專利名稱：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(tǒng)及其成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地貌勘察領(lǐng)域，具體涉及一種激光成像雷達探測系統(tǒng)及成像方法。
背景技術(shù)：
目前，現(xiàn)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(huán)境因素影響大，即不同的 環(huán)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(dǎo)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(tǒng)之間的高度距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)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(tǒng) 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(tǒng)，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(fā)射光學(xué)單元、接 收光學(xué)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(fā)射光學(xué)單元，然后由發(fā)射光學(xué)單元擴束后發(fā)射至目標地 形表面；
經(jīng)目標地形表面返回的光束由接收光學(xué)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(fā)送至圖像處理單 元；圖像處理單元根據(jù)接收到的像進行四維像重構(gòu)，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(tǒng)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(fā)射光學(xué)單元，發(fā)射光學(xué)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(fā)射至目標地形表面；
步驟二、接收光學(xué)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(fā)給圖像處理單元；
步驟四、圖像處理單元根據(jù)接收到的條紋像進行四維像重構(gòu)，最終獲得目標地形表面 的四維圖像。本發(fā)明的積極效果
本發(fā)明的條紋管紫外激光成像雷達探測系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)對地形的大視場、高幀頻和高分辨率的探 測及實時測高。


圖1為本發(fā)明的條紋管紫外激光成像雷達探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jié)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(tǒng)，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(fā)射光學(xué)單元12、接收光學(xué)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(fā)射光學(xué)單元12，然后由發(fā)射光學(xué)單元12擴束后發(fā)射 至目標地形表面；
經(jīng)目標地形表面返回的光束由接收光學(xué)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(fā)送至 圖像處理單元2 ；圖像處理單元2根據(jù)接收到的像進行四維像重構(gòu)，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(fā)射光學(xué)單元12可為柱面透鏡組。在本實施方式中，發(fā)射光學(xué)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(tài)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，將本發(fā)明的激光成像雷達探測系統(tǒng)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(fā)射出一束波長為355nm紫外激光束，幀 頻為100Hz，則飛機對應(yīng)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(jīng)過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)2后，水平擴束至20° (水平方向發(fā)散 角a )，垂直擴束至0.9° (垂直方向發(fā)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(jīng)地面的散射回波由接收光學(xué)系統(tǒng)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(jù)條紋管探測器14上不同時刻到來的回波信號的偏轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)1完成了對地形四維 像原始數(shù)據(jù)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(gòu)、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(xiàn)。本發(fā)明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(tǒng)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(zhì)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(tǒng)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(fā)射光學(xué)單元12，發(fā)射光學(xué)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(fā)射至目標地形表面；
步驟二、接收光學(xué)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(fā)給圖像處理單元2 ；
步驟四、圖像處理單元2根據(jù)接收到的條紋像進行四維像重構(gòu)，最終獲得目標地形表 面的四維圖像。
權(quán)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(tǒng)，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(fā)射光學(xué)單元(12)、接收光學(xué)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(fā)射光學(xué)單元(12)，然后由發(fā)射光學(xué)單元(12)擴束后發(fā)射至目標地形表面；經(jīng)目標地形表面返回的光束由接收光學(xué)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(fā)送至圖像處理單元(2)；圖像處理單元(2)根據(jù)接收到的像進行四維像重構(gòu)，獲得目標地形表面的四維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述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(tǒng)，其特征在于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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述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(tǒng)，其特征在于所述激光器(11)采用Nd YAG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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述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(tǒng)，其特征在于發(fā)射光學(xué)單元(12)為柱面透鏡組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述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(tǒng)，其特征在于條紋管探測器(14)采用單狹縫條紋管，該單狹縫條紋管的動態(tài)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。
6.如權(quán)利要求1所述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(tǒng)的成像方法，其特征在于它的具體過程為步驟一、激光器(11)輸出一束激光束至發(fā)射光學(xué)單元(12)，發(fā)射光學(xué)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(fā)射至目標地形表面；步驟二、接收光學(xué)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、C⑶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(fā)給圖像處理單元(2)；步驟四、圖像處理單元(2)根據(jù)接收到的條紋像進行四維像重構(gòu)，最終獲得目標地形表 面的四維圖像。
全文摘要
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(tǒng)及其成像方法，涉及地貌勘察領(lǐng)域，解決了現(xiàn)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(tǒng)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(fā)射光學(xué)單元、接收光學(xué)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(jīng)發(fā)射光學(xué)單元擴束后，發(fā)射至目標地形表面，接收光學(xué)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(gòu)，獲得目標地形表面的四維圖像。本發(fā)明可用于對地形高精度探測及實時測高。
文檔編號G01S17/89GK101806899SQ20101018279
公開日2010年8月18日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者孫劍峰, 梁小雪, 王麗, 王騏, 魏靖松 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)