[發明專利]用于植保無人機的高時間分辨率、廣視角的線狀激光雷達

在審

• 申請號: 202011152430.7
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112558098A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 周偉;鮮安華;柳陽雨;曹雪;王敬如;康健;陳浩
• 申請（專利權）人: 新沂市錫沂高新材料產業技術研究院有限公司
• 主分類號: G01S17/42
• 分類號: G01S17/42;G01S17/10;G01S17/933;G01S17/58;G01S7/481;G01S7/48;G01S7/484
• 代理公司: 蘇州市方略專利代理事務所(普通合伙) 32267
• 代理人: 朱智杰

本發明公開了一種用于植保無人機的高時間分辨率、廣視角的線狀激光雷達，其屬于激光雷達遙感技術領域，該線狀激光雷達包括超快光源模塊、線狀整形模塊、光電探測模塊及信號處理模塊。本發明基于中紅外超快可調諧激光光源和線狀整形技術，使用具有高峰值功率和高重復頻率的線狀激光，輸出激光的波長可在大氣窗口波段和水吸收波段之間切換，使用水吸收波段激光測量無人機噴灑的農藥濃度及范圍，大氣窗口波段激光進行距離測定。該裝置結合中紅外激光的波長特性、超快激光的高脈沖能量、高重頻特性、線狀激光的高空間分辨率特性及對應信號接收處理系統，實現了一款用于植保無人機的大范圍、高精度探測且具有實時農藥噴灑濃度監測功能的激光雷達。

技術領域

本發明涉及激光遙感領域，尤其涉及一種用于植保無人機的高時間分辨率、廣視角的線狀激光雷達。

背景技術

植保無人機，是用于農林植物保護作業的無人駕駛飛機。具有作業高度低，飄移少，可空中懸停，無需專用起降機場，旋翼產生的向下氣流有助于增加霧流對作物的穿透性，防治效果高，遠距離遙控操作，噴灑作業人員避免了暴露于農藥的危險，提高了噴灑作業安全性等諸多優點。

中紅外可調諧激光是一種脈沖寬度在皮秒(10^-12s)甚至飛秒(10^-15s)量級的優良相干光源，具有脈沖寬度小、峰值功率高(kW)、重復頻率高(MHz)等優良性能，可以配合可調諧裝置產生波長可調激光。這種可調諧光源主要應用于熒光成像、熒光壽命成像(FLIM)、全反射式熒光顯微(TIRF)、單分子成像、寬頻光譜學、光學同調斷層掃描術(OCT)、流式細胞儀等領域。

紅外激光的波長范圍為7.6-10μm，電磁波通過大氣層較少被反射、吸收和散射，而那些透射率高的波段稱為大氣窗口，通常把太陽光透過大氣層時透過率較高的光譜段稱為大氣窗口，在紅外激光中1.5～1.9μm、2.4～2.5μm、3.5～5.5μm、8.0～10μm都處于大氣窗口波段，受大氣對電磁波散射和吸收等因素的影響較小，有利于遙感探測；水汽分子是紅外輻射的主要吸收體。較強的水汽吸收帶位于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，植保無人機主要用于農林植物保護作業，農林植物均為碳水化合物，根據植物對水吸收波段激光的能量吸收狀況可以有效探測農林植物生長和分布狀態，以及環境的水汽含量。

目前，市場上常用的激光雷達的波長多為0.905μm、1.55μm和10.6μm，均為單一波長且無法調節，且多為連續激光，較脈沖激光相比，連續激光的探測精度更低。在植保無人機領域，植保無人機一重要應用為噴灑農藥，在農藥的噴灑過程，尚未有專門器械探測農藥噴灑的范圍和濃度，造成農藥的不合理應用，一些農藥把握不當，在噴施過程中會對農作物產生明顯的藥害，不能達到預期效果。在復雜天氣，如大風天氣狀態下，現有植保無人機的飛防作業因無有效監測手段，預期作用區域與實際作用區域有較大偏移；對于一些不規則的地塊，因探測手段的缺失，亦會產生嚴重的重復噴灑和漏噴現象。

本發明為了解決現有激光雷達探測精度低和缺少專門面向植保無人機飛防作業的激光雷達的問題，提出了用于植保無人機的高時間分辨率、廣視角的線狀激光雷達，其具有空間覆蓋面積大、時空分辨率高、多功能(監測噴灑出農藥的有效附著程度、探測)、高精度的優點。

發明內容

針對以上問題，本發明提出一種用于植保無人機的高時間分辨率、廣視角的線狀激光雷達。

為實現本發明的目的，提供一種用于植保無人機的高時間分辨率、廣視角的線狀激光雷達，包括：超快光源模塊、線狀整形模塊、光電探測模塊及信號處理模塊；

所述超快光源模塊包括一個或多個波長可調諧的中紅外超快脈沖激光光源、分路器；所述線狀整形模塊包括隔離器、準直器、聚焦透鏡、線性發生器；所述光電探測模塊包括信號采集模塊、多通道模數轉換器、高速采集器；所述信號處理模塊包括微控制處理器、上位機；