本發(fā)明屬于樹(shù)冠掃描領(lǐng)域，特別涉及一種林業(yè)植株三維點(diǎn)云測(cè)量激光雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)林業(yè)植株生長(zhǎng)狀態(tài)的測(cè)量，多種技術(shù)相結(jié)合是遙感技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。三維點(diǎn)云測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于林業(yè)植株探測(cè)領(lǐng)域。目前的林業(yè)植株三維點(diǎn)云測(cè)量技術(shù)一般使用激光雷達(dá)技術(shù)，激光雷達(dá)一般采用計(jì)算飛行時(shí)間法(TOF)，該方法具有較高的精度等優(yōu)點(diǎn)，但是為達(dá)到高精度的距離探測(cè)分辨率，需要很高的采樣速度。例如光速為3*10^8m/s，探測(cè)一米的空間分辨率需要的采集速率為100MHz左右。因此需要復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。

有一種連續(xù)光激光雷達(dá)也采用成像的方法，但是只能對(duì)激光光源發(fā)射的一束光進(jìn)行成像

本系統(tǒng)也采用成像的方法，但是可以實(shí)現(xiàn)線掃描，對(duì)整個(gè)二維光面進(jìn)行成像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)林業(yè)植株三維輪廓距離信息的測(cè)量，該方法掃描效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，探測(cè)距離遠(yuǎn)，大于100米。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1、本發(fā)明的目的。

傳統(tǒng)的三維點(diǎn)云一般采用計(jì)算光飛行時(shí)間的方法，光源一般使用脈沖激光，采用雪崩光電二極管(APD)或者光電倍增管(PMT)作為光探測(cè)器接收反射光。這種方法需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的數(shù)字電路。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案。

本發(fā)明提出了一種林業(yè)植株三維點(diǎn)云測(cè)量激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括光電探測(cè)器，光學(xué)成像透鏡，循環(huán)計(jì)數(shù)器，激光光源，激光光源位于被測(cè)物上方垂直發(fā)出連續(xù)激光照射被測(cè)物體后反射至光學(xué)成像透鏡，再經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器成像，光電探測(cè)器與激光光源通過(guò)循環(huán)計(jì)數(shù)器相連接，用以同步調(diào)制激光發(fā)射。

更進(jìn)一步具體實(shí)施方式中，還包括柱面鏡組位于激光光源的下方，激光光源經(jīng)過(guò)柱面透鏡組發(fā)出連續(xù)激光照射被測(cè)物體。

更進(jìn)一步具體實(shí)施方式中，還包括光源開(kāi)關(guān)控制電路控制激光光源開(kāi)關(guān)。

更進(jìn)一步具體實(shí)施方式中，所述的柱面鏡組為激光準(zhǔn)直原件，激光經(jīng)激光準(zhǔn)直原件發(fā)出線光源。

更進(jìn)一步具體實(shí)施方式中，還包括嵌入式系統(tǒng)，硬盤(pán)存儲(chǔ)器，探測(cè)器記錄的信號(hào)經(jīng)過(guò)嵌入式系統(tǒng)處理后存儲(chǔ)到硬盤(pán)存儲(chǔ)器。

本發(fā)明提出了一種林業(yè)植株三維點(diǎn)云測(cè)量激光雷達(dá)方法，包括以下步驟：

(1)將林業(yè)植株三維點(diǎn)云測(cè)量激光雷達(dá)系統(tǒng)固定于無(wú)人機(jī)上，由無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)啟激光光源；

(2)激光光源發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)激光準(zhǔn)直原件轉(zhuǎn)換為線光源從高空向地面入射，地面林業(yè)植株的三維輪廓會(huì)產(chǎn)生反射光信號(hào)；

(3)所產(chǎn)生反射光信號(hào)經(jīng)過(guò)光學(xué)成像單元成像后被激光接收單元收集；

(4)光電探測(cè)器與激光光源通過(guò)循環(huán)計(jì)數(shù)器相連接，用以同步調(diào)制激光發(fā)射。調(diào)制激光光源以亮暗相間模式工作，激光光源點(diǎn)亮?xí)r，探測(cè)器記錄被測(cè)目標(biāo)探測(cè)信號(hào)；激光光源熄滅時(shí)，探測(cè)器記錄被測(cè)背景信號(hào)；

(5)探測(cè)器記錄的信號(hào)經(jīng)過(guò)嵌入式系統(tǒng)處理后存儲(chǔ)到硬盤(pán)存儲(chǔ)器里。

更進(jìn)一步具體實(shí)施方式中，采用一種推掃式掃描的方式。

3、本發(fā)明的有益效果。

(1)本發(fā)明利用柱面鏡組將激光入射光斑轉(zhuǎn)換為線光源，以實(shí)現(xiàn)推掃式線掃描(Push Broom)。

(2)本發(fā)明相較傳統(tǒng)的點(diǎn)云測(cè)量系統(tǒng)，探測(cè)方法簡(jiǎn)潔靈活，探測(cè)距離遠(yuǎn)，在高空對(duì)林業(yè)植株的點(diǎn)云測(cè)量具有重要意義。

綜上，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)林業(yè)植株三維點(diǎn)云測(cè)量，采用連續(xù)光激光雷達(dá)技術(shù)，解決了該技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)線掃描，僅能對(duì)發(fā)射激光束上的物體進(jìn)行單點(diǎn)掃描的問(wèn)題；該方法無(wú)需復(fù)雜的數(shù)字電路設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，探測(cè)距離遠(yuǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是高光譜成像測(cè)距激光雷達(dá)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-光電探測(cè)器(CCD/CMOS)，2-柱面鏡組，3-接收望遠(yuǎn)鏡，4-循環(huán)計(jì)數(shù)器(附帶激光驅(qū)動(dòng)電源)，5-激光光源，6-嵌入式系統(tǒng)，7-硬盤(pán)存儲(chǔ)器

圖2光電探測(cè)器(CCD/CMOS)接收的數(shù)據(jù)模擬圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例一種林業(yè)植株三維點(diǎn)云測(cè)量激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括1光電探測(cè)器(CCD/CMOS)，2柱面鏡組，3光學(xué)成像透鏡，4循環(huán)計(jì)數(shù)器，5激光光源。

本發(fā)明提出的林業(yè)植株三維點(diǎn)云測(cè)量激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射單元、光學(xué)成像單元、光電探測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集分析單元；所述的激光發(fā)射單元通過(guò)光學(xué)成像單元單元與光電探測(cè)單元相連；所述的數(shù)據(jù)采集分析單元與光電發(fā)射單元和光電探測(cè)單元相連。

其中，激光發(fā)射單元包括連續(xù)激光光源(Laser diode)、激光準(zhǔn)直原件、激光控制電路，該激光準(zhǔn)直原件采用柱面鏡組所述激光光源發(fā)出的連續(xù)激光經(jīng)激光準(zhǔn)直原件后變?yōu)榫€光源從高空垂直入射至林業(yè)植株方向，該入射面為一三角形，可以充分利用視場(chǎng)，此時(shí)在光路中的空氣所發(fā)生的散射光強(qiáng)可以忽略不計(jì)，線光源入射到林業(yè)植株輪廓上發(fā)生反射，該反射光會(huì)被光學(xué)成像單元成像，所成的像被光電探測(cè)單元收集。具體的，光學(xué)成像單元為一成像物鏡，該透鏡所在平面與入射激光所在平面有一個(gè)傾角，兩個(gè)平面相交于一條直線；光電探測(cè)單元為二維面陣CCD/CMOS，，該面陣CCD與所述數(shù)據(jù)采集分析單元相連，即通過(guò)與筆記本電腦相連記錄接收面陣CCD收集到的回波信號(hào)，該面陣CCD所在平面與透鏡和入射激光所在平面相交于同一條直線，同樣傾斜一個(gè)角度，傾斜的角度與相交直線的關(guān)系滿足沙姆成像定律(Scheimpflug)。該面陣CCD接收的為發(fā)射光面所成的像。

實(shí)施例2

本實(shí)施例所述林業(yè)植株三維點(diǎn)云測(cè)量激光雷達(dá)系統(tǒng)采用如下的成像測(cè)距方法：由激光發(fā)射單元的連續(xù)激光光源從高空垂直向下發(fā)出，激光經(jīng)激光準(zhǔn)直原件發(fā)出變成線光源射入大氣環(huán)境中，地面上的林業(yè)植株出現(xiàn)在光路時(shí)激光會(huì)發(fā)生反射信號(hào)，所產(chǎn)生反射光信號(hào)被光學(xué)成像單元成像，，獲得林業(yè)植株輪廓信息。再由光電探測(cè)單元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行采集；最終，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集分析單元與計(jì)算機(jī)相連，利用沙氏成像定律(Scheimpflug)可以得到對(duì)應(yīng)光路中的不同距離及其光強(qiáng)信息從而實(shí)現(xiàn)林業(yè)植株三維點(diǎn)云探測(cè)。

具體的，包括以下步驟：

(1)將林業(yè)植株三維點(diǎn)云測(cè)量激光雷達(dá)系統(tǒng)固定于無(wú)人機(jī)上，由無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)啟激光光源。

(2)激光光源5發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)激光準(zhǔn)直原件轉(zhuǎn)換為線光源從高空向地面入射，地面林業(yè)植株的三維輪廓會(huì)產(chǎn)生反射光信號(hào)。

(3)所產(chǎn)生反射光信號(hào)經(jīng)過(guò)光學(xué)成像單元成像后被激光接收單元收集。

(4)光電探測(cè)器1與激光光源5通過(guò)循環(huán)計(jì)數(shù)器4相連接，用以同步調(diào)制激光發(fā)射。調(diào)制激光光源以亮暗相間模式工作，激光光源點(diǎn)亮?xí)r，探測(cè)器記錄被測(cè)目標(biāo)探測(cè)信號(hào)；激光光源熄滅時(shí)，探測(cè)器記錄被測(cè)背景信號(hào)。

(5)探測(cè)器記錄的信號(hào)經(jīng)過(guò)嵌入式系統(tǒng)6處理后存儲(chǔ)到硬盤(pán)存儲(chǔ)器7里。

本實(shí)施例中，1光電探測(cè)器(CCD/CMOS)，2柱面鏡組，3光學(xué)成像透鏡，4循環(huán)計(jì)數(shù)器，5激光光源6嵌入式系統(tǒng)7硬盤(pán)存儲(chǔ)器均為現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品或可以加工，利用這些現(xiàn)有產(chǎn)品或加工原件具有的功能，構(gòu)建的本實(shí)施例所述系統(tǒng)，相較傳統(tǒng)的點(diǎn)云測(cè)量系統(tǒng)，探測(cè)方法簡(jiǎn)潔靈活,探測(cè)距離遠(yuǎn)，在高空對(duì)林業(yè)植株的點(diǎn)云測(cè)量具有重要意義。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。