CN107991685B - 基于线激发光源的面探测激光荧光雷达及探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于线激发光源的面探测激光荧光雷达及探测方法。目前的激光荧光雷达的结构与传统激光雷达相似，结构比较复杂，价格昂贵，对于距离信息则无法获得。本发明包括线激发光源、镜头、滤波片、彩色CCD或CMOS，线激发光源照亮的平面、镜头所在平面、彩色CCD或CMOS所在平面三个平面相交于一条直线。具体探测方法是：首先进行标定；然后测量，还原荧光发生位置，形成随时域的二维荧光图像；最后针对不同应用场景，对采集的数据进行模式识别训练，或根据模式对新测到的数据进行判断。本发明没有扫描空隙，不容易遗漏信息，对近场的探测性能尤为出色，提高了探测效率，同时为后续的数据处理与模型建立提供了空间。

Description

基于线激发光源的面探测激光荧光雷达及探测方法
技术领域
本发明属于激光荧光雷达探测领域，涉及一种基于线激发光源的面探测激光荧光雷达及探测方法。
背景技术
激光雷达作为一种先进的测距手段，被广泛地应用到各种地形地貌探测、障碍物探测等应用场景中。传统的激光雷达使用飞行法或相位法来确定单点的位置信息。通过电机旋转得到一周360度得到一个平面上的障碍物位置信息。这种方式对电机的旋转角度定位有较高要求。由于只是接收反射光信号，因而传统的激光雷达只能判断目标的有无，而不能判断目标是什么。荧光检测是对探测目标物信息的有力补充。由于不同的化学成分有其不同的荧光特性，因而通过分析荧光光谱，可以区分不同的目标，达到分类的要求。目前的激光荧光雷达主要用于海洋探测和农业遥感，其结构与传统激光雷达相似，但光源会使用大功率的脉冲激光器，探测器会使用滤波片加光电倍增管组的形式，结构比较复杂，价格昂贵，并且主要用于远场检测，对于近场则会受限于光学系统的近场噪声而无法探测，只能用于荧光检测，对于距离信息则无法获得。
发明内容
本发明的目的就是针对现有激光荧光雷达单线扫描容易遗漏、近场检测能力不足、机械结构复杂、稳定性要求高、扫描速率低、价格昂贵等问题，提出了一种基于线激发光源的面探测激光荧光雷达的探测方法。
本发明的基于线激发光源的面探测激光荧光雷达包括线激发光源、镜头、滤波片、彩色CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)、计算分析单元，线激发光源照亮的平面、镜头所在平面、彩色CCD或CMOS所在平面三个平面相交于一条直线；彩色CCD或CMOS与光源照亮平面所成角度
Figure GDA0002799176880000021
其中α为线激发光源照亮的平面与镜头所在平面的夹角，L为镜头中心位置与线激发光源照亮的平面之间的距离，F为镜头的焦距。
线激发光源作为激发光照亮一个平面，并激发平面内被照亮的物体产生荧光。荧光和反射的激发光被镜头收集，在通过滤波片时，激发光被滤去，荧光成像在彩色CCD或CMOS上。根据成像位置，可以还原出荧光的位置，实现雷达的功能。根据RGB三个通道对荧光进行分析，可以获得被激发物的信息，从而为物质分类、判断提供依据。
由于各光学元件的偏差，实际彩色CCD或CMOS与线激发光源照亮的平面所成角度可能与理论计算存在±2度内的偏差；通过调节参数α、L、F，实现调节激光雷达测距与空间探测范围。
该基于线激发光源的面探测激光荧光雷达的探测方法，具体步骤是：
步骤(1).标定过程：在距离激光照亮平面坐标为(M,N)的位置放置荧光发生物，荧光发生物被激光照射激发荧光，荧光在CCD或CMOS上成像出亮点，坐标为(m,n)，计算出参数坐标(P,Q)：
Figure GDA0002799176880000022
Figure GDA0002799176880000023
步骤(2).测量过程：当有物体出现在线激发光源照亮的平面时，线激发光源激发物体产生荧光，荧光经透镜成像在彩色CCD或CMOS相应位置上；
步骤(3).使用根据CCD或CMOS上亮点位置(h,w)，还原荧光发生位置(H,W)：
Figure GDA0002799176880000031
Figure GDA0002799176880000032
其中，pixh、pixw分别为单个像素在横向和纵向上的尺寸。
步骤(4).形成随时域的二维荧光图像；
步骤(5).针对不同应用场景，对CCD或CMOS采集的数据进行模式识别训练；或根据模式对新测到的数据进行判断。
本发明线激发光源使用线激光，可以对整个探测平面区域内的物体进行照射与荧光激发。当线激发光源照亮的平面上出现探测目标时，线激光可以激发目标的荧光，荧光被镜头收集并成像到彩色CCD或CMOS上。通过CCD或CMOS上信号的位置，可以还原荧光发生的位置。通过分析荧光的RGB光谱，可以建立模型并或对新信号进行判断分类。
本发明所产生的技术效果：
(1)本发明采用线光源激光对探测平面上的物质进行荧光激发，结合光面成像技术，相当于同时对所有像素点对应空间位置进行测量，相对于单线扫描并结合旋转的方式，没有扫描空隙，不容易遗漏信息。
(2)本发明采用了成像技术而非飞行时间法技术获得距离信息，因而对近场的探测性能尤为出色。
(3)由于采用了非旋转式结构，降低了系统结构复杂性，降低了系统成本，大大提高了探测效率。
(4)本发明使用彩色CCD或CMOS作为探测单元，能够同时获得RGB三个通道的光谱信息，为后续的数据处理与模型建立提供了空间。
附图说明
图1是系统结构图；
图2是系统内部左视图；
图3是系统内部俯视图；
图4是系统对花粉检测时的效果图。
具体实施方式
一种基于线激发光源的面探测激光荧光雷达。包括线激发光源、镜头、滤波片、彩色CCD或CMOS。线激发光源照亮一个平面，并激发平面内被照亮的物体产生荧光。荧光和被反射的激发光被镜头收集，在通过陷波滤波片时，激发光被滤去，荧光成像在彩色CCD或CMOS上。根据成像位置，可以还原出荧光的位置，实现雷达的功能。根据RGB三个通道对荧光进行分析，可以获得被激发物的信息，从而为物质分类、判断提供依据。
如图1所示，一种基于线激发光源的面探测激光荧光雷达，包括线激发光源1、镜头2、滤波片3、彩色CCD或CMOS 4。线激发光源照亮的平面、镜头所在平面、彩色CCD或CMOS所在平面三个平面相交于一条直线。
线激发光源1所使用激光器为大功率连续光激光光源或脉冲激光光源，并通过树脂透镜、玻璃透镜或鲍威尔透镜产生线光源；镜头2为变焦或定焦镜头。
滤波片3为陷波滤波片，中心波长对应线光源激光器输出波长，带宽±5nm，光学密度4以上；或者为长通滤波片，截止波长大于线光源激光器输出波长。
图2为系统的左视图，图3是系统内部俯视图。如图2和3，线激发光源照亮的平面与镜头所在平面的夹角为α，彩色CCD或CMOS与光源照亮平面所成的角度为β，镜头中心位置与线激发光源照亮的平面之间的距离为L，镜头的焦距为F；则
Figure GDA0002799176880000051
基于上述装置的探测方法，具体实施步骤如下：
步骤(1).标定过程：在距离激光照亮平面坐标为(M,N)的位置放置荧光发生物，荧光发生物被激光照射激发荧光，荧光在CCD或CMOS上成像出亮点，坐标为(m,n)，计算出参数坐标(P,Q)：
Figure GDA0002799176880000052
Figure GDA0002799176880000053
步骤(2).测量过程：当有物体出现在线激发光源照亮的平面时，线激发光源激发物体产生荧光，荧光经透镜成像在彩色CCD或CMOS相应位置上；
步骤(3).使用根据CCD或CMOS上亮点位置(h,w)，还原荧光发生位置(H,W)：
Figure GDA0002799176880000054
Figure GDA0002799176880000055
其中，pixh、pixw分别为单个像素在横向和纵向上的尺寸。
步骤(4).形成随时域的二维荧光图像；
步骤(5).针对不同应用场景，对CCD或CMOS采集的数据进行模式识别训练；或根据模式对新测到的数据进行判断。
实施例1
花粉是一种过敏源，对空气中漂浮的花粉进行检测能够为过敏患者提供有效预警。花粉由于其组成成分不同，会具有不同的荧光效应，即不同的花粉会在相同的激发光下产生不同的荧光。本发明所采用的荧光探测方法，如图4所示。荧光雷达主要参数为，L＝0.1米，F＝0.018米，α＝90度；激光功率1瓦，发散角50度，中心波长405纳米；滤波片采用陷波滤波片中心波长405纳米，带宽正负5纳米，OD值5；选用彩色CMOS作为感光元件。当花粉飘过线激光照射范围时，花粉产生的荧光会成像在彩色CMOS相应位置上成像。根据图像上信号位置，可以确定花粉位置。根据图像上RGB三通道的信号，通过模型分析，可以鉴别出花粉的种类。
实施例2
农田监测和林业勘探，目前主要采用人工检测的方式。人工检查费时费力，效率不高。采用无人机巡航，结合本发明的面探测激光荧光雷达及方法，可以对检测范围内的作物种类、作物高度、作物面积等进行勘探，为农业信息化提供依据。具体的，该荧光雷达主要参数为，L＝0.1米，F＝0.018米，α＝90度；激光功率3瓦，发散角50度，中心波长445纳米；滤波片采用长通滤波片，截止波长450纳米；选用彩色CMOS作为感光元件。CMOS得到的信号、无人机坐标位置、高度、角度等信息通过无人机的传输模块传输到远方基站。通过分析信号的位置，可以得到植株的高度。通过分析信号的RGB值，套用建立的模型，可以得到植株的种类。通过结合GPS信息建立三维模型，可以得到植株的面积。

Claims (5)

1.基于线激发光源的面探测激光荧光雷达的探测方法，所述的面探测激光荧光雷达包括线激发光源、镜头、滤波片、彩色CCD或CMOS、计算分析单元；
所述的滤波片为陷波滤波片，中心波长对应线光源激光器输出波长，带宽±5nm，光学密度4以上；
线激发光源照亮的平面、镜头所在平面、彩色CCD或CMOS所在平面三个平面相交于一条直线；
彩色CCD或CMOS与光源照亮平面所成角度
Figure FDA0002582900110000011
其中α为线激发光源照亮的平面与镜头所在平面的夹角，L为镜头中心位置与线激发光源照亮的平面之间的距离，F为镜头的焦距；
其特征在于，具体探测方法是：
步骤(1).标定过程：在距离激光照亮平面坐标为(M,N)的位置放置荧光发生物，荧光发生物被激光照射激发荧光，荧光在CCD或CMOS上成像出亮点，坐标为(m,n)，计算出参数坐标(P,Q)：
Figure FDA0002582900110000012
Figure FDA0002582900110000013
步骤(2).测量过程：当有物体出现在线激发光源照亮的平面时，线激发光源激发物体产生荧光，荧光经透镜成像在彩色CCD或CMOS相应位置上；
步骤(3).使用根据CCD或CMOS上亮点位置(h,w)，还原荧光发生位置(H,W)：
Figure FDA0002582900110000021
Figure FDA0002582900110000022
其中，pixh、pixw分别为单个像素在横向和纵向上的尺寸；
步骤(4).形成随时域的二维荧光图像；
步骤(5).针对不同应用场景，对CCD或CMOS采集的数据进行模式识别训练；或根据模式对新测到的数据进行判断。
2.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于：所述的线激发光源所使用激光器为大功率连续光激光光源或脉冲激光光源，并通过树脂透镜、玻璃透镜或鲍威尔透镜产生线光源。
3.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于：所述的镜头为变焦或定焦镜头。
4.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于：所述的滤波片为长通滤波片，截止波长大于线光源激光器输出波长。
5.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于：所述的面探测激光荧光雷达通过调节参数α、L、F，实现调节激光雷达测距与空间探测范围。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109597094B (zh) * 2018-10-26 2021-08-31 上海神添实业有限公司 基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104913734A (zh) * 2015-06-17 2015-09-16 西安交通大学 一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置及方法
CN106959451A (zh) * 2017-03-17 2017-07-18 深圳大学 一种激光雷达和激光雷达的探测方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5319505B2 (ja) * 2009-12-02 2013-10-16 オリンパス株式会社 レーザ共焦点顕微鏡、及び、試料表面検出方法
EP2708913A1 (de) * 2012-09-18 2014-03-19 Sick Ag Optoelektronischer Sensor und Verfahren zur Objekterfassung
CN105180841B (zh) * 2015-10-28 2018-01-23 广东工业大学 一种新型微型元件三维测量系统及其测量方法
CN106226782A (zh) * 2016-07-29 2016-12-14 大连理工大学 一种大气风速分布探测的装置和方法
CN106597464A (zh) * 2016-12-29 2017-04-26 浙江大学 基于沙姆定律的扫描光谱激光雷达
CN206362929U (zh) * 2017-01-18 2017-07-28 北京佳光科技有限公司 激光雷达以及激光雷达测量装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104913734A (zh) * 2015-06-17 2015-09-16 西安交通大学 一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置及方法
CN106959451A (zh) * 2017-03-17 2017-07-18 深圳大学 一种激光雷达和激光雷达的探测方法

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