本发明属于激光探测，尤其涉及环境-目标动态自适应立体成分激光探测系统与方法。
背景技术：
1、激光探测作为一种先进的非接触主动探测手段，1）其相对较短的波长决定了其高精度采集信息力；2）激光探测的窄光束、短脉冲和主动可控方式使其具有很好的抗干扰和环境适应能力，可以在复杂场景环境中获取高精度信息；3）激光主动发射信号的多变量构成使其可以接受物体的多重作用，从而得到物体的多维完备特征，既能测量物体运动情况，还能测量其三维形态，更能感知物质成分。因此，激光探测具有不受干扰地高精度获取更多要素信息的优势，使其最有潜力解决精确完备物性数据获取需求问题。例如，脉冲激光雷达能够获取数十公里距离上厘米级目标立体结构，多光谱激光遥感在可见近红外波段能获取数十波长通道5nm光谱分辨率的目标光谱信息；在非接触物质成分分析方面，例如金属冶炼和煤炭分析中，只有激光才能够通过对物体诱导击穿所产生等离子体光谱的分析，获得待测样品的化学元素构成和含量信息。所以激光探测作为一种有效的同时获取目标立体结构和成分信息的精确完备数据获取方式值得深入研究。
2、激光探测在高精度和抗干扰上有一定研究基础，但是目前的探测方法在远近动态变化场景作业时的数据精度差异性较大，达不到“环境自适应”的高精度；同时，常规的激光遥感以获得目标的立体结构等物理属性为主，常规的激光诱导击穿主要测量成分这样的化学属性，无法实现对目标立体结构和成分分布的同步获取。具体表现为：立足激光弹性散射机理的多/高光谱全波形激光遥感，大范围探测精度适当，可以获取结构、动态以及材质反射光谱信息，但不能得到物体的成分含量，且近场作用效果不够；以非弹性散射或受激辐射等为机理的激光诱导击穿、拉曼散射，目前能够获得物体的成分、含量，但无法得到物体外部形态和动态特征等物理属性，且对作业环境要求高。总之，上述两种探测机理都存在高探测精度要求的环境适应性能力和完备度的物理化学属性同时检测问题。因此，激光探测在充分发挥其高时空分辨和主动可控优势的基础上，亟需重点解决的需求难题是“环境-目标动态自适应的立体成分分布探测”问题。
3、激光技术的进步和应用，催生了激光探测技术的发展。激光探测的遥感测量和光谱检测理论技术经过数十年的发展，已经实现了基于激光回波飞行时间测量的目标测距、基于激光回波多普勒频移测量的目标测速、基于激光遍历精密扫描和测距的目标结构三维成像、基于激光回波光谱检测的目标表面材质鉴别、基于激光诱导击穿（libs）和拉曼光谱测量的目标元素成分含量检测等目标多维信息获取技术。
4、（1）目标物动态测距测速、结构三维成像在激光遥感技术的基础上向多/高光谱探测方向发展。
5、面向目标更多维信息的获取需求，研究人员也在为激光探测技术寻找其发展方向。一方面，目标动态、结构等均可以通过测量单波长激光回波实现，另一方面，目标材质类型等与光谱密切相关的目标属性则需要对不同波长的光信号进行光谱检测实现。目前，将多光谱探测与激光雷达测距、测速、成像相结合发展而来的多/高光谱激光雷达技术是激光探测技术实现目标多维信息获取的有效手段。该技术主要以超连续谱光源或多波长光源组合作为发射端，结合多通道分光光栅或液晶可调滤光器（lctf）、声光可调谐滤波器（aotf）等滤光元件实现对多波长全波形激光回波数据采集，具备了光谱、波形、偏振、频移等多域信号特征的获取能力，主要用于目标动态、形态测量和表面材质分类。
6、而这种探测方式，除了运动引起多普勒频移和微多普勒效应之外，从目标处反射的激光回波信息未受到目标在内的成分调制，无法确定被测物体的成分含量，这限制了其在更精细定量遥感探测和工业流程目标物属性测量等方面的应用。另外，激光遥感的平面分辨率与其扫描间隔和光斑大小密切相关，目前几乎所有的激光遥感都是按照一定发散角发射激光，对于工业过程中极小目标来说，扫描激光成像与测量的分辨率明显不足，特别在近程作业要求有极高分辨率时需要寻求新的发射与接收方式。
7、（2）目标成分含量测量的libs技术，通过与其他光谱数据结合提高成分分析精度的同时期望得到物体形态信息。
8、虽然多光谱遥感的探测方式已经被证明具备同时获取目标物多维信息的出色能力，但是遥感的反射光谱无法反映目标物精确的成分含量等化学属性。而在libs技术中为了解决复杂目标表面激光聚焦的问题并确定其体量特征，往往需要获取目标形态信息。目前的研究中在废钢分拣中将ccd摄像与libs技术相结合，同时获取目标彩色图像和三维结构，实现对废钢分类和libs自动聚焦。同时可以看到使用传统的 ccd 相机可视化，通过捕获样品表面的光学图像优化消融聚焦和样品定位。
9、为了同时获取目标不同位置的成分含量信息，人们将激光以扫描配置模式探索样品表面，为预定义网格的每个空间位置一次获取一个光谱，生成叠加在目标图像上的元素分布图像，形成了激光诱导击穿光谱成像 (libs imaging)技术，这是目标形态信息与成分含量信息同时获取。然而，绝大多数 libs 成像仪器依赖于移动样品表面而不是移动激光束的 xy 载物台，而在线控制应用场景下等需要以高频率扫描大样本表面，需要通过移动激光束来执行测量。因此，目前的libs成像技术仍以近距离显微结构为主，未能适用远距离目标属性获取。
10、为了确保成分信息的准确获取，在信号增强和改进反演算法的基础上，人们将libs与其他光谱数据进行结合。例如，远程 libs-raman组合式主动光谱探测仪分析材料中的原子和分子中的信息；火星探测中常见的拉曼、libs、可见-红外反射光谱多光谱组合等，这些方法都被证明能够很好地提高几种化学计量学方法的分类精度。
11、上述手段中，以libs成像为主要手段的成分和形态信息同时获取还未能适用于远程目标探测和变化的作业场景，且成像速度较慢、数据量庞大。与此同时，与其他光谱数据的融合中，目标物的这些光谱是相对独立获取的，都是经过不同的光源和探测系统分时获得的，在获取光谱数据后利用各类数据融合算法进行成分分析，这种数据融合技术仍然属于多系统探测后的数据端融合，融合效果受各自探测系统的性能限制。
12、为了实现对成分立体分布的获取，需要结合激光遥感和激光诱导击穿光谱（libs）两种技术为一体，这面临着两种探测机理的融合问题，在实现有机融合的过程中必然会遇到物理过程描述困难、光束控制条件苛刻、信号时空频域多重耦合、数据维度高处理难度大以及实验验证困难等客观现实。因此，存在如下技术瓶颈需要攻克：
13、（1）满足成分分布立体动态测量需求的激光遥感和诱导击穿一体化多光谱组合激光源信号和光学系统设计技术；
14、（2）面向动态场景适用的目标准确定位和精确聚焦扫描激光束高精度控制技术；
15、（3）激光信号受目标多重调制的后向散射与受激等离子体发射复合光谱信号高灵敏度精确检测技术；
16、（4）动态场景下的场景解耦合信号处理和目标物体结构、成分属性准确反演技术。
17、上述技术瓶颈问题概括来说就是要从光源、光学系统、激光控制、回波探测和处理反演上需要有新的解决办法，需要提出新的技术体制，在这个体制框架下，选取特定组成的激光束作用于目标，使散射和击穿等效应能够对激光进行多重调制，以统一的物理过程为起点，通过信号级融合探测和智能化数据处理来实现。
技术实现思路
1、针对上述技术问题，本发明提出基于环境-目标动态自适应立体成分激光探测方案。
2、本发明第一方面公开一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测系统，所述系统包括：高能单波长脉冲发射器、超连续谱脉冲发射器、光学系统、传输光纤、分光与探测系统、数据处理系统；其中：
3、由高能单波长脉冲发射器发射的高能单波长脉冲激光照射目标，激发生成等离子体云；同时由超连续谱脉冲发射器发射的超连续谱脉冲激光照射目标，形成光信号；
4、其中，所述光信号包括目标散射的激光信号、等离子体散射的激光信号、等离子体云自身发射的信号；
5、所述光信号被光学系统接收后，经传输光纤传入分光与探测系统进行融合探测，并由数据处理系统对探测结果进行处理，输出目标的成分立体分布结果。
6、根据本发明第一方面的系统，组合光源采用高能单波长脉冲激光和超连续谱脉冲激光实现双脉冲激光诱导击穿，同时两束激光在目标表面和等离子体中产生的吸收和散射作用均反映在光信号中。
7、根据本发明第一方面的系统，目标的运动状态、结构形态、材质类型、成分含量作为需要获取的目标属性特征，通过激光与目标的相互作用，将目标属性特征调制在激光信号或等离子体光谱中；具体包括：
8、高能单波长脉冲激光和超连续谱脉冲激光作为入射激光，在目标表面发生诱导击穿和散射作用，等离子体被激光加热、膨胀、冷却并向外辐射反映元素含量信息的谱线信号，目标的散射光穿越等离子体后与等离子体自身散射的入射激光形成复合散射信号。
9、根据本发明第一方面的系统，所述光学系统采用离轴自由曲面光学系统，包括非球面小次镜与自由曲面主镜；其中：
10、激光光源经准直后射入非球面小次镜，通过调整非球面小次镜角度，使得激光经非球面小次镜反射后照射在自由曲面主镜的不同区域；调节不同区域的主镜面型参数，通过与非球面小次镜配合实现目标范围内若干点的理论衍射极限聚焦；通过调整非球面小次镜沿光轴的小镜间距变化，实现在非球面相邻汇聚点间衍射极限的汇聚光斑。
11、根据本发明第一方面的系统，所述光学系统在连续变焦的基础上，其平面扫描光学机械结构采用振镜扫描系统来实现平面二维扫描，振镜扫描系统中反射镜的尺寸大小将入射到反射镜表面的光束全部覆盖，在不改变光束聚焦情况的条件下，实现在扫描平面上的平面二维扫描；所述光学系统为格利高里光学系统，在焦点处呈现正像；振镜扫描系统中的发射扫描振镜和接收扫描次镜刚性连接，通过同步旋转实现发射光束与接收视场的空间扫描，接收视场与发射光束套合。
12、本发明第二方面公开一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测方法，所述方法包括：
13、由高能单波长脉冲发射器发射的高能单波长脉冲激光照射目标，激发生成等离子体云；同时由超连续谱脉冲发射器发射的超连续谱脉冲激光照射目标，形成光信号；
14、其中，所述光信号包括目标散射的激光信号、等离子体散射的激光信号、等离子体云自身发射的信号；
15、所述光信号被光学系统接收后，经传输光纤传入分光与探测系统进行融合探测，并由数据处理系统对探测结果进行处理，输出目标的成分立体分布结果。
16、根据本发明第二方面的方法，组合光源采用高能单波长脉冲激光和超连续谱脉冲激光实现双脉冲激光诱导击穿，同时两束激光在目标表面和等离子体中产生的吸收和散射作用均反映在光信号中。
17、根据本发明第二方面的方法，目标的运动状态、结构形态、材质类型、成分含量作为需要获取的目标属性特征，通过激光与目标的相互作用，将目标属性特征调制在激光信号或等离子体光谱中；具体包括：
18、高能单波长脉冲激光和超连续谱脉冲激光作为入射激光，在目标表面发生诱导击穿和散射作用，等离子体被激光加热、膨胀、冷却并向外辐射反映元素含量信息的谱线信号，目标的散射光穿越等离子体后与等离子体自身散射的入射激光形成复合散射信号。
19、根据本发明第二方面的方法，所述光学系统采用离轴自由曲面光学系统，包括非球面小次镜与自由曲面主镜；其中：
20、激光光源经准直后射入非球面小次镜，通过调整非球面小次镜角度，使得激光经非球面小次镜反射后照射在自由曲面主镜的不同区域；调节不同区域的主镜面型参数，通过与非球面小次镜配合实现目标范围内若干点的理论衍射极限聚焦；通过调整非球面小次镜沿光轴的小镜间距变化，实现在非球面相邻汇聚点间衍射极限的汇聚光斑。
21、根据本发明第二方面的方法，所述光学系统在连续变焦的基础上，其平面扫描光学机械结构采用振镜扫描系统来实现平面二维扫描，振镜扫描系统中反射镜的尺寸大小将入射到反射镜表面的光束全部覆盖，在不改变光束聚焦情况的条件下，实现在扫描平面上的平面二维扫描；所述光学系统为格利高里光学系统，在焦点处呈现正像；振镜扫描系统中的发射扫描振镜和接收扫描次镜刚性连接，通过同步旋转实现发射光束与接收视场的空间扫描，接收视场与发射光束套合。
22、综上，本发明采取“超连续谱脉冲+单波长脉冲组合激光发射、光束自适应聚焦扫描、宽谱段反射和等离子体发射光谱融合接收、脉冲波形和光谱分布复合数据的智能处理与目标特征提取”的技术体制，基于双脉冲诱导击穿效应，在增强发射光谱强度的基础上，实现反射激光信号、诱导击穿等离子体辐射信号的一体化接收，通过自适应的光束控制和数据智能处理，实现环境-目标动态自适应的目标立体成分信息获取。
1.一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测系统，其特征在于，所述系统包括：高能单波长脉冲发射器、超连续谱脉冲发射器、光学系统、传输光纤、分光与探测系统、数据处理系统；其中：
2.根据权利要求1所述的一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测系统，其特征在于，组合光源采用高能单波长脉冲激光和超连续谱脉冲激光实现双脉冲激光诱导击穿，同时两束激光在目标表面和等离子体中产生的吸收和散射作用均反映在光信号中。
3.根据权利要求2所述的一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测系统，其特征在于，目标的运动状态、结构形态、材质类型、成分含量作为需要获取的目标属性特征，通过激光与目标的相互作用，将目标属性特征调制在激光信号或等离子体光谱中；具体包括：
4.根据权利要求3所述的一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测系统，其特征在于，所述光学系统采用离轴自由曲面光学系统，包括非球面小次镜与自由曲面主镜；其中：
5.根据权利要求3所述的一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测系统，其特征在于，所述光学系统在连续变焦的基础上，其平面扫描光学机械结构采用振镜扫描系统来实现平面二维扫描，振镜扫描系统中反射镜的尺寸大小将入射到反射镜表面的光束全部覆盖，在不改变光束聚焦情况的条件下，实现在扫描平面上的平面二维扫描；所述光学系统为格利高里光学系统，在焦点处呈现正像；振镜扫描系统中的发射扫描振镜和接收扫描次镜刚性连接，通过同步旋转实现发射光束与接收视场的空间扫描，接收视场与发射光束套合。
6.一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测方法，其特征在于，所述方法包括：
7.根据权利要求6所述的一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测方法，其特征在于：组合光源采用高能单波长脉冲激光和超连续谱脉冲激光实现双脉冲激光诱导击穿，同时两束激光在目标表面和等离子体中产生的吸收和散射作用均反映在光信号中。
8.根据权利要求7所述的一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测方法，其特征在于，目标的运动状态、结构形态、材质类型、成分含量作为需要获取的目标属性特征，通过激光与目标的相互作用，将目标属性特征调制在激光信号或等离子体光谱中；具体包括：
9.根据权利要求8所述的一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测方法，其特征在于，所述光学系统采用离轴自由曲面光学系统，包括非球面小次镜与自由曲面主镜；其中：
10.根据权利要求8所述的一种环境-目标动态自适应立体成分激光探测方法，其特征在于，所述光学系统在连续变焦的基础上，其平面扫描光学机械结构采用振镜扫描系统来实现平面二维扫描，振镜扫描系统中反射镜的尺寸大小将入射到反射镜表面的光束全部覆盖，在不改变光束聚焦情况的条件下，实现在扫描平面上的平面二维扫描；所述光学系统为格利高里光学系统，在焦点处呈现正像；振镜扫描系统中的发射扫描振镜和接收扫描次镜刚性连接，通过同步旋转实现发射光束与接收视场的空间扫描，接收视场与发射光束套合。
