一种偏振光谱成像激光雷达系统

1.本发明属于成像激光雷达领域，更具体地，涉及一种偏振光谱成像激光雷达系统。


背景技术：

2.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。如何有效地提高目标识别率也是目标检测研究的关键。随着自然背景的快速变化和伪装手段的日益复杂，检测的难度也越来越大。由于环境影响大、信息量小，传统的强度成像检测受到很多限制。
3.近年来，随着光电技术的不断进步和发展，出现了许多先进的目标信息检测技术(如中国发明专利《空间自调焦激光差动共焦拉曼光谱成像探测方法与装置》申请号201711464498.7)。例如，通过光谱成像技术可以获得被测物体的光谱信息，进而获得其化学成分特征；利用偏振成像技术可以获得被测物体的偏振信息，进而获得与表面纹理、粗糙度、材料介电常数等有关的物理性质。偏振光谱成像技术是偏振成像技术与光谱成像技术有效结合的产物。一般来说，它可以通过在偏振成像仪中添加色散元件或在光谱成像仪中添加偏振元件来实现。然后，这种偏振光谱成像仪系统存在较多的光学器件，其结构过于复杂，体积过于庞大，限制了其应用。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种偏振光谱成像激光雷达系统。本发明简化传统偏振光谱成像系统的结构，提升系统集成度。
5.本发明的技术方案是：一种偏振光谱成像激光雷达系统，包括宽带光源，准直镜，第一聚焦透镜，二维扫描振镜，成像物体，望远镜，光纤准直器，光纤，电动偏振控制器，倾斜光纤光栅，第二聚焦透镜，阵列探测器,其特征在于：宽带光源产生激光经过准直镜、第一聚焦透镜后照射在二维扫描振镜上，经过二维扫描振镜反射照在成像物体上，成像物体反射的光经过望远镜采集后进入光纤准直器，通过光纤传输至电动偏振控制器，经过电动偏振控制器偏振态调制后进入倾斜光纤光栅，倾斜光纤光栅衍射到自由空间；第二聚焦透镜将自由空间中的波长衍射光聚焦通过阵列探测器探测聚焦后的衍射光。
6.根据如上所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：还包括封装外壳，宽带光源、准直镜、第一聚焦透镜平行放置于封装外壳内部的后方一侧，准直镜位于宽带光源出光口处左方5cm位置，第一聚焦透镜位于准直镜左方5cm处，二维扫描振镜位于第一聚焦透镜左方20cm处，望远镜、光纤准直器、光纤、电动偏振控制器平行放置于封装外壳内的中部，光纤准直器位于望远镜左方10cm处，电动偏振控制器位于光纤准直器左方10cm处，由光纤进行连接；倾斜光纤光栅固定在封装外壳内左侧，第二聚焦透镜与阵列探测器平行放置于封装外壳内部的前方一侧，第二聚焦透镜位于倾斜光纤光栅右方20cm处，阵列探测器位于第二聚焦透镜右方20cm处。
7.根据如上所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：阵列探测器接收
到光信号后对其进行光谱计算和平均功率计算，计算得到光谱信息λ和平均功率pn(θ)。
8.根据如上所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：对每次偏振调制后计算得到的平均功率进行傅里叶分析，得出abcd四个系数，由此再算出斯托克斯参数s0,s1,s2,s3，
9.。
10.根据如上所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：宽带光源产生的激光后，通过驱动扫描振镜使成像物体的某一成像点回波信号进入光纤传输，之后通过驱动电动偏振控制器进行偏振调制，使其旋转θ度。
11.根据如上所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：还包括偏振调制定标装置，偏振调制定标装置包括宽带光源、电动偏振控制器、倾斜光纤光栅、第二聚焦透镜、阵列探测器、耦合器和偏振分析仪，宽带光源产生激光后经过电动偏振控制器偏振态调制后经过耦合器分为两路，一路输入偏振分析仪，另一路输入倾斜光纤光栅，倾斜光纤光栅衍射到自由空间；第二聚焦透镜将自由空间中的波长衍射光聚焦通过阵列探测器探测聚焦后的衍射光。
12.根据如上所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：制定标装置的绘制偏振调制定标曲线，生成的偏振调制定标曲线用于矫正偏振调制的旋转角度得到正确的θ。
13.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
14.(1)本发明使用电动偏振控制器和倾斜光纤光栅代替传统偏振光谱成像系统中的偏振调制模块和色散模块，电动偏振控制器的偏振调制特性和倾斜光纤光栅的单偏振特性可实现偏振信息的测量，而倾斜光纤光栅的色散特性又可单独实现光谱信息的测量。
15.(2)本发明整个偏振光谱成像激光雷达系统，系统体积小，结构简单。
16.总而言之，本发明的偏振光谱成像激光雷达系统，整个装置的体积小，组成简单，不易受外界振动等因素的干扰，方便大规模生产和集成。
附图说明
17.图1是本发明所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统的结构图。
18.图2是本发明所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统的成像流程图。
19.图3是本发明所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统的偏振调制定标系统图。
20.图4是本发明所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统的装置实例图。
21.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
22.宽带光源1、准直镜2、第一聚焦透镜3、二维扫描振镜4、成像物体5、望远镜6、光纤准直器7、光纤8、电动偏振控制器9、倾斜光纤光栅10、第二聚焦透镜11、阵列探测器12、耦合器13、偏振分析仪14、封装外壳15。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
24.如图1和图4所示，本发明提出的一种偏振光谱成像激光雷达系统，包括宽带光源1，准直镜2，第一聚焦透镜3，二维扫描振镜4，成像物体5，望远镜6，光纤准直器7，光纤8，电动偏振控制器9，倾斜光纤光栅10，第二聚焦透镜11，阵列探测器12。本发明使用电动偏振控制器9和倾斜光纤光栅10代替传统偏振光谱成像系统中的偏振调制模块和色散模块，相比之下整个装置的体积小，组成简单，不易受外界振动等因素的干扰，方便大规模生产和集成。宽带光源1产生激光经过准直镜2、第一聚焦透镜3后照射在二维扫描振镜4上，经过二维扫描振镜4反射照在成像物体5上，成像物体5反射的光经过望远镜6采集后进入光纤准直器7，通过光纤8传输至电动偏振控制器9，经过电动偏振控制器9偏振态调制后进入倾斜光纤光栅10，倾斜光纤光栅10衍射到自由空间；第二聚焦透镜11将自由空间中的波长衍射光聚焦通过阵列探测器12探测聚焦后的衍射光。
25.宽带光源1，用于产生宽带激光。
26.准直镜2，用于将宽带光源产生的输入光在自由空间中进行准直。
27.第一聚焦透镜3，用于将准直后的输入光聚焦。
28.二维扫描振镜4，用于在二维方向上将输入光反射到成像物体上。
29.成像物体5,用于被测成像。
30.望远镜6，用于将成像物体反射的光聚焦到光纤准直器上。
31.光纤准直器7，用于将望远镜聚焦的光耦合进光纤传输。
32.光纤8，用于传输成像物体的单点回波光信号。
33.电动偏振控制器9，用于对光纤内传输的信号光进行偏振态调制，测量回波光信号斯托克斯参数。
34.倾斜光纤光栅10，用于将输入光以波长相关的衍射角衍射到自由空间；第二聚焦透镜11，用于将自由空间中的波长相关的衍射光在聚焦，并将聚焦后的衍射光入射至阵列探测器；阵列探测器12，用于探测聚焦后的衍射光，并进行光谱计算和偏振计算。
35.宽带光源1发出宽带激光至自由空间之后，由准直镜2和第一聚焦透镜3将其在自由空间上进行准直和聚焦，之后入射至二维扫描振镜4，由二维扫描振镜将聚焦光束反射至成像物体5表面，之后产生回波信号，由望远镜6接收并聚焦至光纤准直器7，光纤准直器7将自由空间的回波信号光耦合进光纤8进行传输，回波信号光由电动偏振控制器9进行偏振调制，之后由倾斜光纤光栅10将其以波长相关的衍射角衍射到自由空间中，再由第二聚焦透镜11将不同波长的衍射光聚焦到阵列探测器12上。
36.如图4所示，为本发明提出的一种偏振光谱成像激光雷达系统的装置实例图，包括
宽带光源1，准直镜2，第一聚焦透镜3，二维扫描振镜4，成像物体5，望远镜6，光纤准直器7，光纤8，电动偏振控制器9，倾斜光纤光栅10，第二聚焦透镜11，阵列探测器12，封装外壳15。其中黑色箭头代表信号光，为了使表述清楚，以封装外壳15的前、后、左、右、上、下六个面作为方向来描述。宽带光源1、准直镜2、第一聚焦透镜3平行放置于封装外壳15内部的后方一侧，准直镜2位于宽带光源1出光口处左方5cm位置，第一聚焦透镜3位于准直镜2左方5cm处，二维扫描振镜4位于第一聚焦透镜3左方20cm处。望远镜6、光纤准直器7、光纤8、电动偏振控制器9平行放置于封装外壳15内的中部，光纤准直器7位于望远镜6左方10cm处，电动偏振控制器9位于光纤准直器7左方10cm处，由光纤进行连接。倾斜光纤光栅10固定在封装外壳15内左侧，第二聚焦透镜11与阵列探测器12平行放置于封装外壳15内部的前方一侧，第二聚焦透镜11位于倾斜光纤光栅10右方20cm处，阵列探测器12位于第二聚焦透镜11右方20cm处。本发明的实物最终组装后尺寸不超过50cm
×
50cm
×
30cm(长宽高),使系统体积小。
37.如图2所示，为本发明提出的一种偏振光谱成像激光雷达系统的成像流程图。宽带光源产生的激光后，通过驱动扫描振镜使成像物体的某一成像点回波信号进入光纤传输，该成像点坐标记录为(x,y)，之后通过驱动电动偏振控制器进行偏振调制，使其旋转θ度，为了计算斯托克斯参量，需要从0
°
到180
°
之间选取间隔相同的至少八个角度测量功率，以保证计算的准确性，因此θ取值应满足：θ《22.5
°
，其中θ取值越小，需要的总旋转次数越多，计算精度准确度高。偏振调制后的光信号由倾斜光纤光栅衍射到自由空间中，并由阵列探测器接收，之后计算光谱信息和平均功率pn(θ)，判断当前偏转调制次数n是否大于总调制次数n，若未达到总调制次数，则进行改变电动偏振控制器的旋转角进行偏振调制，直至n＞n，之后根据n次调制的平均功率计算扫描振镜在成像物体该成像点的斯托克斯参量，计算公式如下：
[0038][0039]
其中a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)、d(x,y)分别代表第一、第二、第三、第三傅里叶系数，用于计算得到斯托克斯参量；s0(x,y)、s1(x,y)、s2(x,y)、s3(x,y)为四个斯托克斯参量，可用于完整地描述光的偏振态，分别代表总光强、水平偏振光强与垂直偏振光强之差、+45
°
偏振光强与-45
°
偏振光强之差、右旋圆偏振光强与左旋圆偏振光强之差。
[0040]
之后判断是否扫描完整个物体，若未扫完，重新回到第二步驱动扫描振镜，继续进行下一个成像点回波信号的光谱信息和斯托克斯参量。若已扫完整个物体，则根据所得的二维强度信息、光谱信息和偏振信息进行偏振光谱成像。
[0041]
如图3所示，为本发明提出的还包括用于一种偏振光谱成像激光雷达系统的偏振调制定标装置，定标装置用于对成像激光雷达系统的电动偏振控制器进行定标修正。偏振
调制定标装置包括宽带光源1，电动偏振控制器9，倾斜光纤光栅10，第二聚焦透镜11，阵列探测器12，耦合器13，偏振分析仪14，宽带光源1产生激光后经过电动偏振控制器9偏振态调制后经过耦合器13分为两路，一路输入偏振分析仪14，另一路输入倾斜光纤光栅10，倾斜光纤光栅10衍射到自由空间；第二聚焦透镜11将自由空间中的波长衍射光聚焦通过阵列探测器12探测聚焦后的衍射光。
[0042]
本实用发明的制定标装置工作过程为：宽带光源1发出宽带激光，经电动偏振控制器9进行偏振调制后由耦合器分为等功率的两路，每次偏振调制时电动偏振控制器旋转一个步进角度δθ在偏振分析仪上观察偏振变化，直至观察到一个变化周期。记录每次旋转步进角度δθ后的偏振变化程度δδ。最后以δδ为纵坐标，δθ为横坐标，用曲线将其拟合，绘制偏振调制定标曲线。生成的偏振调制定标曲线用于矫正上激光雷达系统偏振调制的旋转角度得到正确的θ。例如，假定确定好目标旋转角度θ为22.5
°
后，对应的偏振变化程度应为根据偏振调制定标曲线找到y轴值为处对应的x轴值，假定为23
°
，则实际控制一种偏振光谱成像激光雷达系统中电动偏振控制器的旋转角度就应为23
°
。该定标系统步骤的目的在于成像过程中使每次偏振调制时电动偏振控制器改变的偏振变化程度一致，定标后的偏振测量误差可降低到1％以下。

技术特征：
1.一种偏振光谱成像激光雷达系统，包括宽带光源，准直镜，第一聚焦透镜，二维扫描振镜，成像物体，望远镜，光纤准直器，光纤，电动偏振控制器，倾斜光纤光栅，第二聚焦透镜，阵列探测器,其特征在于：宽带光源产生激光经过准直镜、第一聚焦透镜后照射在二维扫描振镜上，经过二维扫描振镜反射照在成像物体上，成像物体反射的光经过望远镜采集后进入光纤准直器，通过光纤传输至电动偏振控制器，经过电动偏振控制器偏振态调制后进入倾斜光纤光栅，倾斜光纤光栅衍射到自由空间；第二聚焦透镜将自由空间中的波长衍射光聚焦通过阵列探测器探测聚焦后的衍射光。2.根据权利要求1所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：还包括封装外壳，宽带光源、准直镜、第一聚焦透镜平行放置于封装外壳内部的后方一侧，准直镜位于宽带光源出光口处左方5cm位置，第一聚焦透镜位于准直镜左方5cm处，二维扫描振镜位于第一聚焦透镜左方20cm处，望远镜、光纤准直器、光纤、电动偏振控制器平行放置于封装外壳内的中部，光纤准直器位于望远镜左方10cm处，电动偏振控制器位于光纤准直器左方10cm处，由光纤进行连接；倾斜光纤光栅固定在封装外壳内左侧，第二聚焦透镜与阵列探测器平行放置于封装外壳内部的前方一侧，第二聚焦透镜位于倾斜光纤光栅右方20cm处，阵列探测器位于第二聚焦透镜右方20cm处。3.根据权利要求1或2所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：阵列探测器接收到光信号后对其进行光谱计算和平均功率计算，计算得到光谱信息λ和平均功率p
n
(θ)。4.根据权利要求1或2所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：对每次偏振调制后计算得到的平均功率进行傅里叶分析，得出abcd四个系数，由此再算出斯托克斯参数s0,s1,s2,s3，。5.根据权利要求1或2所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：宽带光源产生的激光后，通过驱动扫描振镜使成像物体的某一成像点回波信号进入光纤传输，之后通过驱动电动偏振控制器进行偏振调制，使其旋转θ度。6.根据权利要求1或2所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：还包括偏振调制定标装置，偏振调制定标装置包括宽带光源、电动偏振控制器、倾斜光纤光栅、第二聚焦透镜、阵列探测器、耦合器和偏振分析仪，宽带光源产生激光后经过电动偏振控制器偏振态调制后经过耦合器分为两路，一路输入偏振分析仪，另一路输入倾斜光纤光栅，倾斜光纤光栅衍射到自由空间；第二聚焦透镜将自由空间中的波长衍射光聚焦通过阵列探测器探测聚焦后的衍射光。
7.根据权利要求6所述的一种偏振光谱成像激光雷达系统，其特征在于：制定标装置的绘制偏振调制定标曲线，生成的偏振调制定标曲线用于矫正偏振调制的旋转角度得到正确的θ。

技术总结
本发明属于成像激光雷达领域，更具体地，涉及一种偏振光谱成像激光雷达系统。宽带光源产生激光经过准直镜、第一聚焦透镜后照射在二维扫描振镜上，经过二维扫描振镜反射照在成像物体上，成像物体反射的光经过望远镜采集后进入光纤准直器，通过光纤传输至电动偏振控制器，经过电动偏振控制器偏振态调制后进入倾斜光纤光栅，倾斜光纤光栅衍射到自由空间；第二聚焦透镜将自由空间中的波长衍射光聚焦通过阵列探测器探测聚焦后的衍射光。本发明简化传统偏振光谱成像系统的结构，提升系统集成度。提升系统集成度。提升系统集成度。


技术研发人员：闫志君 宋青果 代雨泽 肖翔鹏 孙琪真
受保护的技术使用者：华中科技大学无锡研究院
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/4