激光测距单元为光电探测器。

14、可选地，所述光电探测器为单元apd探测器、单元pmt探测器、阵列apd探测器或阵列pmt探测器。

15、可选地，所述成像单元包括offner分光子系统和成像探测器；所述offner分光子系统位于所述狭缝与所述成像探测器之间；

16、所述可见光信号经过所述offner分光子系统被分成多个光谱通道的光信号，所述成像探测器对不同光谱通道的光信号进行探测，得到对应的高光谱图像和偏振图像。

17、可选地，所述offner分光子系统为凸面光栅同心结构成像光谱仪。

18、可选地，所述激光器为半导体激光器或光纤激光器。

19、根据本申请提供的具体实施例，本申请公开了以下技术效果：

20、本申请提供了一种收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统，使激光发射和接收部分与高光谱成像部分共用离轴三反望远单元，实现了收发共孔径，进而提升了系统小型化和轻量化的水平；并通过分色片将可见光信号与激光回波信号分离开，将线扫描高光谱成像和激光测距光路一体化，从光学结构上实现高光谱－激光雷达成像视场和像元匹配，实现了高光谱信息、偏振信息和距离信息的同步探测，实现高光谱偏振影像和激光雷达点云在时空上的精准匹配，有效解决高光谱偏振成像与激光远场光斑的一致性匹配问题；另外，为了更有效、更准确地获取信息，在高光谱遥感任务中采用了offner分光单元，其具有简单和紧凑的配置，进一步提升系统的紧凑性。

1.一种收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统，其特征在于，所述收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统包括：激光发射单元、离轴三反望远单元、分光单元、激光测距单元和成像单元；

2.根据权利要求1所述的收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射单元包括激光器、扩束镜、第一反射镜和二维扫描转镜；所述激光器、所述扩束镜和所述第一反射镜位于同一光路上，所述二维扫描转镜位于与所述第一反射镜所在的光路垂直的光路上；

3.根据权利要求1所述的收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统，其特征在于，所述分光单元包括：分色片、第二反射镜和狭缝；所述分色片位于所述混合信号的出射光路上，所述第二反射镜位于所述可见光信号的出射光路上，所述狭缝位于所述第二反射镜的出射光路上；

4.根据权利要求1所述的收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统，其特征在于，所述激光测距单元为光电探测器。

5.根据权利要求4所述的收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统，其特征在于，所述光电探测器为单元apd探测器、单元pmt探测器、阵列apd探测器或阵列pmt探测器。

6.根据权利要求3所述的收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统，其特征在于，所述成像单元包括offner分光子系统和成像探测器；所述offner分光子系统位于所述狭缝与所述成像探测器之间；

7.根据权利要求6所述的收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统，其特征在于，所述offner分光子系统为凸面光栅同心结构成像光谱仪。

8.根据权利要求2所述的收发共孔径的高光谱偏振成像激光雷达系统，其特征在于，所述激光器为半导体激光器或光纤激光器。