CN217456368U - 一种具有着陆激光雷达系统的无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有着陆激光雷达系统的无人机，通过在无人机的底部安装着陆激光雷达系统，该着陆激光雷达系统包括基于超表面的发射模块、分光元件、MEMS振镜以及接收模块；分光元件能够透过基于超表面的发射模块发出的2ⁿ个探测光束，使得2ⁿ个探测光束中的各探测光束被MEMS振镜反射到目标物体的不同位置，从而对目标物体进行扫描，超表面具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，那么使得采用超表面的着陆激光雷达系统具有结构简单、系统复杂度低，装调简单，损坏后易于维修、整体规格较小，可以与更多的应用场景兼容的特点，满足激光雷达小型化发展趋势。

Description

一种具有着陆激光雷达系统的无人机

技术领域

本实用新型涉及超透镜应用技术领域，具体而言，涉及一种具有着陆激光雷达系统的无人机。

背景技术

目前，无人机因体积小、重量轻、机动灵活和反应快速等特点，被广泛的应用到地形测绘、森林防火、矿业勘探等领域，具有广阔的前景。但无人机使用的雷达系统体积规格较大且内部结构复杂。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种具有着陆激光雷达系统的无人机。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种具有着陆激光雷达系统的无人机，包括：无人机本体、着陆激光雷达系统、第一着陆架和第二着陆架；

所述着陆激光雷达系统、所述第一着陆架和所述第二着陆架分别安装在所述无人机本体的底部，所述第一着陆架和所述第二着陆架分别位于所述着陆激光雷达系统的两侧；

所述着陆激光雷达系统，包括：基于超表面的发射模块、分光元件、MEMS振镜以及接收模块；

所述分光元件能够透过所述基于超表面的发射模块发出的2ⁿ个探测光束，使得2ⁿ个探测光束中的各探测光束分别入射到所述MEMS振镜；其中，各所述探测光束具有第一特性，n为大于1的自然数；

所述MEMS振镜，将入射的各探测光束反射到目标物体的不同位置，通过各所述探测光束对所述目标物体的不同位置进行扫描；

所述接收模块，对所述目标物体的不同位置被各所述探测光束照射后发生漫反射所产生的回波信号进行接收，其中，所述回波信号具有第二特性，所述第一特性与所述第二特性不同。

本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，通过在无人机的底部安装着陆激光雷达系统，该着陆激光雷达系统包括基于超表面的发射模块、分光元件、MEMS振镜以及接收模块；分光元件能够透过基于超表面的发射模块发出的2ⁿ个探测光束，使得2ⁿ个探测光束中的各探测光束被MEMS振镜反射到目标物体的不同位置，从而对目标物体进行扫描；与相关技术中无人机使用的雷达系统体积规格较大且内部结构复杂的方式相比，超表面具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，那么使得采用超表面的着陆激光雷达系统具有结构简单、系统复杂度低，装调简单，损坏后易于维修、整体规格较小，可以与更多的应用场景兼容的特点，满足激光雷达小型化发展趋势；而且，该着陆激光雷达系统可以将2ⁿ个探测光束发射导目标物体上，大大提高了着陆激光雷达系统的扫描范围；再者，使用MEMS振镜将2ⁿ个探测光束反射到目标物体的不同位置，可以进一步增大着陆激光雷达系统的扫描范围，保证着陆激光雷达系统的扫描精度和扫描效率；最后，着陆激光雷达系统的发射模块和接收模块之间设置分光元件和MEMS振镜，实现了着陆激光雷达系统的收发同轴，减小了探测盲区。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的一种具有着陆激光雷达系统的无人机的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的一种具有着陆激光雷达系统的无人机中，着陆激光雷达系统的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的一种具有着陆激光雷达系统的无人机中，着陆激光雷达系统中使用的超表面、准直超透镜、偏折光束超透镜和汇聚超透镜中纳米结构以正六边形和正方形的纳米结构单元的形式在基底上周期性排列的排布图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的一种具有着陆激光雷达系统的无人机中，着陆激光雷达系统中使用的超表面、准直超透镜、偏折光束超透镜和汇聚超透镜的结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的一种具有着陆激光雷达系统的无人机中，着陆激光雷达系统中使用的超表面、准直超透镜、偏折光束超透镜和汇聚超透镜中，纳米结构以扇形的纳米结构单元的形式在基底上周期性排列的排布图。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

目前，无人机因体积小、重量轻、机动灵活和反应快速等特点，被广泛的应用到地形测绘、森林防火、矿业勘探等领域，具有旷阔的前景。但无人机使用的雷达系统体积规格较大且内部结构复杂。

基于此，本申请以下实施例提出一种具有着陆激光雷达系统的无人机，通过在无人机的底部安装着陆激光雷达系统，该着陆激光雷达系统包括基于超表面的发射模块、分光元件、MEMS振镜以及接收模块；分光元件能够透过基于超表面的发射模块发出的2ⁿ个探测光束，使得2ⁿ个探测光束中的各探测光束被MEMS振镜反射到目标物体的不同位置，从而对目标物体进行扫描；超表面具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，那么使得采用超表面的着陆激光雷达系统具有结构简单、系统复杂度低，装调简单，损坏后易于维修、整体规格较小，可以与更多的应用场景兼容的特点，满足激光雷达小型化发展趋势；而且，该着陆激光雷达系统可以将2ⁿ个探测光束发射导目标物体上，大大提高了着陆激光雷达系统的扫描范围；再者，使用MEMS振镜将2ⁿ个探测光束反射到目标物体的不同位置，可以进一步增大着陆激光雷达系统的扫描范围，保证着陆激光雷达系统的扫描精度和扫描效率。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细的说明。

实施例

参见图1所示的一种具有着陆激光雷达系统的无人机的结构示意图，本实施例提出一种具有着陆激光雷达系统的无人机，包括：无人机本体100、着陆激光雷达系统102、第一着陆架104和第二着陆架106。

所述着陆激光雷达系统、所述第一着陆架和所述第二着陆架分别安装在所述无人机本体的底部，所述第一着陆架和所述第二着陆架分别位于所述着陆激光雷达系统的两侧。

参见图2所示的一种着陆激光雷达系统的结构示意图，本实施例提出的具有着陆激光雷达系统的无人机中，所述着陆激光雷达系统，包括：基于超表面的发射模块、分光元件200、MEMS振镜202以及接收模块。

所述分光元件，可以采用但不限于：分光镜或者半透射半反射镜。

所述分光元件能够透过所述基于超表面的发射模块发出的2ⁿ个探测光束，使得2ⁿ个探测光束中的各探测光束分别入射到所述MEMS振镜；其中，各所述探测光束具有第一特性，n为大于1的自然数。

根据n的数量大小，所述着陆激光雷达系统，可以是但不限于：4线、8线、16线、32线、64线或者128线激光雷达系统。

所述MEMS振镜，将入射的各探测光束反射到目标物体的不同位置，通过各所述探测光束对所述目标物体的不同位置进行扫描。

所述MEMS振镜可以将多个探测光束反射至目标物体的不同位置以形成对多个不同位置的扫描光斑，即通过各所述探测光束形成的光斑所覆盖的所述目标物体的区域，完成对目标物体进行的扫描。

所述目标物体的不同位置被各所述探测光束照射后发生漫反射所产生的回波信号经过所述MEMS振镜和所述分光元件的反射后，被所述接收模块接收，其中，所述回波信号具有第二特性，所述第一特性与所述第二特性不同。

所述分光元件，可以为了满足所选择的所述第一特性与所述第二特性进行设计得到。具体的设计方式是现有技术，这里不再赘述。

所述第一特性与所述第二特性，可以是不同的偏振特性，也可以是不同的光线波长，还可以是其他已知的任何不同的光学特性，这里不再一一赘述。

在本实施例提供的具有着陆激光雷达系统的无人机中，所述基于超表面的发射模块，包括：激光器204、超表面206和准直超透镜208。

所述超表面将所述激光器发射的光线进行分光，得到2ⁿ个探测光束。

所述准直超透镜，能够对所述2ⁿ个探测光束中的各探测光束进行准直，被所述准直超透镜准直后的各所述探测光束入射到所述分光元件。

所述激光器为单个激光光源，用于发射一个激光光束。

为了把激光器发出的光线进行光路折叠，以缩小激光器出光侧的长度，减小激光器的规格，本实施例提出的具有着陆激光雷达系统的无人机中，所述发射模块，还包括：光线偏折元件(图中未示出)。

所述光束偏折元件，设置在所述激光器和所述超表面之间，对所述激光器发出的光线的出射方向进行偏折，使得所述光线按照偏折后的出射方向照射到所述超表面上。

在一个实施方式中，所述光束偏折元件，包括但不限于：棱镜、偏折光束超透镜或反射镜。

为了对目标物体返回的回波信号进行接收，在本实施例提出的具有着陆激光雷达系统的无人机中，所述接收模块，包括：汇聚超透镜阵列210和光电探测器阵列212。

所述汇聚超透镜阵列，包括：并排设置的多个汇聚超透镜。

所述光电探测器阵列，是线阵光电探测器阵列，包括：并排设置的多个光电探测器。

所述光电探测器，可以采用但不限于：雪崩二极管(APD，Avalanche Photodiode)或者单光子雪崩二极管(SPAD，Single Photon Avalanche Diode)，可以将作为光信号的反射光束转化为电信号。

在一个实施方式中，汇聚超透镜阵列上的汇聚超透镜与光电探测器阵列中的光电探测器在排列上一一对应，光电探测器可以位于汇聚超透镜的下方。

所述目标物体的不同位置被各所述探测光束照射后，会通过漫反射产生多个回波信号，所述多个回波信号中的各回波信号依次经过所述MEMS振镜以及所述分光元件的反射后，分别入射到所述多个汇聚超透镜中的各汇聚超透镜上，各所述汇聚超透镜分别将入射的各回波信号汇聚到所述多个光电探测器中与各所述汇聚超透镜相对设置的光电探测器上。

所述光电探测器，将入射的回波信号转化为电信号。

具体地，所述超表面、所述准直超透镜、所述偏折光束超透镜和所述汇聚超透镜，分别包括：基底和多个纳米结构。

所述多个纳米结构中的各纳米结构分别设置在所述基底上。

所述超表面、所述准直超透镜、所述偏折光束超透镜和所述汇聚超透镜是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据基底上的纳米结构来调制入射光。其中纳米结构包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。纳米结构可以采用全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括但不限于：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅。纳米结构在基底上呈阵列排布，所述超表面、所述准直超透镜、所述偏折光束超透镜和所述汇聚超透镜的基底的截面形状为正六边形和/或正方形和/或扇形，每个基底的中心位置，或者每个基底的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。

参见图3所示的超表面、准直超透镜、偏折光束超透镜和汇聚超透镜中，纳米结构以正六边形和正方形的纳米结构单元的形式在基底上周期性排列的排布图以及参见图5所示的超表面、准直超透镜、偏折光束超透镜和汇聚超透镜中，纳米结构以扇形的纳米结构单元的形式在基底上周期性排列的排布图；图3和图5中每个虚线围成的区域就是一个纳米结构单元；纳米结构单元的顶点和/或中心位置设置有纳米结构。在一些情况下，基底的一侧设置有纳米结构层。在一些情况下，基底的两侧都设置有纳米结构层。

所述超表面、所述准直超透镜、所述偏折光束超透镜和所述汇聚超透镜的工作波段为红外波段。纳米结构之间可用空气填充或者其他透明的填充材料，需要注意的是，此填充材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。

所述超表面、所述准直超透镜、所述偏折光束超透镜和所述汇聚超透镜所使用的纳米结构的尺寸和周期并不相同，所以可以实现各自不同的功能。

在一个实施方式中，所述超表面具有2ⁿ个材料、尺寸和/或者周期不同的纳米结构，才能激光器发出的单个激光光束分光得到2ⁿ个探测光束。

在发射模块发出的所述2ⁿ个探测光束中，所述2ⁿ个探测光束中的各探测光束之间的夹角满足以下公式：

其中，λ表示2ⁿ个探测光束中各探测光束的波长；t₀表示所述超表面上所述纳米结构的周期；μ表示2ⁿ个探测光束中的各探测光束之间的夹角。

通过在发射模块与接收模块之间设置分光镜和MEMS振镜，实现了着陆激光雷达系统的收发同轴，减小了着陆激光雷达系统的探测盲区。

参见图4所示的超表面、准直超透镜、偏折光束超透镜和汇聚超透镜的结构示意图，所述超表面、所述准直超透镜、所述偏折光束超透镜和所述汇聚超透镜，还分别包括：填充材料。

所述填充材料填充于多个所述纳米结构周围。

所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

多个所述纳米结构阵列式排布在所述基底上；所述纳米结构的截面形状为正六边形或正方形。

所述纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构；所述偏振相关结构包括：纳米鳍或纳米椭圆柱；所述偏振无关结构包括：纳米圆柱或纳米方柱。

而且，基于超表面的激光雷达收发系统体积小、重量轻，用一片或两片超表面取代了多片厚而重的传统透镜。相较于其他辅助无人机降落系统，超表面的使用减轻了着陆系统的重量，增加了无人机的续航能力。

当无人机完成任务准备着陆时，着陆激光雷达系统开始工作，将无人机的着陆区域作为目标物体。无人机刚开始处于高空时，着陆激光雷达发出的探测光束能对较大范围内的地形进行探测，光电探测器收集到地形的回波信号后传入信号处理系统，信号处理系统绘制出地形三维图和地形等高线，通过算法检测出区域最平坦位置并进行标记。控制系统通过控制机翼朝标记区域移动同时降低高度。当无人机位于标记区域正上方时，由于无人机高度下降，着陆激光雷达系统开始多线扫描密集，着陆激光雷达系统对无人机下方区域进行精密扫描，后续处理方式同上述一样，最终选择最平坦区域所在位置着陆。所述第一着陆架和所述第二着陆架均具有一定弹性，用于缓冲着陆时的冲击力。

在一个实施方式中，所述第一着陆架和所述第二着陆架可分别采用弹性元件。

相较于其他辅助无人机降落系统，本实施例提出的具有着陆激光雷达系统的无人机重量轻，提高了无人机的续航，同时在着陆时能根据所在地表选自动选择最优的降落地点。

综上所述，本实施例提出的一种具有着陆激光雷达系统的无人机，通过在无人机的底部安装着陆激光雷达系统，该着陆激光雷达系统包括基于超表面的发射模块、分光元件、MEMS振镜以及接收模块；分光元件能够透过基于超表面的发射模块发出的2ⁿ个探测光束，使得2ⁿ个探测光束中的各探测光束被MEMS振镜反射到目标物体的不同位置，从而对目标物体进行扫描；与相关技术中无人机使用的雷达系统体积规格较大且内部结构复杂的方式相比，超表面具有轻、薄、简、廉及产能高的技术优势，那么使得采用超表面的着陆激光雷达系统具有结构简单、系统复杂度低，装调简单，损坏后易于维修、整体规格较小，可以与更多的应用场景兼容的特点，满足激光雷达小型化发展趋势；而且，该着陆激光雷达系统可以将2ⁿ个探测光束发射导目标物体上，大大提高了着陆激光雷达系统的扫描范围；再者，使用MEMS振镜将2ⁿ个探测光束反射到目标物体的不同位置，可以进一步增大着陆激光雷达系统的扫描范围，保证着陆激光雷达系统的扫描精度和扫描效率；最后，着陆激光雷达系统的发射模块和接收模块之间设置分光元件和MEMS振镜，实现了着陆激光雷达系统的收发同轴，减小了探测盲区。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，包括：无人机本体、着陆激光雷达系统、第一着陆架和第二着陆架；

所述着陆激光雷达系统、所述第一着陆架和所述第二着陆架分别安装在所述无人机本体的底部，所述第一着陆架和所述第二着陆架分别位于所述着陆激光雷达系统的两侧；

所述着陆激光雷达系统，包括：基于超表面的发射模块、分光元件、MEMS振镜以及接收模块；

所述分光元件能够透过所述基于超表面的发射模块发出的2ⁿ个探测光束，使得2ⁿ个探测光束中的各探测光束分别入射到所述MEMS振镜；其中，各所述探测光束具有第一特性，n为大于1的自然数；

所述MEMS振镜，将入射的各探测光束反射到目标物体的不同位置，通过各所述探测光束对所述目标物体的不同位置进行扫描；

所述目标物体的不同位置被各所述探测光束照射后发生漫反射所产生的回波信号经过所述MEMS振镜和所述分光元件的反射后，被所述接收模块接收，其中，所述回波信号具有第二特性，所述第一特性与所述第二特性不同。

2.根据权利要求1所述的具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，所述基于超表面的发射模块，包括：激光器、超表面和准直超透镜；

所述超表面将所述激光器发射的光线进行分光，得到2ⁿ个探测光束；

所述准直超透镜，能够对所述2ⁿ个探测光束中的各探测光束进行准直，被所述准直超透镜准直后的各所述探测光束入射到所述分光元件。

3.根据权利要求2所述的具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，所述发射模块，还包括：光束偏折元件；

所述光束偏折元件，设置在所述激光器和所述超表面之间，对所述激光器发出的光线的出射方向进行偏折，使得所述光线按照偏折后的出射方向照射到所述超表面上。

4.根据权利要求3所述的具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，所述光束偏折元件，包括：棱镜、偏折光束超透镜或反射镜。

5.根据权利要求4所述的具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，所述接收模块，包括：汇聚超透镜阵列和光电探测器阵列；

所述汇聚超透镜阵列，包括：并排设置的多个汇聚超透镜；

所述光电探测器阵列，包括：并排设置的多个光电探测器；

所述目标物体的不同位置被各所述探测光束照射后，会通过漫反射产生多个回波信号，所述多个回波信号中的各回波信号依次经过所述MEMS振镜以及所述分光元件的反射后，分别入射到所述多个汇聚超透镜中的各汇聚超透镜上，各所述汇聚超透镜分别将入射的各回波信号汇聚到所述多个光电探测器中与各所述汇聚超透镜相对设置的光电探测器上；

所述光电探测器，将入射的回波信号转化为电信号。

6.根据权利要求5所述的具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，所述光电探测器，采用雪崩二极管或者单光子雪崩二极管。

7.根据权利要求5所述的具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，所述超表面、所述准直超透镜、所述偏折光束超透镜和所述汇聚超透镜，分别包括：基底和多个纳米结构；

所述多个纳米结构中的各纳米结构分别设置在所述基底上。

8.根据权利要求7所述的具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，所述2ⁿ个探测光束中的各探测光束之间的夹角满足以下公式：

其中，λ表示2ⁿ个探测光束中各探测光束的波长；t₀表示所述超表面上所述纳米结构的周期；μ表示2ⁿ个探测光束中的各探测光束之间的夹角。

9.根据权利要求7所述的具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，所述超表面、所述准直超透镜、所述偏折光束超透镜和所述汇聚超透镜，还分别包括：填充材料；

所述填充材料填充于多个所述纳米结构周围。

10.根据权利要求9所述的具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。

11.根据权利要求7所述的具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，多个所述纳米结构阵列式排布在所述基底上；所述纳米结构的截面形状为正六边形或正方形。

12.根据权利要求7所述的具有着陆激光雷达系统的无人机，其特征在于，所述纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构；所述偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱；所述偏振无关结构包括纳米圆柱或纳米方柱。

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