用于對地形進行四維成像的條紋管紫外激光成像雷達探測系統及其成像方法技術方案

用于對地形進行四維成像的條紋管紫外激光成像雷達探測系統及其成像方法，涉及地貌勘察領域，解決了現有手段無法獲取地形高度信息、地形三維立體圖像的問題。該系統由條紋管四維像探測裝置和圖像處理單元組成，條紋管四維像探測裝置由激光器、發射光學單元、接收光學單元、條紋管探測器和ＣＣＤ相機組成；成像方法為：激光器輸出的激光束經發射光學單元擴束后，發射至目標地形表面，接收光學單元收集從目標地形表面返回的回波信號，并到達條紋管探測器的光電陰極上；再利用ＣＣＤ相機捕獲條紋管探測器熒光屏上的條紋像，通過圖像處理單元進行四維像重構，獲得目標地形表面的四維圖像。本發明專利技術可用于對地形高精度探測及實時測高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及地貌勘察領域，具體涉及一種激光成像雷達探測系統及成像方法。
技術介紹
目前，現有的對地形進行勘探的手段主要是被動成像方式，例如利用CCD成像或 紅外成像等。被動成像方式利用地面反射的自然光或自身輻射的紅外光，對目標地形表面 進行成像，從而獲取地貌信息。然而，被動成像方式的缺點是受環境因素影響大，即不同的 環境下，同樣的地形反射或自身輻射的特性卻不相同，夜間無光照溫度低導致工作效果差， 并且被動成像方式不能得到地形的三維距離信息和高度信息，其中高度信息是目標地形與 成像系統之間的高度距離。
技術實現思路
本專利技術的目的是解決現有成像方式不能獲取地形高度信息、無法得到地形三維立 體圖像的問題，提供了一種用于對地形進行四維成像的條紋管紫外激光成像雷達探測系統 及其成像方法。用于對地形進行四維成像的條紋管紫外激光成像雷達探測系統，它由條紋管四維 像探測裝置和圖像處理單元組成，所述條紋管四維像探測裝置由激光器、發射光學單元、接 收光學單元、條紋管探測器和CCD相機組成；激光器輸出的激光束入射至發射光學單元，然后由發射光學單元擴束后發射至目標地 形表面；經目標地形表面返回的光束由接收光學單元接收，然后聚焦到條紋管探測器的光電陰 極上；CCD相機捕獲條紋管探測器的熒光屏上的條紋像，并將捕獲的像發送至圖像處理單 元；圖像處理單元根據接收到的像進行四維像重構，獲得目標地形表面的四維圖像。如上述條紋管紫外激光成像雷達探測系統的成像方法，它的具體過程為 步驟一、激光器輸出一束激光束至發射光學單元，發射光學單元對所述激光束擴束，并將擴束后的激光束作為探測光發射至目標地形表面；步驟二、接收光學單元對從目標地形表面返回的激光回波信號進行收集，并將所述激 光回波信號聚焦至條紋管探測器的光電陰極上；步驟三、CCD相機捕獲條紋管探測器的熒光屏上的每一幅條紋像，并將捕獲的每一幅條 紋像發給圖像處理單元；步驟四、圖像處理單元根據接收到的條紋像進行四維像重構，最終獲得目標地形表面 的四維圖像。本專利技術的積極效果本專利技術的條紋管紫外激光成像雷達探測系統及其成像方法，利用具有高探測靈敏度的條紋管四維像探測裝置對目標地形表面進行成像，再利用圖像處理單元進行圖像處理后， 獲得高精度的地形四維像和高度信息，能夠實現對地形的大視場、高幀頻和高分辨率的探 測及實時測高。附圖說明圖1為本專利技術的條紋管紫外激光成像雷達探測系統的結構示意圖；圖2為具體實 施方式一中實施例的成像演示示意圖；圖3為實施方式二的成像方法的流程圖。具體實施例方式具體實施方式一結合圖1說明本實施方式，本實施方式的用于對地形進行四維 成像的條紋管紫外激光成像雷達探測系統，它由條紋管四維像探測裝置1和圖像處理單元 2組成，所述條紋管四維像探測裝置1由激光器11、發射光學單元12、接收光學單元13、條 紋管探測器14和(XD相機15組成；激光器11輸出的激光束入射至發射光學單元12，然后由發射光學單元12擴束后發射 至目標地形表面；經目標地形表面返回的光束由接收光學單元13接收，然后聚焦到條紋管探測器14的 光電陰極上；C⑶相機15捕獲條紋管探測器14的熒光屏上的條紋像，并將捕獲的像發送至 圖像處理單元2 ；圖像處理單元2根據接收到的像進行四維像重構，獲得目標地形表面的四 維圖像。所述目標地形表面的四維圖像包括目標地形表面的三維幾何圖像及強度像。所述激光器11可采用Nd:YAG三倍頻脈沖激光器，所述激光器11輸出的激光束的 波長為355nm、脈寬為10ns。發射光學單元12可為柱面透鏡組。在本實施方式中，發射光學單元12用于對激 光器11輸出的激光束進行擴束，擴束后得到一束扇形激光束，即對激光束在水平方向的擴 束程度要大于對其在垂直方向的擴束程度。條紋管探測器14可采用單狹縫條紋管，該單狹縫條紋管的動態空間分辨能力為 彡151. p. /mm，距離分辨能力為<0. 5m，最小可探測能量為10_15J/mm2。下面提供一個具體實施例參見圖2，將本專利技術的激光成像雷達探測系統Q裝載于飛機上，飛機飛行高度為100m， 飛行速度為300m/s，下視角0為60°，激光器11發射出一束波長為355nm紫外激光束，幀 頻為100Hz，則飛機對應每個激光脈沖間隔前進3m，即模糊距離dl=3m。激光器11輸出的激光束經過發射光學系統2后，水平擴束至20° (水平方向發散 角a )，垂直擴束至0.9° (垂直方向發散角)，激光光束展開為20° X0. 9°的扇形光束， 則照射在地面T上的光斑尺寸S為7. lmX3. lm。由于光斑寬度3. lm大于飛機每幀的前進 距離3m，所以可以對地形做到無漏點全覆蓋推掃成像。經地面的散射回波由接收光學系統13收集后，聚焦到條紋管探測器14的光電陰 極上，條紋管探測器14采用單狹縫條紋管。根據條紋管探測器14上不同時刻到來的回波信號的偏轉差異，能夠獲取目標距 離和高度信息(即激光成像雷達探測系統與目標之間的距離)。然后由(XD相機15記錄條紋管探測器14的熒光屏上的像，該圖像包含了地形的 三維幾何信息、高度信息和強度信息，至此，由條紋管四維像探測系統1完成了對地形四維 像原始數據的獲取。(XD相機15將獲取的圖像輸出至圖像處理單元2，然后圖像處理單元2對接收到 的圖像進行四維像重構、圖像噪聲濾除及地形目標增強等處理后，即可獲得地形的四維像 (三維幾何像+強度像)及地形的高度信息。其中，圖像處理單元2可采用高性能FPGA+DSP 實現。本專利技術提出的用于對地形進行四維成像的條紋管紫外激光成像雷達探測系統的 成像方式，屬于主動成像方式，利用355nm的紫外不可見激光照射地面，可獲得地形對該波 長激光的固有反射特性，且不受夜間無光照溫度低等因素的影響，因此夜間工作效果好。該 成像方式不僅可以獲得高精度、高分辨的地形三維幾何空間信息和反映地形材質的一維強 度信息，得到地形的四維像(三維幾何像+強度像)，同時還可以獲得地形的高度信息，這為 精確測繪地形提供了一種有力的手段。具體實施方式二 本實施方式是實施方式一的用于對地形進行四維成像的條紋管 紫外激光成像雷達探測系統的成像方法，它的具體過程為步驟一、激光器11輸出一束激光束至發射光學單元12，發射光學單元12對所述激光束 擴束，并將擴束后的激光束作為探測光發射至目標地形表面；步驟二、接收光學單元13對從目標地形表面返回的激光回波信號進行收集，并將所述 激光回波信號聚焦至條紋管探測器14的光電陰極上；步驟三、CCD相機15捕獲條紋管探測器14的熒光屏上的每一幅條紋像，并將捕獲的每 一幅條紋像發給圖像處理單元2 ；步驟四、圖像處理單元2根據接收到的條紋像進行四維像重構，最終獲得目標地形表 面的四維圖像。權利要求用于對地形進行四維成像的條紋管紫外激光成像雷達探測系統，其特征在于它由條紋管四維像探測裝置(1)和圖像處理單元(2)組成，所述條紋管四維像探測裝置(1)由激光器(11)、發射光學單元(12)、接收光學單元(13)、條紋管探測器(14)和CCD相機(15)組成；激光器(11)輸出的激光束入射至發射光學單元(12)，然后由發射光學單元(12)擴束后發射至目標地形表面；經目標地形表面返回的光束由接收光學單元(13)接收，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
用于對地形進行四維成像的條紋管紫外激光成像雷達探測系統，其特征在于它由條紋管四維像探測裝置（１）和圖像處理單元（２）組成，所述條紋管四維像探測裝置（１）由激光器（１１）、發射光學單元（１２）、接收光學單元（１３）、條紋管探測器（１４）和ＣＣＤ相機（１５）組成；激光器（１１）輸出的激光束入射至發射光學單元（１２），然后由發射光學單元（１２）擴束后發射至目標地形表面；經目標地形表面返回的光束由接收光學單元（１３）接收，然后聚焦到條紋管探測器（１４）的光電陰極上；ＣＣＤ相機（１５）捕獲條紋管探測器（１４）的熒光屏上的條紋像，并將捕獲的像發送至圖像處理單元（２）；圖像處理單元（２）根據接收到的像進行四維像重構，獲得目標地形表面的四維圖像。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫劍峰，魏靖松，梁小雪，王麗，王騏，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：93[中國|哈爾濱]