一种林业植株三维点云测量激光雷达系统及方法与流程

本发明属于树冠扫描领域，特别涉及一种林业植株三维点云测量激光雷达系统。

背景技术：

为了实现对林业植株生长状态的测量，多种技术相结合是遥感技术发展的趋势。三维点云测量技术已经广泛应用于林业植株探测领域。目前的林业植株三维点云测量技术一般使用激光雷达技术，激光雷达一般采用计算飞行时间法(TOF)，该方法具有较高的精度等优点，但是为达到高精度的距离探测分辨率，需要很高的采样速度。例如光速为3*10^8m/s，探测一米的空间分辨率需要的采集速率为100MHz左右。因此需要复杂的电路设计。

有一种连续光激光雷达也采用成像的方法，但是只能对激光光源发射的一束光进行成像

本系统也采用成像的方法，但是可以实现线扫描，对整个二维光面进行成像，从而实现对林业植株三维轮廓距离信息的测量，该方法扫描效率高，结构简单稳定，探测距离远，大于100米。

技术实现要素：

1、本发明的目的。

传统的三维点云一般采用计算光飞行时间的方法，光源一般使用脉冲激光，采用雪崩光电二极管(APD)或者光电倍增管(PMT)作为光探测器接收反射光。这种方法需要设计复杂的数字电路。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明提出了一种林业植株三维点云测量激光雷达系统，包括光电探测器，光学成像透镜，循环计数器，激光光源，激光光源位于被测物上方垂直发出连续激光照射被测物体后反射至光学成像透镜，再经过光电探测器成像，光电探测器与激光光源通过循环计数器相连接，用以同步调制激光发射。

更进一步具体实施方式中，还包括柱面镜组位于激光光源的下方，激光光源经过柱面透镜组发出连续激光照射被测物体。

更进一步具体实施方式中，还包括光源开关控制电路控制激光光源开关。

更进一步具体实施方式中，所述的柱面镜组为激光准直原件，激光经激光准直原件发出线光源。

更进一步具体实施方式中，还包括嵌入式系统，硬盘存储器，探测器记录的信号经过嵌入式系统处理后存储到硬盘存储器。

本发明提出了一种林业植株三维点云测量激光雷达方法，包括以下步骤：

(1)将林业植株三维点云测量激光雷达系统固定于无人机上，由无人机控制系统开启激光光源；

(2)激光光源发出的激光经过激光准直原件转换为线光源从高空向地面入射，地面林业植株的三维轮廓会产生反射光信号；

(3)所产生反射光信号经过光学成像单元成像后被激光接收单元收集；

(4)光电探测器与激光光源通过循环计数器相连接，用以同步调制激光发射。调制激光光源以亮暗相间模式工作，激光光源点亮时，探测器记录被测目标探测信号；激光光源熄灭时，探测器记录被测背景信号；

(5)探测器记录的信号经过嵌入式系统处理后存储到硬盘存储器里。

更进一步具体实施方式中，采用一种推扫式扫描的方式。

3、本发明的有益效果。

(1)本发明利用柱面镜组将激光入射光斑转换为线光源，以实现推扫式线扫描(Push Broom)。

(2)本发明相较传统的点云测量系统，探测方法简洁灵活，探测距离远，在高空对林业植株的点云测量具有重要意义。

综上，本发明实现林业植株三维点云测量，采用连续光激光雷达技术，解决了该技术不能实现线扫描，仅能对发射激光束上的物体进行单点扫描的问题；该方法无需复杂的数字电路设计，结构简单、稳定，探测距离远。

附图说明

图1是高光谱成像测距激光雷达装置的结构示意图。图中1-光电探测器(CCD/CMOS)，2-柱面镜组，3-接收望远镜，4-循环计数器(附带激光驱动电源)，5-激光光源，6-嵌入式系统，7-硬盘存储器

图2光电探测器(CCD/CMOS)接收的数据模拟图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例一种林业植株三维点云测量激光雷达系统，包括1光电探测器(CCD/CMOS)，2柱面镜组，3光学成像透镜，4循环计数器，5激光光源。

本发明提出的林业植株三维点云测量激光雷达系统，包括激光发射单元、光学成像单元、光电探测单元、数据采集分析单元；所述的激光发射单元通过光学成像单元单元与光电探测单元相连；所述的数据采集分析单元与光电发射单元和光电探测单元相连。

其中，激光发射单元包括连续激光光源(Laser diode)、激光准直原件、激光控制电路，该激光准直原件采用柱面镜组所述激光光源发出的连续激光经激光准直原件后变为线光源从高空垂直入射至林业植株方向，该入射面为一三角形，可以充分利用视场，此时在光路中的空气所发生的散射光强可以忽略不计，线光源入射到林业植株轮廓上发生反射，该反射光会被光学成像单元成像，所成的像被光电探测单元收集。具体的，光学成像单元为一成像物镜，该透镜所在平面与入射激光所在平面有一个倾角，两个平面相交于一条直线；光电探测单元为二维面阵CCD/CMOS，，该面阵CCD与所述数据采集分析单元相连，即通过与笔记本电脑相连记录接收面阵CCD收集到的回波信号，该面阵CCD所在平面与透镜和入射激光所在平面相交于同一条直线，同样倾斜一个角度，倾斜的角度与相交直线的关系满足沙姆成像定律(Scheimpflug)。该面阵CCD接收的为发射光面所成的像。

实施例2

本实施例所述林业植株三维点云测量激光雷达系统采用如下的成像测距方法：由激光发射单元的连续激光光源从高空垂直向下发出，激光经激光准直原件发出变成线光源射入大气环境中，地面上的林业植株出现在光路时激光会发生反射信号，所产生反射光信号被光学成像单元成像，，获得林业植株轮廓信息。再由光电探测单元对光信号进行采集；最终，经过数据采集分析单元与计算机相连，利用沙氏成像定律(Scheimpflug)可以得到对应光路中的不同距离及其光强信息从而实现林业植株三维点云探测。

具体的，包括以下步骤：

(1)将林业植株三维点云测量激光雷达系统固定于无人机上，由无人机控制系统开启激光光源。

(2)激光光源5发出的激光经过激光准直原件转换为线光源从高空向地面入射，地面林业植株的三维轮廓会产生反射光信号。

(3)所产生反射光信号经过光学成像单元成像后被激光接收单元收集。

(4)光电探测器1与激光光源5通过循环计数器4相连接，用以同步调制激光发射。调制激光光源以亮暗相间模式工作，激光光源点亮时，探测器记录被测目标探测信号；激光光源熄灭时，探测器记录被测背景信号。

(5)探测器记录的信号经过嵌入式系统6处理后存储到硬盘存储器7里。

本实施例中，1光电探测器(CCD/CMOS)，2柱面镜组，3光学成像透镜，4循环计数器，5激光光源6嵌入式系统7硬盘存储器均为现有的成熟产品或可以加工，利用这些现有产品或加工原件具有的功能，构建的本实施例所述系统，相较传统的点云测量系统，探测方法简洁灵活,探测距离远，在高空对林业植株的点云测量具有重要意义。

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。