【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及雷达，特别是一种涉及远距离快照式光谱成像雷达系统及其应用。
技术介绍
1、在光电探测与成像
，传统的光电图像传感器功能存在一定局限性，通常仅能感应到强度信息，呈现二维（2d）图像数据，无法获取目标的深度或距离信息，这在许多需要对目标进行全面空间感知的应用场景中显得力不从心。
2、随着技术的发展，2002年林肯实验室提出阵列化的单光子雪崩二极管（spad）具备高检测概率、低暗计数率的优势。基于此，2005年洛桑理工大学利用0.8微米cmos工艺成功实现32×32的spad阵列激光雷达芯片，使得光电图像传感器突破了传统限制，除强度信息外，还能够获得距离信息，实现了全三维感知能力，极大地拓展了其应用范围。
3、进一步地，将高光谱技术与spad探测器相结合成为研究热点。这种结合方式试图整合spad在单光子探测方面的优势以及高光谱成像技术在光谱分析上的特长，以达成对目标空间远距离三维-光谱的一体化信息获取，为诸多领域如环境监测、生物医学成像、军事侦察等提供更丰富、精确的数据支持。
4、然而，目前在远距离光谱探测领域仍面临严峻挑战。一般基于波形探测的探测器，例如雪崩光电二极管（apd）、光电二极管（pin）等，尽管从技术理论层面能够实现全波形高光谱激光雷达，但在实际应用中，当处于弱光、暗光环境时，其信噪比较低的问题凸显。在这种情况下，探测器所接收到的微弱信号会被噪声严重干扰，导致难以通过对波形信息的有效处理来获取有价值的数据，限制了远距离光谱探测技术的发展和实际应用效果。
技术实现思路
1、本专利技术实施例提供了一种远距离快照式光谱成像雷达系统及其应用，针对目前技术存在的现有基于波形探测的探测器（如apd、pin）在远距离、弱光或暗光环境下，因信噪比极低，难以通过波形信息处理获得有用数据，限制了远距离光谱探测技术的发展和应用效果等问题。
2、本专利技术核心技术主要是利用基于光子技术原理的spad探测器，结合随机掩模版、光栅等部件，通过特定光路设计和数学算法，实现远距离或弱光、暗光条件下目标光谱和距离信息的同时探测。
3、第一方面，本专利技术提供了一种远距离快照式光谱成像雷达系统，包括：
4、光源，用于发射在宽光谱范围连续的光；
5、投影物镜，设于光源与目标表面之间，用于将光源发射的光投射到目标表面；
6、摄影镜头，用于接收目标表面反射的光子，并在其焦平面成像；
7、随机掩模版，位于摄影镜头的像平面以及第一中继镜头的前焦面，用于对摄影镜头焦平面的成像光场进行强度调制；
8、第一中继镜头，用于将经随机掩模版调制后的前焦面光场成像到后焦面；
9、光栅，位于第一中继镜头的后焦面以及第二中继镜头的前焦面，用于对光场进行分光，使不同波长的光沿y方向平移；
10、第二中继镜头，用于将前焦面经光栅分光后的光场成像到第二中继镜头的后焦面；
11、spad，位于第二中继镜头的后焦面，用于接收经光栅分光、第二中继镜头成像后的光信号并进行探测；
12、控制单元，用于控制光源的发射时间以及与spad配合进行数据采集和处理。
13、进一步地，光源包括氘灯、钨灯、氙灯、汞灯、白光led、超连续谱激光的其中一种。
14、进一步地，spad为二维焦平面探测器。
15、进一步地，spad通过以下方式获取目标的三维距离信息：
16、对每个像素进行k次探测，统计每次探测的到达时间，得到重复k次的统计直方图；
17、统计直方图的最高峰对应的时间为目标到达的真正时间，通过计算每个像素所测得的距离，进而得到目标的三维距离信息。
18、进一步地，将从目标表面返回的光场信息表示为三维距离光谱矩阵x：
19、；
20、其中，nx代表沿x轴方向的像素数量，ny代表沿y轴方向的像素数量，nλ代表光谱的波段数量，表示维度；
21、三维距离光谱矩阵x经过随机掩模版的二维掩码m调制后的测距光谱矩阵x’为：
22、；
23、其中，，表示实数域的三维矩阵，第一维长度，第二维长度，第三维长度nλ；表示逐像素相乘，表示中第b个波长频带，，代表从个光谱波段中选取某一个波段进行处理；m为二维掩码，是实数域的二维矩阵，且，第一维长度，第二维长度。
24、进一步地，调制后的测距光谱矩阵x’经过光栅的色散作用，不同频带的图像在色散方向发生错位，得到错位后的距离光谱矩阵x’’为：
25、；
26、其中，代表spad的平面坐标系，代表第b个波长频带，代表中心参考波长，表示第b个波长频带矩阵相对于中心参考波长的平移距离。
27、进一步地，通过spad对信号在波长维度进行积分得到压缩观测矩阵：
28、；
29、其中，，表示实数域的二维矩阵，第一维长度，第二维长度；，表示实数域的二维矩阵，第一维长度，第二维长度，代表观测噪声。
30、进一步地，将压缩观测矩阵的用压缩矢量化形式表达，通过最小二乘法或矩阵的伪逆求解得到光谱距离数据。
31、第二方面，本专利技术提供了一种使用单频激光的光学相干层析成像系统的应用，使用单频激光的光学相干层析成像系统应用于环境监测领域。
32、本专利技术的主要贡献和创新点如下：
33、1.探测器性能提升：现有技术中，像apd、pin这类基于波形探测的探测器，在光子数较少的情况下，信噪比极低，难以获取有效数据。本专利技术采用基于光子技术原理的spad探测器，具备单光子探测能力。这使得系统在远距离、弱光、暗光等条件下，依然能够获得高质量的回波信息。比如在夜间或远距离的微弱光探测场景中，传统探测器无法正常工作，而本专利技术的spad探测器可以精准捕捉单光子信号，为后续的分析提供可靠的数据支持。
34、2.探测维度拓展：部分现有技术使用一维探测器，仅能进行一维光谱分析，无法获得目标空间的灰度图像信息；还有些技术只能获取目标空间的光谱信息和2d灰度信息，无法获取距离信息。本专利技术通过阵列式的探测器，不仅可以实现对目标空间的二维光谱感知，还能结合距离探测原理，实现三维空间感知。能同时获取目标的光谱、灰度以及距离信息，构建出完整的三维空间光谱数据，为用户提供更全面、准确的目标信息，满足多领域对复杂环境下目标精确探测的需求。
35、3.复杂环境适应性增强：本专利技术有效解决了远距离或者弱光、暗光条件下的光谱探测问题。在实际应用场景中，如远距离的环境监测、夜间军事侦察等，传统光谱探测技术受环境光强影响大，难以发挥作用。本专利技术凭借其独特的探测器和系统设计，能够在复杂环境下稳定工作，大大拓展了光谱成像雷达系统的应用范围，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，所述光源（2）包括氘灯、钨灯、氙灯、汞灯、白光LED、超连续谱激光的其中一种。
3.如权利要求1所述的一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，所述SPAD（9）为二维焦平面探测器。
4.如权利要求3所述的一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，所述SPAD（9）通过以下方式获取目标的三维距离信息：
5.如权利要求1所述的一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，将从目标表面（10）返回的光场信息表示为三维距离光谱矩阵X：
6.如权利要求5所述的一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，调制后的测距光谱矩阵X’经过光栅（7）的色散作用，不同频带的图像在色散方向发生错位，得到错位后的距离光谱矩阵X’’为：
7.如权利要求6所述的一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，通过SPAD（9）对信号在波长维度进行积分得到压缩观测矩阵：
8.如权利要求7所述的一
9.如权利要求1-8任意一项所述的一种使用单频激光的光学相干层析成像系统的应用，其特征在于，使用单频激光的光学相干层析成像系统应用于天文观测领域。
10.如权利要求1-8任意一项所述的一种使用单频激光的光学相干层析成像系统的应用，其特征在于，使用单频激光的光学相干层析成像系统应用于环境监测领域。
...【技术特征摘要】
1.一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，所述光源（2）包括氘灯、钨灯、氙灯、汞灯、白光led、超连续谱激光的其中一种。
3.如权利要求1所述的一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，所述spad（9）为二维焦平面探测器。
4.如权利要求3所述的一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，所述spad（9）通过以下方式获取目标的三维距离信息：
5.如权利要求1所述的一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，将从目标表面（10）返回的光场信息表示为三维距离光谱矩阵x：
6.如权利要求5所述的一种远距离快照式光谱成像雷达系统，其特征在于，调制后的测距光谱矩阵x’经过...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。