CN112558098B - 用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达 - Google Patents
用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112558098B CN112558098B CN202011152430.7A CN202011152430A CN112558098B CN 112558098 B CN112558098 B CN 112558098B CN 202011152430 A CN202011152430 A CN 202011152430A CN 112558098 B CN112558098 B CN 112558098B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- linear
- plant protection
- module
- pulse
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000000575 pesticide Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 45
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 10
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 5
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 4
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 abstract description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 13
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 206010034960 Photophobia Diseases 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000000799 fluorescence microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- 208000013469 light sensitivity Diseases 0.000 description 2
- 238000012014 optical coherence tomography Methods 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 231100000674 Phytotoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 1
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000003631 expected effect Effects 0.000 description 1
- 238000000684 flow cytometry Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/06—Systems determining position data of a target
- G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/06—Systems determining position data of a target
- G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
- G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
- G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
- G01S17/933—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of aircraft or spacecraft
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/4802—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/483—Details of pulse systems
- G01S7/484—Transmitters
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其属于激光雷达遥感技术领域，该线状激光雷达包括超快光源模块、线状整形模块、光电探测模块及信号处理模块。本发明基于中红外超快可调谐激光光源和线状整形技术，使用具有高峰值功率和高重复频率的线状激光，输出激光的波长可在大气窗口波段和水吸收波段之间切换，使用水吸收波段激光测量无人机喷洒的农药浓度及范围，大气窗口波段激光进行距离测定。该装置结合中红外激光的波长特性、超快激光的高脉冲能量、高重频特性、线状激光的高空间分辨率特性及对应信号接收处理***，实现了一款用于植保无人机的大范围、高精度探测且具有实时农药喷洒浓度监测功能的激光雷达。
Description
技术领域
本发明涉及激光遥感领域，尤其涉及一种用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达。
背景技术
植保无人机，是用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机。具有作业高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场，旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对作物的穿透性，防治效果高，远距离遥控操作，喷洒作业人员避免了暴露于农药的危险，提高了喷洒作业安全性等诸多优点。
中红外可调谐激光是一种脉冲宽度在皮秒(10-12s)甚至飞秒(10-15s)量级的优良相干光源，具有脉冲宽度小、峰值功率高(>kW)、重复频率高(>MHz)等优良性能，可以配合可调谐装置产生波长可调激光。这种可调谐光源主要应用于荧光成像、荧光寿命成像(FLIM)、全反射式荧光显微(TIRF)、单分子成像、宽频光谱学、光学同调断层扫描术(OCT)、流式细胞仪等领域。
红外激光的波长范围为7.6-10μm，电磁波通过大气层较少被反射、吸收和散射，而那些透射率高的波段称为大气窗口，通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口，在红外激光中1.5～1.9μm、2.4～2.5μm、3.5～5.5μm、8.0～10μm都处于大气窗口波段，受大气对电磁波散射和吸收等因素的影响较小，有利于遥感探测；水汽分子是红外辐射的主要吸收体。较强的水汽吸收带位于0.71～0.735μm(微米)，0.81～0.84μm，0.89～0.99μm，1.07～1.20μm，1.3～1.5μm，1.7～2.0μm，2.4～3.3μm，4.8～8.0μm，植保无人机主要用于农林植物保护作业，农林植物均为碳水化合物，根据植物对水吸收波段激光的能量吸收状况可以有效探测农林植物生长和分布状态，以及环境的水汽含量。
目前，市场上常用的激光雷达的波长多为0.905μm、1.55μm和10.6μm，均为单一波长且无法调节，且多为连续激光，较脉冲激光相比，连续激光的探测精度更低。在植保无人机领域，植保无人机一重要应用为喷洒农药，在农药的喷洒过程，尚未有专门器械探测农药喷洒的范围和浓度，造成农药的不合理应用，一些农药把握不当，在喷施过程中会对农作物产生明显的药害，不能达到预期效果。在复杂天气，如大风天气状态下，现有植保无人机的飞防作业因无有效监测手段，预期作用区域与实际作用区域有较大偏移；对于一些不规则的地块，因探测手段的缺失，亦会产生严重的重复喷洒和漏喷现象。
本发明为了解决现有激光雷达探测精度低和缺少专门面向植保无人机飞防作业的激光雷达的问题，提出了用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其具有空间覆盖面积大、时空分辨率高、多功能(监测喷洒出农药的有效附着程度、探测)、高精度的优点。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达。
为实现本发明的目的，提供一种用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，包括：超快光源模块、线状整形模块、光电探测模块及信号处理模块；
所述超快光源模块包括一个或多个波长可调谐的中红外超快脉冲激光光源、分路器；所述线状整形模块包括隔离器、准直器、聚焦透镜、线性发生器；所述光电探测模块包括信号采集模块、多通道模数转换器、高速采集器；所述信号处理模块包括微控制处理器、上位机；
所述中红外超快脉冲激光光源输出激光经由光纤传输至分路器，分路器将激光均分为三等份，分别经由光纤传输至具有相同结构的线状整形模块，其中每一路激光经由光纤传输模块发送至隔离器，经由隔离器输出至准直器，经由准直器依次经过两个聚焦透镜进行光束聚焦，经由聚焦透镜至线性发生器，经由线性发生器，点状激光发散成线状激光，线状激光经由探测窗口至大气中，进行探测并产生回波信号，回波信号经由信号采集模块收集，收集后回波信号发送至模数转换模块，模数转换模块对接受信号进行处理，处理后发送至高速采集器，高速采集器实现对高速数字信号的接收和缓存处理，并将缓存的信号发送至微控制处理器，微控制处理器将信号发送至上位机进行计算处理。
所述中红外超快脉冲激光光源具有固体增益介质及可饱和吸收体。
所述超快光源模块，光源工作方式为脉冲激光，脉冲重复频率大于兆赫兹。
所述准直器，为光纤准直器，用于将光纤内的传输光转变成准直光。
所述线性整形器，为柱透镜，用于将点状光源发散成线性光源。
所述信号采集模块，由一个或多个光电探测器组成，呈环形分布，探测波长范围为1.8～3微米，由带有前置放大器的达通型雪崩二级管组成，具体参数为入射光功率5.0至5000微瓦，放大器电源电压±5.5至±12.5V，***带宽大于1GHz。
所述多通道模数转换器，用于将对应输入电压信号转换为输出的数字信号，转换时间小于50ps，采样速率大于Gs/s。
所述高速采集器，具有处理器、存储器、多种I/O口和中断***、定时器/计时器功能、串口模块，是一种高速数字信号处理设备，可达到1.5GHz以上的处理速度。
所述微控制处理器，是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断***、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机***；
所述信号处理模块可根据实时接收的控制信号和探测信号，调整中红外可调谐激光模块的出射激光强度和波长。
所述分路器，为1转3分路器，用于将一根光纤中传输的光能量按照既定的比例分配给三根光纤。
所述隔离器，为光纤隔离器，用于避免反射的激光进入光源。
所述聚焦透镜，为两个凸透镜。
所述微控制处理器，支持无线通讯，搭载模块可为蓝牙模块或WIFI模块。
所述上位机，为支持蓝牙或无线通讯的笔记本电脑。
所述中红外超快脉冲激光光源的输出端与柱透镜的输入端连接，点状激光经由柱透镜整形为线状激光并发射到大气中，激光与大气相互作用后的回波信号经由光电探测器阵列接收，光信号传递给处理芯片，处理芯片由对应接收信号发送控制信号至步进电机和滤波器，步进电机由控制信号控制柱透镜与入射激光光源的距离，滤波器由控制信号调整输出激光的波长，处理芯片根据实时的激光与大气作用的回波信号进行计算，得出目标距离激光雷达的距离和目标的运动轨迹。
激光雷达测距及对障碍物探测原理：
Ta1为激光发射时刻；Ta2为回波信号接收时刻。
计算出射激光与被测物距离S，
S＝c×(Ta2-Ta1)/2
其中c为光速；Ta1发射激光脉冲信号；Ta2为信号接收时刻。根据上述公式进一步得出测距信息，完成的测距功能。
(Ta2-Ta1)是激光出射与接收的时间间隔，是测距的关键，脉冲激光雷达利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来确定时间t，时钟晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲振荡，脉冲的时间间隔Δt，可根据Δt＝1/f，f为激光的重复频率，脉冲计数器的作用就是对晶体振荡器产生的电脉冲计数N。从发射脉冲开始，晶振产生脉冲与计数器开始计数时间上是同步触发的。因此时间间隔t＝N*Δt,由此可计算出距离可为
根绝回波信号时间差可计算出雷达测得障碍物距离无人机的有效距离，根据回波信号的有无，判断探测方向是否有障碍物。
据水吸收波段的激光在大气中的吸收效应测量水汽的浓度分布的原理：
根据红外光谱的Lambert-Beer定律，强度为I0，频率为V的单色激光，通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的强度为I，则在接收端测得的强度I有：
I(v)＝I0(v)e(-σ(v)NL)
其中，σ(v)为气体分子的吸收截面，N为分子数密度。
因气体体积已知，腔内体积已知，分子数密度即气体浓度已知，
气体分子的吸收截面，可由上述公式计算而得。
根据对应的气体分子的吸收截面可确定气体种类。
本文所述的一种新型激光探测仪的激光光源为优良相干光源，发射的激光为脉冲激光，接收到的回波信号也为脉冲信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果为:
(1)广视角，本发明利用线性整形技术，构建了线形激光，探测视角远大于现有单线或多线激光雷达。单线激光雷达使用过程中多以扫描的形式进行探测采样，本发明所提出的激光雷达探测激光为线性，无需扫描，避免扫描所带来的振动及能量浪费。多线激光雷达的探测精度大幅度依赖于发射激光的数目，本发明提出的线性激光，在出射激光的线性区域内，均可形成有效探测，通过调整信号接收器的数目和分布密度可以有效进行高空间分辨率的探测。
(2)高精度，中红外超快激光的高重频特性决定的高脉冲频率(MHz),窄脉宽皮秒(10-12s)甚至飞秒(10-15s)，远远优于现有技术普遍使用的纳秒(10-9)级光源，决定了本发明所述的探测器在使用中，脉冲响应时间的精度为现有纳秒级激光探测仪的千倍(103)甚至百万倍(106)以上。峰值功率高(瓦级)，高重频(近百兆赫兹)的特点可以实现远距离能见度低的环境下精准探测。实时采集出射激光的回波信号，通过回波信号，有效反馈光传播区域的情况。
(3)所述激光雷达采用光谱可调谐光源，提供了可用于植保无人机特殊用途的特殊激光波段，通过调节激光波段为大气窗口(低水吸收)波段，可用于浓雾天气下植保无人机探测，调节激光波段为水吸收波段，可用于植保无人机飞防作业下，喷洒农药浓度的检测。增强了植保无人机的飞防作业能力也保障了植保无人机在复杂天气下的工作。
附图说明
图1是一个实施例的用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达结构示意图；
图2是一个实施例的使用示意；(线状激光测物)；
图3是一个实施例的使用示意图；(测量农药实际作用范围)；
图4是一个实施例的水的红外吸收光谱。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相关的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式的理解的是，本文描述的实施例可以与其它实施例相结合。
为使本发明的上述目的、特征优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例1基于本发明激光雷达用于植保无人机飞防作业。
一种用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，结构如图1所示，包括中红外可调谐激光模块、线状整形模块、光电探测模块及信号处理模块。
使用示意图如图2所示。
中红外可调谐激光模块包括一个波长可调谐的中红外超快脉冲激光光源、分路器；所述线状整形模块包括隔离器、准直器、聚焦透镜、线性发生器；光电探测模块包括信号采集模块、多通道模数转换器、高速采集器；信号处理模块包括微控制处理器、上位机；
中红外超快脉冲激光光源1，半导体激光器，可调谐波长范围1.8～3μm，重频16.8MHz，脉宽14ps，工作电压12v，工作温度-40℃～+80℃的中红外光源；
分路器20，选用(2+1)*1氟化物光纤分路器，其中分路器的输入端端与半导体激光器尾纤采用机械拼接的方式连接；
分路器输入光纤21；
第一分路器输出光纤22；
第二分路器输出光纤23；
第三分路器输出光纤24；
隔离器01，光纤隔离器，工作波长1.8～3μm；
准直器02，光纤准直器，单模光纤准直器，工作波长1.8～3μm，通光孔径最大功率300mW；
第一聚焦透镜03，凸透镜，焦距为10mm；
第二聚焦透镜04，凸透镜，焦距为10mm；
线性发生器05，柱透镜，工作波长2.5μm，两面都有增透膜，工作温度为-40℃至93℃,如图1中05所示为侧视图、07所示为正视图，06所示为俯视图；
信号采集模块6，本实施例中信号采集模块由36个光电探测器组成，呈环形分布以10°成环形间隔分布，单个光电探测器，带有前置放大器的达通型雪崩二级管，对1.8微米至3微米波段的光灵敏度高，响应速度快，具体参数为入射光功率5.0至5000微瓦，另配放大器，放大器电源电压±5.5至±12.5V，***带宽1.5GHz；
第一多通道模数转换器41，第二多通道模数转换器42，第三多通道模数转换器43，将对应输入电压信号转换为输出的数字信号，转换时间小于50ps，采样速率大于Gs/s；
高速采集器51，FPGA数字电路，选用芯片型号Virtex-II Pro；
微控制处理器52，STM32单片机，选用型号STM32F4，搭载蓝牙5.0模块理论有效可通信距离为300m，传输速度上限为24Mbps，放大模块的带宽为90MHz；
上位机53，为支持蓝牙5.0通信的笔记本电脑；
上位机53发送控制指令至微控制处理器52，微控制处理器控制中红外超快脉冲激光光源1输出激光波长为2.5μm，中红外超快脉冲激光光源1输出激光经由分路器输入光纤21传输至分路器20，分路器20将激光均分为三等份，分别传输至第一分路器输出光纤22、第二分路器输出光纤23、第三分路器输出光纤24，传输至具有相同结构的线状整形模块，其中每一路激光经由光纤传输发送至隔离器01，经由隔离器01输出至准直器02，经由准直器02依次经过第一聚焦透镜03、第二聚焦透镜04进行光束聚焦，经由聚焦透镜至线性发生器05，经由线性发生器05，点状激光发散成线状激光，线状激光经由探测窗口至大气中，进行探测并产生回波信号，回波信号经由信号采集模块6收集，收集回波信号并将对应光信号转换为模拟电信号，将模拟电信号发送至多通道模数转换模块6，第一多模数转换模块41、第二多模数转换模块42、第三多模数转换模块43对接受信号进行处理，将模拟电信号转换为数字信号，发送至高速采集器51，高速采集器51实现对高速数字信号的接收和缓存处理，并将缓存的信号发送至微控制处理器52，微控制处理器52将信号发送至上位机53进行计算处理。
Ta1为激光发射时刻；Ta2为回波信号接收时刻。
计算出射激光与被测物距离S，
S＝c×(Ta2-Ta1)/2
其中c为光速；Ta1发射激光脉冲信号；Ta2为信号接收时刻。根据上述公式进一步得出测距信息，完成的测距功能。
(Ta2-Ta1)是激光出射与接收的时间间隔，是测距的关键，脉冲激光雷达利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来确定时间t，时钟晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲振荡，脉冲的时间间隔Δt，可根据Δt＝1/f，f为激光的重复频率，脉冲计数器的作用就是对晶体振荡器产生的电脉冲计数N。从发射脉冲开始，晶振产生脉冲与计数器开始计数时间上是同步触发的。因此时间间隔t＝N*Δt,由此可计算出距离可为
根据回波信号时间差可计算出雷达测得障碍物距离无人机的有效距离，根据回波信号的有无，判断探测方向是否有障碍物。
实施例2基于本发明激光雷达用于植保无人机农药浓度探测。
一种用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，结构如图1所示，包括中红外可调谐激光模块、线状整形模块、光电探测模块及信号处理模块。
使用示意如图3所示。
中红外可调谐激光模块包括一个波长可调谐的中红外超快脉冲激光光源、分路器；所述线状整形模块包括隔离器、准直器、聚焦透镜、线性发生器；光电探测模块包括信号采集模块、多通道模数转换器、高速采集器；信号处理模块包括微控制处理器、上位机；
中红外超快脉冲激光光源1，半导体激光器，可调谐波长范围1.8～3μm，重频16.8MHz，脉宽14ps，工作电压12v，工作温度-40℃～+80℃的中红外光源；
分路器20，选用(2+1)*1氟化物光纤分路器，其中分路器的输入端端与半导体激光器尾纤采用机械拼接的方式连接；
分路器输入光纤21；
第一分路器输出光纤22；
第二分路器输出光纤23；
第三分路器输出光纤24；
隔离器01，光纤隔离器，工作波长1.8～3μm；
准直器02，光纤准直器，单模光纤准直器，工作波长1.8～3μm，通光孔径最大功率300mW；
第一聚焦透镜03，凸透镜，焦距为10mm；
第二聚焦透镜04，凸透镜，焦距为10mm；
线性发生器05，柱透镜，工作波长2μm，两面都有增透膜，工作温度为-40℃至93℃,如图1中05所示为侧视图、07所示为正视图，06所示为俯视图；
信号采集模块6，本实施例中信号采集模块由36个光电探测器组成，呈环形分布以10°成环形间隔分布，单个光电探测器，带有前置放大器的达通型雪崩二级管，对1.8微米至3微米波段的光灵敏度高，响应速度快，具体参数为入射光功率5.0至5000微瓦，另配放大器，放大器电源电压±5.5至±12.5V，***带宽1.5GHz；
第一多通道模数转换器41，第二多通道模数转换器42，第三多通道模数转换器43，将对应输入电压信号转换为输出的数字信号，转换时间小于50ps，采样速率大于Gs/s；
高速采集器51，FPGA数字电路，选用芯片型号Virtex-II Pro；
微控制处理器52，STM32单片机，选用型号STM32F4，搭载蓝牙5.0模块理论有效可通信距离为300m，传输速度上限为24Mbps，放大模块的带宽为90MHz；
上位机53，为支持蓝牙5.0通信的笔记本电脑；
第一农药喷洒区域100、第一农药喷洒区域101、第一农药喷洒区域102,不同农药浓度区域；
上位机53发送控制指令至微控制处理器52，微控制处理器控制中红外超快脉冲激光光源1输出激光波长为2.5μm，中红外超快脉冲激光光源1输出激光经由分路器输入光纤21传输至分路器20，分路器20将激光均分为三等份，分别传输至第一分路器输出光纤22、第二分路器输出光纤23、第三分路器输出光纤24，传输至具有相同结构的线状整形模块，其中每一路激光经由光纤传输发送至隔离器01，经由隔离器01输出至准直器02，经由准直器02依次经过第一聚焦透镜03、第二聚焦透镜04进行光束聚焦，经由聚焦透镜至线性发生器05，经由线性发生器05，点状激光发散成线状激光，线状激光经由探测窗口至大气中，对第一农药喷洒区域100、第一农药喷洒区域101、第一农药喷洒区域102进行探测并产生回波信号，回波信号经由信号采集模块6收集，收集回波信号并将对应光信号转换为模拟电信号，将模拟电信号发送至多通道模数转换模块6，第一多模数转换模块41、第二多模数转换模块42、第三多模数转换模块43对接受信号进行处理，将模拟电信号转换为数字信号，发送至高速采集器51，高速采集器51实现对高速数字信号的接收和缓存处理，并将缓存的信号发送至微控制处理器52，微控制处理器52将信号发送至上位机53进行计算处理。
Ta1为出射激光发射时刻；Ta2为回波信号接收时刻。
计算出射激光与被测物距离S，
S＝c×(Ta2-Ta1)/2
其中c为光速；Ta1发射激光脉冲信号；Ta2为信号接收时刻。根据上述公式进一步得出测距信息，完成探测仪的测距功能。
(Ta2-Ta1)是激光出射与接收的时间间隔，是测距的关键，脉冲激光雷达利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来确定时间t，时钟晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲振荡，脉冲的时间间隔Δt，可根据Δt＝1/f，f为激光的重复频率，脉冲计数器的作用就是对晶体振荡器产生的电脉冲计数N。从发射脉冲开始，晶振产生脉冲与计数器开始计数时间上是同步触发的。因此时间间隔t＝N*Δt,由此可计算出
水(气态)的红外吸收光谱如图4所示。
根据红外光谱的Lambert-Beer定律，强度为I0，频率为V的单色激光，通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的强度为I，则在接收端测得的强度I有：
I(v)＝I0(v)e(-σ(v)NL)
其中，σ(v)为气体分子的吸收截面，N为分子数密度。
所以，分子数密度N即气体浓度可得：
本发明通过调整激光器输出波长，短时间内依次输出波长不同的激光，其中一束激光波长为高水吸收波段，另一束为低水吸收波段，根据两次回波信号的强弱差，易得出该区域内农药的浓度分布。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其特征在于，所述线状激光雷达包括：超快光源模块、线状整形模块、光电探测模块及信号处理模块；
所述超快光源模块包括一个或多个波长可调谐的中红外超快脉冲激光光源、分路器；所述线状整形模块包括隔离器、准直器、聚焦透镜、线性发生器；所述光电探测模块包括信号采集模块、多通道模数转换器、高速采集器；所述信号处理模块包括微控制处理器、上位机；
所述中红外超快脉冲激光光源输出激光经由光纤传输至分路器，分路器将激光均分为三等份，分别经由光纤传输至具有相同结构的线状整形模块，其中每一路激光经由光纤传输模块发送至隔离器，经由隔离器输出至准直器，经由准直器依次经过两个聚焦透镜进行光束聚焦，经由聚焦透镜至线性发生器，经由线性发生器，点状激光发散成线状激光，线状激光经由探测窗口至大气中，进行探测并产生回波信号，回波信号经由信号采集模块收集，收集后回波信号发送至模数转换模块，模数转换模块对接受信号进行处理，处理后发送至高速采集器，高速采集器实现对高速数字信号的接收和缓存处理，并将缓存的信号发送至微控制处理器，微控制处理器将信号发送至上位机进行计算处理；计算出射激光与被测物距离S，
S＝c×(Ta2-Ta1)/2
其中c为光速；Ta1为激光发射时刻；Ta2为回波信号接收时刻；
(Ta2-Ta1)是激光出射与接收的时间间隔，脉冲激光雷达利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来确定时间t，时钟晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲振荡，脉冲的时间间隔Δt，根据Δt＝1/f，f为激光的重复频率，脉冲计数器的作用就是对晶体振荡器产生的电脉冲计数N；从发射脉冲开始，晶振产生脉冲与计数器开始计数时间上是同步触发的；因此时间间隔t＝N*Δt,由此计算出距离可为
根据回波信号时间差计算出雷达测得障碍物距离无人机的有效距离，根据回波信号的有无，判断探测方向是否有障碍物。
2.根据权利要求1所述的用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其特征在于，所述中红外超快脉冲激光光源具有固体增益介质及可饱和吸收体。
3.根据权利要求1所述的用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其特征在于，所述超快光源模块，光源工作方式为脉冲激光，脉冲重复频率大于兆赫兹。
4.根据权利要求1所述的用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其特征在于，所述准直器，为光纤准直器，用于将光纤内的传输光转变成准直光。
5.根据权利要求1所述的用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其特征在于，所述线性整形器，为柱透镜，用于将点状光源发散成线性光源。
6.根据权利要求1所述的用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其特征在于，所述信号采集模块，由一个或多个光电探测器组成，呈环形分布，探测波长范围为1.8～3微米，由带有前置放大器的达通型雪崩二级管组成，具体参数为入射光功率5.0至5000微瓦，放大器电源电压±5.5至±12.5V，***带宽大于1GHz。
7.根据权利要求1所述的用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其特征在于，所述多通道模数转换器，用于将对应输入电压信号转换为输出的数字信号，转换时间小于50ps，采样速率大于Gs/s。
8.根据权利要求1所述的用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其特征在于，所述高速采集器，具有处理器、存储器、多种I/O口和中断***、定时器/计时器功能、串口模块，是一种高速数字信号处理设备，可达到1.5GHz以上的处理速度。
9.根据权利要求1所述的用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其特征在于，所述微控制处理器，是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断***、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机***。
10.根据权利要求1所述的用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其特征在于，所述信号处理模块可根据实时接收的控制信号和探测信号，调整中红外可调谐激光模块的出射激光强度和波长。
11.根据权利要求1所述的用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达，其特征在于，所述激光雷达用于植保无人机农药浓度探测，强度为I0，频率为V的单色激光，通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的强度为I，则在接收端测得的强度I有：
I(v)＝I0(v)e(-σ(v)NL)
其中，σ(v)为气体分子的吸收截面，N为分子数密度；
所以，分子数密度N即气体浓度可得：
气体分子的吸收截面，可由上述公式计算而得；
根据对应的气体分子的吸收截面可确定气体种类。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011152430.7A CN112558098B (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011152430.7A CN112558098B (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112558098A CN112558098A (zh) | 2021-03-26 |
| CN112558098B true CN112558098B (zh) | 2024-06-11 |
Family
ID=75041366
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011152430.7A Active CN112558098B (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112558098B (zh) |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004028601A (ja) * | 2002-06-21 | 2004-01-29 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 監視用レーザレーダシステム及び撮像方法 |
| CN101813778A (zh) * | 2010-04-20 | 2010-08-25 | 长春艾克思科技有限责任公司 | 汽车多线激光雷达*** |
| CN103412313A (zh) * | 2013-07-30 | 2013-11-27 | 桂林理工大学 | 低空轻小型面阵激光雷达测量*** |
| KR20140079985A (ko) * | 2012-12-20 | 2014-06-30 | 국방과학연구소 | 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계 |
| KR20160109116A (ko) * | 2015-03-10 | 2016-09-21 | 한국표준과학연구원 | 등명기용 레이저 조명장치 및 이를 이용한 등명기 |
| CN107219532A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-09-29 | 西安知微传感技术有限公司 | 基于mems微扫描镜的三维激光雷达及测距方法 |
| US10003168B1 (en) * | 2017-10-18 | 2018-06-19 | Luminar Technologies, Inc. | Fiber laser with free-space components |
| DE202018104087U1 (de) * | 2018-07-16 | 2018-08-07 | Zhongkai University Of Agriculture And Engineering | Sprühgerät für Pflanzenschutz-UAVs |
| CN108398695A (zh) * | 2018-01-15 | 2018-08-14 | 北京航空航天大学 | 一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达*** |
| CN208506242U (zh) * | 2018-06-11 | 2019-02-15 | 探维科技(北京)有限公司 | 激光雷达*** |
| CN111538036A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-08-14 | 中国科学技术大学 | 一种基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达*** |
| WO2020182024A1 (zh) * | 2019-03-11 | 2020-09-17 | 上海禾赛光电科技有限公司 | 激光收发模块及激光雷达*** |
| CN111708004A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-09-25 | 宋一铄 | 一种新型激光测距方法及激光雷达*** |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10119816B2 (en) * | 2012-11-21 | 2018-11-06 | Nikon Metrology Nv | Low drift reference for laser radar |
| US9857472B2 (en) * | 2013-07-02 | 2018-01-02 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Laser radar system for obtaining a 3D image |
| US9625671B2 (en) * | 2013-10-23 | 2017-04-18 | Lasermax, Inc. | Laser module and system |
| US11022688B2 (en) * | 2017-03-31 | 2021-06-01 | Luminar, Llc | Multi-eye lidar system |
| US11187806B2 (en) * | 2017-07-24 | 2021-11-30 | Huawei Technologies Co., Ltd. | LIDAR scanning system |
| US20200047208A1 (en) * | 2018-08-13 | 2020-02-13 | Research Foundation Of The City University Of New York | Lidar system for proper aerosolization of crops |
-
2020
- 2020-10-26 CN CN202011152430.7A patent/CN112558098B/zh active Active
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004028601A (ja) * | 2002-06-21 | 2004-01-29 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 監視用レーザレーダシステム及び撮像方法 |
| CN101813778A (zh) * | 2010-04-20 | 2010-08-25 | 长春艾克思科技有限责任公司 | 汽车多线激光雷达*** |
| KR20140079985A (ko) * | 2012-12-20 | 2014-06-30 | 국방과학연구소 | 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계 |
| CN103412313A (zh) * | 2013-07-30 | 2013-11-27 | 桂林理工大学 | 低空轻小型面阵激光雷达测量*** |
| KR20160109116A (ko) * | 2015-03-10 | 2016-09-21 | 한국표준과학연구원 | 등명기용 레이저 조명장치 및 이를 이용한 등명기 |
| CN107219532A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-09-29 | 西安知微传感技术有限公司 | 基于mems微扫描镜的三维激光雷达及测距方法 |
| US10003168B1 (en) * | 2017-10-18 | 2018-06-19 | Luminar Technologies, Inc. | Fiber laser with free-space components |
| CN108398695A (zh) * | 2018-01-15 | 2018-08-14 | 北京航空航天大学 | 一种基于接收端光纤色散的高光谱激光雷达*** |
| CN208506242U (zh) * | 2018-06-11 | 2019-02-15 | 探维科技(北京)有限公司 | 激光雷达*** |
| DE202018104087U1 (de) * | 2018-07-16 | 2018-08-07 | Zhongkai University Of Agriculture And Engineering | Sprühgerät für Pflanzenschutz-UAVs |
| WO2020182024A1 (zh) * | 2019-03-11 | 2020-09-17 | 上海禾赛光电科技有限公司 | 激光收发模块及激光雷达*** |
| CN111538036A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-08-14 | 中国科学技术大学 | 一种基于固态可调谐紫外光源的全固态臭氧激光雷达*** |
| CN111708004A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-09-25 | 宋一铄 | 一种新型激光测距方法及激光雷达*** |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112558098A (zh) | 2021-03-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11243295B2 (en) | Optical filter | |
| US8675184B2 (en) | Direct detection Doppler LIDAR method and direction detection Doppler LIDAR device | |
| EP3165876A2 (de) | Opto-elektronisches vermessungsgerät | |
| US20110043785A1 (en) | Multifunction Aircraft Lidar | |
| CN100495070C (zh) | 微波测风激光雷达装置 | |
| CN207882443U (zh) | 一种高光谱激光雷达探测*** | |
| US5214484A (en) | Apparatus for measuring meteorological parameters | |
| CN108303706A (zh) | 一种气溶胶光学参数探测方法及高光谱激光雷达探测*** | |
| CN109990843B (zh) | 监测飞行器飞行速度及所处环境参数的方法及装置 | |
| CN110161280B (zh) | 混合探测多普勒激光雷达风速测量***及其测量方法 | |
| CN111398991B (zh) | 量子级联激光器差分吸收激光雷达VOCs浓度探测方法 | |
| Henderson et al. | Wind lidar | |
| CN113391327A (zh) | 一种基于连续激光的多普勒测风雷达***及方法 | |
| CN106226783A (zh) | 基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量*** | |
| CN205643385U (zh) | 一种小型化多普勒激光雷达测风*** | |
| US20230194724A1 (en) | HIGH-DYNAMIC-RANGE HYBRID SOLID-STATE LiDAR SYSTEM BASED ON TRANSPONDER ARRAY MODULE | |
| CN112558098B (zh) | 用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达 | |
| CN203909299U (zh) | 全光纤激光雷达气溶胶探测装置 | |
| CN112904308B (zh) | 探测云相态及云水含量的激光雷达***及方法 | |
| CN215297681U (zh) | 可变焦高信噪比测风激光雷达*** | |
| CN207051484U (zh) | 一种测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数的装置 | |
| CN214151058U (zh) | 一种双波束激光雷达风场探测装置 | |
| CN115453574A (zh) | 一种大气多参数探测多功能激光雷达 | |
| CN111913191B (zh) | 用于大气气溶胶探测的转动拉曼分光***及分光方法 | |
| Townes | The potential for atmospheric path length compensation in stellar interferometry |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |