基于成像原理的多光谱激光雷达系统及测量方法

本发明属于激光雷达，特别是涉及一种基于成像原理的多光谱激光雷达系统及测量方法。

背景技术：

1、植被作为生物圈中的重要成分，在为人类提供丰富的农产品的同时，通过固定二氧化碳，防风固沙等多种功能实现气候的改善。在农业领域，众多作物的全基因组测序已经被实现，对作物的育种具有较为深远的意义。但是，可实现植物高通量表型的设备的发展缓慢，成为全基因组关联研究发展的瓶颈。

2、基于图像的被动遥感技术被最早应用于植物表型应用。通过被动采集目标植物的多/高光谱图像，可实现如叶面积指数、植被覆盖度等表型信息的获取。得力于各种成像传感器的蓬勃发展，使其具有稳定、集成、性价比高等优势。但其缺乏植物关键的三维结构信息，不能满足研究需要。双目成像、运动结构成像等立体视觉方法可同步获取光谱信息和三维信息，但其对环境要求较高且算法复杂，无法满足应用所需。

3、光探测与测距(lidar，激光雷达)作为一种主动遥感技术，具有高空间分辨率，高可重复性等优势，可用来获取植被的三维形貌。但其只采集距离信息或单波长的强度信息，缺乏与植物的生化参数、受胁迫情况等高度相关的光谱信息。通过将多/高光谱图像数据与激光雷达点云融合也可实现光谱信息和三维信息的同步采集。但因其数据分别从两类设备获取，导致数据维度不同，无法实现完全匹配。

4、多/高光谱激光雷达作为一种新型设备，因其能实现光谱信息和三维信息的同步采集，已被用来实现植物表型研究。

5、i.h.woodhouse et al.,“amultispectral canopy lidar demonstratorproject,”ieee geosci.remote sens.lett.,vol.8,no.5,pp.839-843,2011.中，通过搭载nd:yag脉冲激光器和波长转换系统，采用时分复用技术，实现531nm、550nm、660nm和780nm波长的输出，利用硅光电二极管和放大器接收，搭建了一台四波长多光谱激光雷达系统。其可利用光谱指数实现植物冠层的扫描。因其四个激光波长并非同步发出，无法实现高速扫描测量。

6、w.gong,et.al.,“multi-wavelength canopy lidar for remote sensing ofvegetation:design and system performance,”isprs j.photogramm.remote sens.,vol.69,pp.1-9,feb.2012.中，由四个波长(556nm、670nm、700nm、780nm)的半导体激光器组成发射端，4个光电倍增管搭配窄带滤光片组成信号接收端，配合一组635nm的激光测距模块组成多光谱激光雷达。配合植被指数ndvi实现植物叶片氮含量预估，准确率达82％。但其测距模块与光谱模块的光路并不完全重合，且因信号接收端设备原因无法较好的实现小型化和一体化，且无法实现室外日间环境应用。

7、b.c.budei,et.al.,“identifying the genus or species of individualtrees using athree-wavelength airborne lidar system,”remote sens.environ.,vol.204,pp.632-647,oct.2018.中，作为2014年发布的全球首台商用的多光谱激光雷达，通过搭载1550nm、1064nm和532nm等三台激光器作为激光发射端，2900万像素的数码相机作为接收端，安装在航空飞机上采集数据，结合随机森林算法和光谱指数，对森林中树木的分类准确率可达75％以上。因发射的三束激光并不重合，其并不属于真正意义上的多光谱激光雷达系统。并且其体积庞大、成本高昂，需要配合航空飞机才可使用，无法满足应用需要。

8、s.kaasalainen,et.al.,“uncertainty in multispectral lidar signalscaused by incidence angle effects,”interface focus,vol.8,no.2,pp.20170033,apr.2018中，利用可发射400-2200nm超连续谱脉冲激光器，配合雪崩光电二极管(apd)阵列，搭建了具有八个独立通道的高光谱激光雷达系统。通过结合常见的植被指数，实现了对植物叶绿素含量的估计，与实验室常规方法测量结果进行线性拟合，拟合的决定系数(r2)可达0.88。但其系统采用的超连续谱脉冲激光器和apd阵列导致系统成本上升，结构复杂，也无法开展实际的农林业应用。

9、现有系统普遍采用脉冲激光器和高灵敏度的光电探测器阵列，导致一系列的应用问题，例如，只能采用点扫描模式，扫描效率低，稳定性较差；近场扫描精度不足；随光谱通道数量增多，系统成本严重增高，不适合现场应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于成像原理的多光谱激光雷达系统及测量方法，以解决光谱信息与三维信息同步获取困难，成本高，系统复杂的问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案：

3、一种基于成像原理的多光谱激光雷达系统，包括发射装置、信号处理装置、接收装置以及成像装置；

4、所述发射装置，与所述信号处理装置相连接，用于根据所述信号处理装置生成的时序信号周期性输出与停止输出激光束；

5、所述信号处理装置，与所述成像装置相连接，用于根据所述成像装置产生的曝光时钟信号生成时序信号，以及根据所述成像装置输出的图像信号，确定空间中不同距离处物体的不同光谱波段的回波信号；所述回波信号用于对空间中的物体实现三维信息重构，并通过光谱信息实现典型目标物的分类及植物重要生化参数反演(如叶绿素含量、水含量等)；

6、所述接收装置用于接收物体回波信号并实现各波段信号的分光；所述物体回波信号被所述接收装置接收后入射到所述成像装置；所述物体回波信号是根据所述发射装置周期性输出与停止输出激光束发射到空间中，经过光路上第一个阻挡光传播的平面的吸收、反射与散射之后得到的，其中主要体现为物体对发射装置所发射激光的反射率。

7、可选的，所述发射装置，具体包括：第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第四激光发射器、第一二向色滤光片、第二二向色滤光片、第三二向色滤光片、半导体激光器驱动电路、整型装置以及发射装置安装调节板；所述第一激光发射器发出的激光束与所述第二激光发射器发出的激光束经过所述第一二向色滤光片合束后射出，与所述第三激光发射器发出的激光束经过所述第二二向色滤光片合束后射出，与所述第四激光发射器发出的激光束经过所述第三二向色滤光片合束后射向所述整型装置，经所述整型装置将激光束转换为扇形激光片并射向空间中，所述发射装置的其他零件安装在所述发射装置安装调节板上实现统一调节；

8、可选的，所述激光发射器包括半导体激光器和准直透镜；

9、可选的，所述半导体激光器的发射波长根据应用需要选择，应与所述二向色滤光片的透射或反射波段匹配；

10、可选的，所述整型装置为鲍威尔棱镜或柱透镜。

11、所述半导体激光器驱动电路，分别与四个所述激光发射器以及所述信号处理装置中的时序控制模块相连接，用于根据所述时序信号驱动所述激光发射器周期性输出所述激光束以及停止输出激光束；

12、可选的，所述信号处理装置包括计算机和时序控制模块；

13、所述计算机，分别与所述成像装置和所述时序控制模块相连接，用于接收所述成像装置输出的所述图像信号并结合载具姿态、速度等信息转换为空间中物体的三维信息与各光谱通道的反射率信息，以及根据所述曝光时钟信号生成时序控制信号；

14、所述时序控制模块，与所述成像装置连接，用于采集所述成像装置产生的所述曝光时钟信号实现所述成像装置的同步采集，以及根据所述时序控制信号生成所述时序信号。

15、可选的，所述接收装置包括：接收透镜、第四二向色滤光片、第五二向色滤光片、第六二向色滤光片、第一滤光片、第二滤光片、第三滤光片、第四滤光片；

16、可选的，所述成像装置包括：第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器、第四图像传感器；

17、所述物体回波信号经过所述接收透镜后，被所述第四二向色滤光片分光。经所述第四二向色滤光片反射的光束被所述第五二向色滤光片分光，一束经所述第一滤光片，被所述第一图像传感器接收；一束经所述第二滤光片，被所述第二图像传感器接收。经所述第四二向色滤光片透射的光束被所述第六二向色滤光片分光，一束经所述第三滤光片，被所述第三图像传感器接收；一束经所述第四滤光片，被所述第四图像传感器接收。

18、一种基于成像原理的多光谱激光雷达测量方法，包括：

19、根据所述成像装置产生的曝光时钟信号生成所述时序信号；

20、根据所述时序信号周期性输出激光束及停止输出激光束；

21、将所述周期性输出的激光束及停止输出激光束发射到空间中，被光路上第一个阻挡光传播的平面的吸收、反射与散射之后，生成物体回波信号；

22、所述物体回波信号，经所述成像装置分光后获得四个波段的图像信号；根据所述图像信号可确定被测物体的二维轮廓信息、各波段的反射率信息及背景信号；

23、可选的，将所述多光谱激光雷达系统搭载在地面云台、无人机或单向传动通道上方，实现对空间中物体的推扫，根据所选载具的空间位置，结合几何关系即可获得被测物体的空间三维信息；

24、根据被测物体的空间三维信息及各部分在各波段的反射率信息，实现典型目标物的分类及植物重要生化参数反演。

25、根据所述时序信号周期性输出激光束及停止输出激光束，具体包括：

26、根据所述时序信号的电平状态，驱动发射装置输出激光束及停止输出激光束；所述电平状态包括高电平信号和低电平信号。

27、本发明的技术效果：本发明提供一种基于成像原理的多光谱激光雷达系统及测量方法，利用接收装置接收并分离不同光谱波段的物体回波信号并入射至对应的成像装置；成像装置产生曝光时钟信号，以及输出图像信号；与成像装置连接的信号处理装置根据曝光时钟信号产生时序信号，并且信号处理装置根据图像信号可确定被测物体的二维轮廓信息、各波段的反射率信息；结合载具或目标的移动，可实现目标三维信息的重构；发射装置根据时序信号，周期性输出多波段共光路的激光束及停止输出激光束，激光束经整型装置后形成扇形光片照射在空间中，经过光路上第一个阻挡光传播的平面的吸收、反射与散射之后，产生物体回拨信号被接收装置接收。利用成像方法实现的距离探测可通过成像装置实现光谱信息的同步探测，在描述物体三维信息的同时，通过光谱信息实现典型目标物的分类及植物重要生化参数反演，并且极大程度的简化了系统，同时降低了成本。