CN107422335A - 线光源地形探测沙姆激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线光源地形探测沙姆激光雷达，包括发射部分线光源、接收部分、无人机平台，接收部分包括广角成像透镜、滤光片和面阵探测器，被摄平面成像透镜、面阵探测器三个面的延长面相交于一直线，线光源发出光束，被摄平面不同距离处的目标一一对应到面阵探测器上形成全面清晰的影像。本发明针对水田平整度应用探测距离小于十五米的特点，设计了线光源雷达，可实现对目标水田的高精度三维轮廓探测，测量精度可以达到1cm，可以作为田野间的土地平整度检测等地形地貌探测领域。
Description
技术领域
本发明涉及地形地貌检测和激光雷达技术领域，能够通过在无人机上搭载线光源沙姆激光雷达，实现对地形地貌的实时检测。
背景技术
水稻由于其特殊的生长要求，对水田的平整要求很高。精细平整的农田不仅能大幅度节约农田灌溉用水，还能有效地提高肥料的利用率和抑制杂草的生长。对于地形地貌检测领域的激光雷达，传统工作原理是通过脉冲激光测距和扫描测角实现对目标轮廓的三维扫描测量。脉冲激光束被分为1线、4线、8线、16线、32线或64线，多个激光束在竖直方向沿不同角度发出，经水平方向推扫实现对目标区域的三维轮廓探测。测量线数越多，其竖直方向上角分辨率越高，地形地貌的检测分辨率越高。基于这个思想，采用线光源激光雷达技术代替传统脉冲激光能够得到更高的分辨率。线光源激光雷达利用沙姆定律测距，不同高度形成的距离信息对应成像探测器上像素点的不同位置，通过识别像素点的位置即可获取目标的高度信息。现在有针对百米以上设计的林业植株检测的连续光源激光雷达，缺点在于距离分辨率不高，在一百米处误差在一分米左右。并且受光源功率限制，导致即使使用线光源，其发射扇角很小，线扫描的效率很低，与点扫描无多大区别。
发明内容
1、发明目的。
本发明改进现有脉冲式及连续光激光雷达检测的局限，提出一种针对十五米内水田平整度检测的沙姆雷达技术，结合无人机飞行器的搭载，用于近距离高精度的目标水田区域的三维轮廓探测。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提出的一种线光源地形探测沙姆激光雷达，包括发射部分为线光源、接收部分、无人机平台，
接收部分包括成像透镜、滤光片和面阵探测器，
被摄平面成像透镜、面阵探测器三个面的延长面相交于一直线，线光源发出光束，被摄平面不同距离处的目标一一对应到面阵探测器上形成全面清晰的影像。
更进一步具体实施方式中，所述的线光源为点光源经过扩束器，然后再经过柱透镜产生线光源。
更进一步具体实施方式中，所述的线光源用点光源照射线形激光发生器产生线光源。
更进一步具体实施方式中，所述的线光源为点光源照射一维振镜，通过控制一维振镜的转动来产生线光源。
更进一步具体实施方式中，所述的点光源可为半导体二极管激光器，也可为发光二极管。
更进一步具体实施方式中，所述的接收部分的滤光片为带通滤光片。
更进一步具体实施方式中，被摄平面不同距离处的目标一一对应到影像平面上的点，其中透镜焦距为f，镜头中心到被摄平面距离为L，镜头平面与被摄平面的夹角是θ(0<θ≤90°；θ＝90°时，cotθ＝0)，被摄平面对应距离方向z，假设校准距离为z0，距离具体计算方式如下式：
其中P为待测目标像素点，P0为校准距离z0处对应的像素点，Pixpitch为像素间距；参数p0由下式决定：
3、本发明所产生的技术效果。
(1)本发明基于连续光而非脉冲光的测量方式，采用了线光源提高了系统的紧凑型和线光源方向上的分辨率；相较以往的连续光激光雷达测量方法，设计了较大发射扇角的线光源雷达，线光源的发射扇角可为50度或更大，提高了测量精度及线光源方向上的测量范围。。
(2)本发明由于采用的是线光源照明，因此每次都可以获得一个线阵的地形轮廓，再结合无人机在水平方向上的推扫，即可实现对目标水田的高精度三维轮廓探测。该系统的探测距离为十五米时，测量精度可以达到5cm以内，探测距离五米以内时的精度可以达到1cm。可以作为田野间的土地平整度检测等地形地貌探测领域。
附图说明
图1为本发明沙姆定律测距的原理图。
图2为线光源地形探测沙姆激光雷达的工作示意图。
图3为面阵探测器得到的信号示意图。
1是发射部分，2是接收部分包括成像透镜、滤光片和面阵探测器，3是线光源光束，4是不同的地形地貌示意，5是系统搭载的无人机平台。
具体实施方式
实施例
本发明改进现有脉冲式及连续光激光雷达检测的局限，提出一种针对十五米内水田平整度检测的沙姆雷达技术，结合无人机飞行器的搭载，用于近距离目标水田区域的三维轮廓探测。当被摄体平面、影像平面、镜头平面这三个面的延长面相交于一直线时，即可得到全面清晰的影像。利用不同高度形成的距离信息一一对应成像探测器上像素点的不同位置，通过识别像素点的位置即可获取目标的高度信息。
本发明专利利用半导体二极管激光器和柱透镜产生线光源，并在竖直方向上出射到目标区域。使用面成像激光雷达作为探测单元，包括广角成像透镜，滤光片和面阵成像探测器。
图1是本发明专利中沙姆定律测距的原理图。其中当被摄平面、影像平面、镜头平面这三个面的延长面相交于一直线时，即可在影响平面得到全面清晰的影像。被摄平面不同距离处的目标一一对应到影像平面上的点。其中透镜焦距为f，镜头中心到被摄平面距离为L，镜头平面与被摄平面的夹角是θ，被摄平面对应距离方向z，假设校准距离为z0。距离具体计算方式如下式(1)：
其中P为待测目标像素点，P0为校准距离z0处对应的像素点，Pixpitch为像素间距。参数p0由下式(2)决定：
图2是线光源地形探测沙姆激光雷达的工作示意图。1是发射部分二极管激光器，2是接收部分包括成像透镜、滤光片和面阵探测器，3是线光源光束，4是不同的地形地貌示意，5是系统搭载的无人机平台，系统最终可以得到x方向上的高度信息，线光源覆盖的地形y
方向的信息以及无人机飞行扫描z方向的信息。
图3是面阵探测器得到的信号示意图。结合无人机飞行扫描z方向，即可反演出真实的三维水田平整度图。
如图2所示，1是发射部分线光源二极管激光器(中心波长为近红外808nm，肉眼不可见)，出射的具有较大发射扇角的准直线光源照亮物面。光经过物面上的障碍物(路面的凸起或凹陷)后被接收部分2收集，接收部分包括广角成像透镜、滤光片(808nm带通滤光片)和面阵探测器(1088*2048个像素点，单个像素点尺寸为5.5um*5.5um)。面阵探测器上的图像如图3所示，x轴方向表示高度(距离方向)，y轴方向表示线光源照亮的区域方向，如果在地面上遇到凸起或者凹陷，在探测器上能够清晰显示出来。结合无人机飞行扫描z方向，即可反演出真实的三维地形地貌图。该系统的探测距离为十五米时，测量精度可以达到5cm以内，探测距离五米以内时的精度可以达到1cm。可以作为田野间的土地平整度检测等地形地貌探测领域。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种线光源地形探测沙姆激光雷达，其特征在于：包括发射部分(1)为线光源、接收部分(2)、无人机平台(5)，
接收部分(2)包括广角成像透镜、滤光片和面阵探测器，
线光源发出光束，被摄平面(4)、广角成像透镜、面阵探测器三个面的延长面相交于一直线，被摄平面不同距离处的目标一一对应到面阵探测器上形成全面清晰的影像。
2.根据权利要求1所述的线光源地形探测沙姆激光雷达，其特征在于：所述的线光源可为点光源经过扩束或扩散，然后再经过柱透镜产生较大发射扇角的线光源。
3.根据权利要求1所述的线光源地形探测沙姆激光雷达，其特征在于：所述的线光源用点光源照射线形激光发生器产生较大发射扇角的线光源。
4.根据权利要求1所述的线光源地形探测沙姆激光雷达，其特征在于：所述的线光源也可为点光源照射一维振镜，通过控制一维振镜的转动来产生线光源。
5.根据权利要求2、3、4任一所述的线光源地形探测沙姆激光雷达，其特征在于：点光源可为半导体二极管激光器，也可为发光二极管。
6.根据权利要求1所述的线光源地形探测沙姆激光雷达，其特征在于：所述的接收部分(2)的滤光片为带通滤光片。
7.根据权利要求1所述的线光源地形探测沙姆激光雷达，其特征在于：被摄平面不同距离处的目标一一对应到影像平面上的点，其中透镜焦距为f，镜头中心到被摄平面距离为L，镜头平面与被摄平面的夹角是θ(0<θ≤90°；θ＝90°时，cotθ＝0)，被摄平面对应距离方向z，假设校准距离为z0，距离具体计算方式如下式：
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其中P为待测目标像素点，P0为校准距离z0处对应的像素点，Pixpitch为像素间距；参数p0由下式决定：
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Application publication date: 20171201 |
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