[發明專利]一種基于無人機的機載激光雷達系統

在審

• 申請號: 201811296917.5
• 申請日: 2018-11-01
• 公開（公告）號: CN109239690A
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發明（設計）人: 岳斌;王沖;王乾坤;董晶晶;余超;夏海云
• 申請（專利權）人: 國耀量子雷達科技有限公司
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于無人機的機載激光雷達系統。本發明將望遠鏡模塊及若干個無源的激光雷達光學組件設置在光學隔熱倉內，設置溫度控制模塊對整個激光雷達系統的無源光學模塊和激光光源、探測器、數據采集模塊、主控模塊進行精確有機地溫度控制。本發明采用儲有壓縮氣體的冷氣瓶作為制冷單元的核心組件，對激光雷達無源光學模塊進行迅速有效地降溫，保證激光雷達核心部件正常工作。冷氣瓶內的壓縮氣體在釋放過程中迅速制冷，整個過程完全不消耗激光雷達乃至整個無人機的電池，巧妙地解決了無人機有限的電池供電與激光雷達嚴格的溫控的矛盾。

技術領域

本發明涉及激光雷達系統，尤其涉及一種基于無人機的機載激光雷達系統。

背景技術

激光雷達是一種主動的現代光學遙感技術，是傳統雷達技術與現代激光技術相結合的產物。激光具有高亮度、高方向性、高相干性、高峰值功率的特點。因此，激光雷達具有高角分辨率、高的距離分辨率、高時間分辨率、高測量精度、遠探測距離、多目標探測、強抗干擾的優點。繼微波雷達之后，激光雷達將輻射源的頻率提高到了光頻率，比毫米波高出四個數量級，這使之能夠探測微小自然目標，如大氣中的氣溶膠和分子。隨著激光技術和光電子學技術的發展，激光雷達已成為重要遙感探測手段。

根據搭載平臺不同，激光雷達主要有三種：地基激光雷達，機載激光雷達和星載激光雷達。

地基激光雷達，也常稱為地面激光雷達掃描儀，通常用于單一目標或者小尺度精細三維數據的采集。根據地基激光雷達工作方式的不同又可以細分為固定站式激光雷達掃描儀和移動式激光雷達掃描儀。固定站式激光雷達掃描儀以單站掃描、多站拼接的方式實現對整個測區的覆蓋；移動式地面激光雷達，以背包式和車載激光雷達系統為代表。然而，地基激光雷達由于布置在地面，測量視野容易被地面障礙物遮擋，導致測量場地受限。

星載激光雷達是以衛星平臺為依托進行大尺度三維信息數據的獲取。相比于機載激光雷達，星載激光雷達運行軌道高、觀測視野廣，理論上具備提供全球數據的能力。但是，由于星載激光雷達的軌道高度和發射頻率的限制，星載激光雷達的數據密度較低，分辨率很低，難以實現空間上連續的觀測。

機載激光雷達是以飛行器為搭載平臺，通常用于區域尺度三維信息數據的快速獲取。目前機載激光雷達主要搭載的飛行器平臺有航天器、飛機、汽艇、動力三角翼、無人機等，飛機平臺和無人機平臺是其中兩個典型的代表。

本發明的發明人發現：飛機體積龐大、價格高昂，且不能懸停測量；另外，搭載在飛機的激光雷達只能自上而下測量，且測量曲線為沿飛機一直線。而無人機體積小，成本低，且可懸停在不同高度，利用無人機自身姿態控制，可對大氣進行PPI掃描，在不同高度處，給出目標物的場分布。因此，無人機機載激光雷達具有測量視場大、可定點定向觀測掃描的優點。

但是，本發明的發明人發現：無人機體積小，重量輕，且無人機在空中運行依靠電池供電，因此，無人機對負載的重量和用電量都有嚴格的限制。以大疆某型號無人機為例：最大起飛重量3600g，電池容量5700mAh，無負載懸停時間：20-40分鐘。可見，無人機有負載時，電池消耗更快，懸停時間明顯縮短。

激光雷達是一種精密的測量儀器，包括多個精密的光電器件，如各種鏡片、激光器、探測器、采集卡等，這些器件對溫度要求很高。溫度過高會導致鏡片、望遠鏡鏡筒等變形，從而導致整個光路變形，焦點位置改變，無法接收有效信號，影響測量精度；溫度過低會導致一些器件如探測器無法工作。為了保證激光雷達正常工作，激光雷達內部溫度須控制在嚴格的溫度區間，如25-30度。而激光雷達主要工作在戶外，環境溫度可達-40～80度之間。因此，需要對激光雷達內部進行穩定的溫度控制。現有的激光雷達系統，普遍采用空調進行溫控，特別是降溫，空調的功率為千瓦級，運行耗電量很大，這種溫控方式在供電充足的地基及大飛機、衛星上沒有問題。然而，無人機依靠電池供電，電池容量有限，搭載在無人機上的激光雷達也只能依靠電池供電，若采用空調進行溫控，電池電量會迅速耗盡。因此，如何保證無人機載激光雷達在有限的供電下完成溫度控制，保證其在預定的時間內正常工作，成為無人機機載激光雷達亟待解決的問題。