CN103814885B - 超宽光谱激光驱鸟器 - Google Patents
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Abstract
超宽光谱激光驱鸟器，包括激光器，光学耦合系统，非线性光学材料，光学准直系统，光学衰减器，光学分束镜，光学聚焦系统，光学准直扩束系统，光学反射镜，光学出射窗口，竖直方向机械转动平台，竖直方向机械转动平台驱动源，水平方向机械转动平台，水平方向机械转动平台驱动源，光电接收器，光电控制系统，远程控制系统。本发明有效地克服了单一波长激光驱鸟种类少和鸟的适应性问题，提高了驱鸟效果和驱鸟效率；极大地拓展了应用区域和应用范围，并能够用于驱逐其它野生动物。本激光驱鸟器能够广泛地应用于机场、果园、林场、水产养殖场、发电场、城市环保和野生动物保护区等场所，对航空安全、农林渔业发展、野生动物保护和生态平衡等具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于激光驱鸟技术领域，涉及鸟类视觉学、航空鸟类学、生态学、激光、非线性光学、光波导理论与技术、电子学和自动控制等领域。它适用于机场、果园、林场、水产养殖场、发电场、城市环保和生态保护地等场所的驱鸟应用。
背景技术
由于人们生态和环保意识的提高，全球各种鸟类的数量越来越多，严重地威胁着飞机的安全起飞和降落，给农业生产、园林业生产、渔业养殖带来巨大损失，还影响风力发电场的安全，甚至影响着城市环保等。目前，驱鸟的方法主要有语音驱鸟、风力驱鸟、超声驱鸟、化学药品驱鸟和激光驱鸟等方法，其中激光驱鸟具有驱鸟范围大、环保、无噪音等优点。据世界民航组织的保守统计，激光驱鸟器至少能使军民用航空业降低42％的鸟类危害，法国洛德工程公司设计和制造的TOM500激光驱鸟器(激光波长为532nm)，被认为是世界航空安全保障领域的一次革命。2009年，Frost&Sullivan授予洛德工程公司最佳创新和应用大奖。因此，国际民航组织推荐机场使用激光驱鸟器进行激光驱鸟。但是目前激光驱鸟器都是采用532nm、520nm、633nm或650nm等单一波长激光，而美国农业部野生动物研究中心的研究表明，单一波长的激光只能对某些种类的鸟具有良好的驱逐效果；并且发现从紫外到750nm光谱范围内的光分别对不同种类的鸟产生驱逐效果。因此，单一波长激光驱鸟器的使用范围具有严重的局限性。
发明内容
本发明的目的在于，采用超宽光谱激光作为光驱鸟器的光源，克服单一波长激光对所驱逐鸟的种类限制和鸟类对单一波长光的适应性，从而极大地扩大驱鸟种类和应用场所。
为此，我们提出了采用非线性光学的方法，同时产生包括200～2000nm光谱范围的超宽光谱激光，而同时将300～750nm或其中的部分光谱范围的超宽光谱光用于驱鸟；采用这种超宽光谱激光驱鸟器，不仅极大地扩大驱鸟种类，而且极大地降低鸟类对单一波长激光的适应性，提高驱鸟效果和驱鸟效率。
本发明的目的是通过以下方案来实现的：
超宽光谱激光驱鸟器，包括激光器、光学耦合系统、非线性光学材料、光学准直系统、光学衰减器、光学分束镜、光学聚焦系统、光学准直扩束系统、光学反射镜、光学出射窗口；激光器放置在最前面，光学耦合系统、非线性光学材料、光学准直系统、光学衰减器和光学分束镜从前至后依次放置在激光器输出激光的光路中；光学分束镜将超宽光谱激光分为两束，其中，超宽光谱激光功率大的一束入射到光学聚焦系统；光学准直扩束系统、光学反射镜和光学出射窗口从前至后依次放置在光学聚焦系统的出射光路中，光学出射窗口最后将超宽光谱激光射出。其中：
a.非线性光学材料为固态或液态或气态或固态与液态混合或固态与气态混合或液态与气态混合或固态、液态和气态混合；
b.激光器为锁模运转或调Q运转或自由脉冲运转或连续运转。
非线性光学材料同时产生包括200～2000nm光谱范围的超宽光谱激光，同时将300～750nm光谱范围或其中的部分光谱范围的超宽光谱激光用于驱鸟。
激光器输出的激光作为非线性光学材料的泵浦激光，其波长可以在300～750nm范围内或此光谱范围之外。
光电接收器放置在光学分束镜分出的超宽光谱激光功率小的一束光路中，光电接收器响应波长可以是300～750nm整个光谱范围或其中的部分光谱范围或其中单一波长，实时监测超宽光谱激光的功率或强度，并将监测信号传输到光电控制系统。
光电控制系统与光学分束镜、光电接收器和激光器组成超宽光谱激光输出功率的实时监控系统，根据监测到的超宽光谱激光功率或强度，实时调整激光器的工作电流，避免驱鸟器长期工作情况下超宽光谱激光功率的降低，以保证激光驱鸟器具有良好的长期驱鸟效果。
光学耦合系统由透镜或透镜组组成，或由反射镜或反射镜组组而成，或由透镜与反射镜组合而成，或由透镜组与反射镜组组合而成；或由透镜组与棱镜组组合而成，或由反射镜组与棱镜组组合而成，或由透镜组、反射镜组和棱镜组组合而成；根据非线性光学材料的结构特点,光学耦合系统将激光器输出的泵浦激光光斑整成圆形或椭圆形或条形，从而有效地将泵浦激光聚焦到非线性光学材料之中。
光电控制系统实时控制竖直方向机械转动平台驱动源，实现超宽光谱激光在竖直方向的扫描，其扫描速度由竖直方向转动平台驱动源控制。
光电控制系统实时控制水平方向机械转动平台驱动源，实现超宽光谱激光在水平方向的扫描，其扫描速度由水平方向机械转动平台驱动源控制。
光电控制系统对竖直方向机械转动平台和水平方向机械转动平台的非正常工作具有实时报警功能；光电控制系统对激光器的非正常工作具有实时报警功能。
远程控制系统光电控制系统进行实时远程控制；远程控制系统对激光器、竖直方向机械转动平台、竖直方向机械转动平台驱动源、水平方向机械转动平台、水平方向机械转动平台驱动源和光电控制系统的非正常工作具有实时报警功能。
本发明的效果是：(1)极大地扩大了驱鸟种类，克服现有激光驱鸟器激光波长单一，只对某些种类的鸟具有驱逐效果的问题。(2)极大地克服了被驱逐的鸟类对单一波长激光的适应性，进一步提高了驱鸟效果和驱鸟效率。(3)极大地拓展了激光驱鸟器的应用区域和应用范围，甚至能够用于驱逐其它野生动物。因此，超宽光谱激光驱鸟器能够广泛地应用于机场、果园、林场、水产养殖场、风力发电场等场所，对航空安全、农林渔业发展、野生动物保护和生态平衡等具有重要的意义。
附图说明
图1为超宽光谱激光驱鸟器装置示意图。
图中：激光器1，光学耦合系统2，非线性光学材料3，光学准直系统4，光学衰减器5，光学分束镜6，光学聚焦系统7，光学准直扩束系统8，光学反射镜9，光学出射窗口10，竖直方向机械转动平台11，竖直方向机械转动平台驱动源12，水平方向机械转动平台13，水平方向机械转动平台驱动源14，光电接收器15，光电控制系统16，远程控制系统17。
具体实施方式
结合图1对本发明做进一步描述：
超宽光谱激光驱鸟器，它包括激光器1、光学耦合系统2、非线性光学材料3、光学准直系统4、光学衰减器5、光学分束镜6、光学聚焦系统7、光学准直扩束系统8、光学反射镜9、光学出射窗口10、竖直方向机械转动平台11、竖直方向机械转动平台驱动源12、水平方向机械转动平台13、水平方向机械转动平台驱动源14、光电接收器15、光电控制系统16和远程控制系统17。其中，激光器1放置在最前面，光学耦合系统2、非线性光学材料3、光学准直系统4、光学衰减器5和光学分束镜6从前至后依次放置在激光器1输出激光的光路中；光学分束镜6将超宽光谱激光分为两束，其中，超宽光谱激光功率大的一束入射到光学聚焦系统7；光学准直扩束系统8、光学反射镜9和光学出射窗口10从前至后依次放置在光学聚焦系统的出射光路中，光学出射窗口10最后将超宽光谱激光射出；光电接收器15放置在光学分束镜分出的超宽光谱激光功率小的一束光路中。非线性光学材料3为固态或液态或气态或固态与气态混合或液态与气态混合或固态、液态和气态混合等各种形态，例如它可为空气孔周期性分布或随机分布的非线性光子晶体光纤或光子晶体，并且光子晶体光纤或光子晶体的空气孔中可以填充其它气体或填充液体或为其它固态材料。非线性光学材料3在泵浦激光作用下同时产生包括200～2000nm光谱范围的超宽光谱激光，而同时将300～750nm光谱范围或其中的部分光谱范围的超宽光谱激光用于驱鸟。
所采用的激光器1可以是锁模运转的激光器(包括飞秒和皮秒)，也可以是调Q运转或自由脉冲运转或连续运转激光器。激光器1产生的激光作为非线性光学材料3产生超宽光谱激光的泵浦激光，泵浦激光波长可以在驱鸟的有效波长300～750nm范围内或在其范围之外。
光学耦合系统2有如下几种组成方式：由透镜或透镜组组成，或由反射镜或反射镜组组而成，或由透镜与反射镜组合而成，或由透镜组与反射镜组组合而成；或由透镜组与棱镜组组合而成，或由反射镜组与棱镜组组合而成，或由透镜组、反射镜组和棱镜组组合而成；根据非线性光学材料的结构特点,光学耦合系统将激光器输出的泵浦激光光斑整成圆形或椭圆形或条形，从而有效地将激光聚焦到非线性光学材料之中。例如，显微物镜就可作为一种光学耦合系统。
光学准直系统4包括下述几种组成方式：由透镜或透镜组组成，或由反射镜或反射镜组组成，或由透镜与反射镜组合而成，或由透镜组与反射镜组组合而成；或由透镜组与棱镜组组合而成，或由反射镜组与棱镜组组合而成，或由透镜组、反射镜组和棱镜组组合而成；为了减少所使用的超宽光谱激光的功率损耗，光学准直系统4中透镜和棱镜在所使用的超宽光谱激光波长范围内镀光学增透膜，反射镜在所使用的超宽光谱激光波长范围内镀光学增反膜。
如果所使用的激光器1的激光波长在300～750nm范围内，则光学衰减器5对泵浦激光的功率衰减不小于97％，而对300～750nm范围内其它波长激光的衰减不大于5％，从而将泵浦激光功率衰减到人眼和鸟眼的安全标准之内，且高效传输对驱鸟有效的其它波长激光；如果所使用的激光器1的激光波长300～750nm范围内，则光学衰减器5对泵浦激光的衰减率不小于99％，而对300～750nm范围内的超宽光谱激光衰减率不大于1％。
准直后的超宽光谱激光经过光学衰减器5的衰减后入射到光学分束镜6上，光学分束镜6将超宽光谱激光分成两束；其中，超宽光谱激光功率大的一束入射到光学聚焦系统7，而超宽光谱激光功率小的一束入射到光电接收器15，用于激光器工作的实时监控。例如，光学分束镜6可为一个来平行平面镜，由光学衰减器出射的超宽光谱激光以45°的入射角入射到作为平行平面镜上。而平行平面镜两面在300～750nm的波长范围内的光学镀膜要求如下：透率率和反射率的比值p的范围为2％<p≤5％，以此反射光入射到光学聚焦系统7，用于驱鸟。这考虑到了以下影响因素：(1)激光器1功率的不稳定度不大于2％；(2)光电接收器15的分辨率；(3)最佳驱鸟功率的±20％范围内超宽光谱激光与激光器1输出的泵浦光间的转换效率等。光学聚焦系统7使用一个凸透镜或一个凹面反射镜，或由透镜与反射镜的组合而成，或由透镜组与反射镜组组合而成；所采用的透镜或反射镜分别在所使用的超宽光谱激光的波长范围内镀光学增透膜和增反膜。光学聚焦系统7将超宽光谱激光的光斑聚焦到尽可能小，以保证后面激光的准直和扩束；并且光学聚焦系统7在光路中具有前后平移调节功能，以保证光学聚焦系统7产生的聚焦光斑位置与其后面的光学准直扩束系统8的入射焦点位置重合且同光轴。
为了保证驱鸟的范围和效率，并保证人眼和鸟眼的安全，必须采用光学准直扩束系统8对超宽光谱激光进行准直和扩束。所采用的光学准直扩束系统8包括下述几种组成方式：由透镜或透镜组组成，或由反射镜或反射镜组组成，或由透镜与反射镜组合而成，或由透镜组与反射镜组组合而成。并且光学准直扩束系统8具有对焦调节功能。为了减小超宽光谱激光的反射损耗，光学准直扩束系统8中的透镜和反射镜分别在超宽光谱波长范围镀光学增透膜和增反膜。
光学反射镜9将激光反射到光学出射窗口10射出。光学出射窗口10为平面输出镜，光学出射窗口是为保护出射窗口前的光路系统不受外界环境的影响。它在超宽光谱激光的波长范围内镀光学增透膜。
竖直方向机械转动平台11安装在水平方向机械转动平台13上面，而光学反射镜9和光学出射窗口10安装在竖直方向机械转动平台11上面；或者水平方向机械转动平台13安装在竖直方向机械转动平台11上面，而光学反射镜9和光学出射窗口10安装在水平方向机械转动平台13上面；或者光学反射镜9安装在竖直方向机械转动平台11上面，而竖直方向机械转动平台11和光学出射窗口10都安装在水平方向机械转动平台13上面。
光电接收器15响应波长可以是300～750nm的内单一波长或其中某一范围，实时监测超宽光谱激光的功率或强度，并将监测信号传输到光电控制系统16。
光电控制系统16与光学分束镜6、光学聚焦系统7、光电接收器和激光器1组成超宽光谱激光输出功率的实时监控系统，能够通过监测超宽光谱激光功率的变化，实时调整激光器1的工作电流，实现超宽光谱激光的最佳驱鸟功率的恒定输出，以保证激光驱鸟器具有良好的长期驱鸟效果，并保证鸟眼和人眼安全。
光电控制系统16实时控制竖直方向机械转动平台驱动源12，实现超宽光谱激光在竖直方向的扫描，其扫描速度由竖直方向转动平台驱动源12控制。
光电控制系统16实时控制水平方向机械转动平台驱动源14，实现超宽光谱激光在水平方向的扫描，其扫描速度由水平方向机械转动平台驱动源14控制。
光电控制系统16对竖直方向机械转动平台11和水平方向机械转动平台13的非正常工作具有实时报警功能。光电控制系统16对激光器1的非正常工作具有实时报警功能。
远程控制系统17对光电控制系统16进行实时远程控制。远程控制系统17对激光器1、竖直方向机械转动平台11、竖直方向机械转动平台驱动源12、水平方向机械转动平台13、水平方向机械转动平台驱动源14和光电控制系统16的非正常工作具有实时报警功能。
下面再以具体实施例说明本激光驱鸟器：
实施例一
本实施例中所使用的具体器件：
激光器1是全固态Nd:YVO4/LBO 532nm皮秒锁模激光器，激光波长532nm，输出功率为2W，脉冲宽度300ps。
光学耦合系统2为40×显微物镜。
非线性光学材料3为零色散波长500nm的空气孔随机分布的光子晶体光纤，长度不大于200mm。
光学准直系统4为一个20×显微物镜。
光学衰减器5为一个光学滤光片，其在532nm透射率不大于2％，而不包括532nm的300～750nm光谱范围内的其它波长光的透射率大小99％。
光学分束镜6为一个入射角45°的平行平面分束，在300～750nm光谱范围内激光的透射率和反射率p比值为2％<p≤5％。
光学聚焦系统7为一个凸透镜，焦距为10mm，在300～750nm光谱范围内镀光学增透膜，透射率为96％。
光学准直扩束镜8为一个望远镜，焦距为1600mm，口径为220mm，在300～750nm光谱范围内镀光学增透膜，透射率为90％。
反射镜9为一个紫外石英玻璃平面镜，直径300mm，在300～750nm光谱范围内镀光学增反膜，反射率为96％。
光学出射窗口10为一个紫外石英玻璃平面镜，在300～750nm光谱范围内镀光学增透膜，透射率为96％。
竖直方向机械转动平台11安装在水平方向机械转动平台上面，而光学反射镜9和光学出射窗口10安装在竖直方向机械转动平台上面。
竖直方向机械转动平台11为一个步进电机带动的电动旋转平台，最大旋转角度45°，转动角度精度优于0.02°，可作循环往复运动。
竖直方向机械转动平台驱动源12，具有转动速度和转动方向自动控制功能，并具有远程控制接口。
水平方向机械转动平台13为一个步进电机带动的电动旋转平台，最大旋转角度300°，扫射角度精度优于0.02°，可作循环往复运动。
水平方向机械转动平台驱动源14，具有转动速度和转动方向自动控制功能，并具有远程控制接口。
光电接收器15的响应波长范围为400～600nm，灵敏度10μW。
光电控制系统16具有对激光器1工作电流、竖直方向机械转动平台驱动源12、水平方向机械转动平台驱动源14的控制功能和非正常报警功能。
远程控制系统17为一台计算机，对光电控制系统进行远程控制。
本发明使用的激光器输出1W时，光子晶体光纤产生的300～750nm超宽光谱激光的功率为190mW，光学准直扩束系统出射的激光光斑为一个圆形光斑，直径为150mm，激光发散角15μrad，激光功率密度小于1.82mW/cm2，满足人眼安全和鸟眼安全标准；竖直方向机械转动平台水平带动反射镜9向下扫描20°，扫射角度精度优于0.02°。此发明的激光驱鸟器非常适于机场驱鸟应用。
实施例二
本实施例中所使用的具体器件：
激光器1为掺Yb3+光子晶体光纤皮秒锁模激光器，激光波长1030nm，输出功率为1W，脉冲宽度300ps。
光学耦合系统2为40×显微物镜。
非线性光学材料3为零色散波长550nm和1053nm的双零色散波长的光子晶体光纤，长度不大于200mm。
光学准直系统4为一个20×显微物镜。
光学衰减器5为一个光学滤光片，其在800nm～1030nm镀光学增反膜，透射率不大于1％，300～750nm镀光学增透膜，透射率大小96％。
光学分束镜6为一个入射角45°的平行平面分束，在300～750nm光谱范围内激光的透射率和反射率p比值为2％<p≤5％。
光学聚焦系统7为一个凸透镜，焦距为10mm，在300～750nm光谱范围内镀光学增透膜，透射率为96％。
光学准直扩束镜8为一个望远镜，焦距为1600mm，口径为100mm，在300～750nm光谱范围内镀光学增透膜，透射率为90％。
反射镜9为一个紫外石英玻璃做好的平面镜，直径300mm，在300～750nm光谱范围内镀光学增反膜，反射率为96％。
光学出射窗口10为一个紫外石英玻璃做成的平面镜，在300～750nm光谱范围内镀光学增透膜，透射率为96％。
水平方向机械转动平台13安装在竖直方向机械转动平台11上面，而光学反射镜9和光学出射窗口10安装在水平方向机械转动平台13上面。
竖直方向机械转动平台11为一个步进电机带动的电动旋转平台，最大旋转角度45°，转动角度精度优于0.02°，作往复扫描。
竖直方向机械转动平台驱动源12，具有转动速度和转动方向自动控制功能，并具有远程控制接口。
水平方向机械转动平台13为一个步进电机带动的电动旋转平台，最大旋转角度360°，扫射角度精度优于0.02°，作圆周扫描。
水平方向机械转动平台驱动源14，具有转动速度和转动方向自动控制功能，并具有远程控制接口。
光电接收器15的响应波长范围为300～700nm，灵敏度10μW。
光电控制系统16具有对激光器1的工作电流、竖直方向机械转动平台驱动源12、水平方向机械转动平台驱动源14的控制功能和非正常报警功能。
远程控制系统17为一台计算机，对光电控制系统进行远程控制。
本发明使用的激光器输出1W时，光子晶体光纤产生的300～750nm超宽光谱激光的功率为50mW，光学准直扩束系统出射的激光光斑为圆形光斑，直径为90mm，激光发散角17μrad，激光功率密度小于1.82mW/cm2，满足人眼安全和鸟眼安全标准；竖直方向机械转动平台水平带动反射镜9水平方向向上扫描30°，扫射角度精度优于0.02°，往复扫描。此激光驱鸟器适用于机场、果园、林场、水产养殖场、发电场等场所的驱鸟应用。
Claims (8)
1.超宽光谱激光驱鸟器，包括激光器(1)、光学耦合系统(2)、非线性光学材料(3)、光学准直系统(4)、光学衰减器(5)、光学分束镜(6)、光学聚焦系统(7)、光学准直扩束系统(8)、光学反射镜(9)、光学出射窗口(10)，其特征在于：激光器(1)放置在最前面，光学耦合系统(2)、非线性光学材料(3)、光学准直系统(4)、光学衰减器(5)和光学分束镜(6)从前至后依次放置在激光器(1)输出激光的光路中；光学分束镜(6)将超宽光谱激光分为两束，其中，超宽光谱激光功率大的一束入射到光学聚焦系统(7)；光学准直扩束系统(8)、光学反射镜(9)和光学出射窗口(10)从前至后依次放置在光学聚焦系统(7)的出射光路中，光学出射窗口(10)最后将超宽光谱激光射出；其中：
a.非线性光学材料(3)为固态或液态或气态或固态与液态混合或固态与气态混合或液态与气态混合或固态、液态和气态混合；
b.激光器(1)为锁模运转或调Q运转或自由脉冲运转或连续运转。
2.根据权利要求1所述的超宽光谱激光驱鸟器，其特征在于：非线性光学材料(3)同时产生包括200～2000nm光谱范围的超宽光谱激光，同时将300～750nm或其中的部分光谱范围的超宽光谱激光用于驱鸟。
3.根据权利要求1所述的超宽光谱激光驱鸟器，其特征在于：激光器(1)输出的激光作为非线性光学材料(3)的泵浦激光，其波长可以在300～750nm范围内或此光谱范围之外。
4.根据权利要求1所述的超宽光谱激光驱鸟器，其特征在于：光电接收器(15)放置在光学分束镜(6)分出的超宽光谱激光功率小的一束光路中，光电接收器(15)响应波长可以是300～750nm整个光谱范围或其中某一部分光谱范围或其中单一波长，实时监测超宽光谱激光的功率或强度，并将监测信号传输到光电控制系统(16)。
5.根据权利要求4所述的超宽光谱激光驱鸟器，其特征在于：光电控制系统(16)与光学分束镜(6)，光电接收器(15)和激光器(1)组成超宽光谱光输出功率的实时监控系统；根据监测到超宽光谱激光功率或强度，实时调整激光器的工作电流，避免驱鸟器长期工作情况下超宽光谱激光功率的降低，以保证激光驱鸟器具有良好的长期驱鸟效果。
6.根据权利要求1所述的超宽光谱激光驱鸟器，其特征在于：光学耦合系统(2)由透镜或透镜组组成，或由反射镜或反射镜组组成，或由透镜与反射镜组合而成，或由透镜组与反射镜组组合而成，或由透镜组与棱镜组组合而成，或由反射镜组与棱镜组组合而成，或由透镜组、反射镜组和棱镜组组合而成；根据非线性光学材料(3)的结构特点,光学耦合系统(2)将激光器(1)输出的泵浦激光光斑整成圆形或椭圆形或条形，从而有效地将泵浦激光聚焦到非线性光学材料(3)之中。
7.根据权利要求5所述的超宽光谱激光驱鸟器，其特征在于：
1)光电控制系统(16)实时控制竖直方向机械转动平台驱动源(12)，实现超宽光谱激光在竖直方向的扫描，其扫描速度由竖直方向机械转动平台驱动源(12)控制；
2)光电控制系统(16)实时控制水平方向机械转动平台驱动源(14)，实现超宽光谱激光在水平方向的扫描，其扫描速度由水平方向机械转动平台驱动源(14)控制；
3)光电控制系统(16)对竖直方向机械转动平台(11)和水平方向机械转动平台(13)的非正常工作具有实时报警功能；光电控制系统(16)对激光器(1)的非正常工作具有实时报警功能。
8.根据权利要求7所述的超宽光谱激光驱鸟器，其特征在于：远程控制系统(17)对光电控制系统(16)进行实时远程控制；远程控制系统(17)对激光器(1)、竖直方向机械转动平台(11)、竖直方向机械转动平台驱动源(12)、水平方向机械转动平台(13)、水平方向机械转动平台驱动源(14)和光电控制系统(16)的非正常工作具有实时报警功能。
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