用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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系统，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。能的激光雷达。能的激光雷达。

【技术实现步骤摘要】
用于植保无人机的高时间分辨率、广视角的线状激光雷达


[0001]本专利技术涉及激光遥感领域，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]中红外可调谐激光是一种脉冲宽度在皮秒(10
‑
12
s)甚至飞秒(10
‑
15
s)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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]本专利技术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。

技术实现思路

[0007]针对以上问题，本专利技术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。
[0008]为实现本专利技术的目的，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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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，系统带宽大于1GHz。
[0016]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。
[0017]所述高速采集器，具有处理器、存储器、多种I/O口和中断系统、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。
[0018]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口和中断系统、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系统；
[0019]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。
[0020]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。
[0021]所述隔离器，为光纤隔离器，用于避免反射的激光进入光源。
[0022]所述聚焦透镜，为两个凸透镜。
[0023]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。
[0024]所述上位机，为支持蓝牙或无线通讯的笔记本电脑。
[0025]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。
[0026]激光雷达测距及对障碍物探测原理：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周伟，鲜安华，柳阳雨，曹雪，王敬如，康健，陈浩，
申请(专利权)人：新沂市锡沂高新材料产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：