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申请/专利权人：南京理工大学

摘要：本发明公开了一种用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置，包括锥形反射镜、圆柱面管透镜、共光路镜筒、45°分色镜、共孔径激光探测组件、CMOS成像组件、片上信号处理系统和无线发射终端，利用锥形反射镜结合45°分色镜，实现了激光探测与视频成像的共光路以及360°环视双模复合告警，为无人机的安全飞行提供激光探测的目标信息和环视图像。本发明具有作用距离远、可靠性高、结构简单，体积小，成本低等突出优势，在小型无人机领域具有重要应用前景。

主权项：1.一种用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置，其特征在于，包括锥形反射镜1、圆柱面管透镜2、45°分色镜4、共孔径激光探测组件5、CMOS成像组件6、片上信号处理系统7和无线发射终端8，所述锥形反射镜1由圆柱面管透镜2支撑固定在无人机上，所述45°分色镜4设置在锥形反射镜1轴线上且与锥形反射镜1的轴线成45°角，所述共孔径激光探测组件5设置在45°分色镜4的反射轴线上，且共孔径激光探测组件5的探测轴与锥形反射镜1的轴线重合，所述CMOS成像组件6设置在45°分色镜4的透射轴线上，且CMOS成像组件6的光轴与锥形反射镜1的轴线重合，所述共孔径激光探测组件5和CMOS成像组件6与片上信号处理系统7连接，所述片上信号处理系统7用于将共孔径激光探测组件5、CMOS成像组件6得到的测距数据、环视图像传输给无人机中控系统，同时通过无线发射终端8传输给地面控制站；所述45°分色镜4设置在共光路镜筒3内，所述共光路镜筒3开有三个端口，一个端口朝向锥形反射镜1且与锥形反射镜1共轴，第二个端口朝向45°分色镜4反射方向上且与共孔径激光探测组件5同轴，第三个端口朝向45°分色镜4透射方向上且与CMOS成像组件6同轴；所述45°分色镜4为镀有905nm波段45°全反膜和可见光波45°增透膜的平板玻璃。

全文数据：一种用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置技术领域本发明属于环视成像与激光告警技术，具体为一种用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置。背景技术无人机在城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等领域应用展现了巨大的应用价值。而无人机作业所面临的低空环境也越来越复杂，不仅存在着静止的目标，如房屋、树木、电线等，还存在着动态目标，如飞鸟、风筝、飞行器等，这给无人机的安全飞行带来了极大的困难，稍有操作不当，很容易造成无人机坠毁。目前，用于小型无人机上防撞告警的方法主要有超声波雷达、毫米波雷达和激光雷达等。超声波雷达存在作用距离近，易受到大气紊流和气涡的影响等局限性。毫米波雷达存在空间分辨率低、难以实现360度环视和功耗高等局限性，而激光雷达主要是以Velodyne公司为代表的多线激光雷达，虽然具有作用距离远，可实现360°高分辨率环视等突出优点，但是其旋转扫描工作方式使得系统的力学平衡稳定性较差，有可能干扰到无人的飞行姿态。此外，这类激光雷达系统体积大，价格昂贵，可靠性差等局限性，难以在小型无人机上大面积推广应用。发明内容本发明的目的在于提供一种用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置。实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置，包括锥形反射镜、圆柱面管透镜、45°分色镜、共孔径激光探测组件、CMOS成像组件、片上信号处理系统和无线发射终端，所述锥形反射镜由圆柱面管透镜支撑固定在无人机上上，所述45°分色镜设置在锥形反射镜轴线上且与锥形反射镜的轴线成45°角，所述共孔径激光探测组件设置在45°分色镜的反射轴线上，且共孔径激光探测组件的探测轴与锥形反射镜的轴线重合，所述CMOS成像组件设置在45°分色镜的透射轴线上，且CMOS成像组件的光轴与锥形反射镜的轴线重合，所述共孔径激光探测组件和CMOS成像组件与片上信号处理系统连接，所述片上信号处理系统用于将共孔径激光探测组件、CMOS成像组件得到的测距数据、环视图像传输给无人机中控系统，同时通过无线发射终端传输给地面控制站。优选地，所述锥形反射镜的棱与轴线的夹角为45°。优选地，所述锥形反射镜镀有905nm波段和可见光波段的全反膜。优选地，所述圆柱面管透镜为石英管镜，内外表面镀有905nm波段和可见光波段的增透膜。优选地，所述45°分色镜设置在共光路镜筒内，所述共光路镜筒开有三个端口，一个端口朝向锥形反射镜且与锥形反射镜共轴，第二个端口朝向45°分色镜反射方向上且与共孔径激光探测组件同轴，第三个端口朝向45°分色镜透射方向上且与CMOS成像组件同轴。优选地，所述45°分色镜为镀有905nm波段45°全反膜和可见光波45°增透膜的平板玻璃。优选地，所述共孔径激光探测组件的工作波长为905nm，且采用3端口环形器结合大DF物镜实现共孔径光路。本发明与现有技术相比，其显著优点为：1本发明引入锥形反射镜环视方法，在不采用旋转扫描部件的前提下巧妙解决了激光告警的360度环视问题，克服现有多线扫描激光雷达存在力学平衡稳定性较差、系统体积大，价格昂贵和可靠性差等局限性；2本发明将锥形反射镜与45°分色镜相结合实现激光探测与视频成像的共光路以及360°环视双模复合告警，不但可以得到目标距离，还可给出360度环视告警图像，具有作用距离远、可靠性高、复杂环境适应能力强等突出优势；3本发明将共孔径激光探测组件布置在45°分色镜的反射轴线上，在45°分色镜上镀905nm波段的窄带全反射膜和可见光增透膜实现探测激光和激光回波的90°光路转折，抑制了背景光噪声，改善了共孔径激光探测组件的信噪比，提高激光告警距离。下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。附图说明图1是本发明的原理图。具体实施方式如图1所示，一种用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置，包括锥形反射镜1、圆柱面管透镜2、45°分色镜4、共孔径激光探测组件5、CMOS成像组件6、片上信号处理系统7和无线发射终端8，所述锥形反射镜1由圆柱面管透镜2支撑固定在无人机上，所述45°分色镜4设置在锥形反射镜1轴线上且与锥形反射镜1的轴线成45°角，所述共孔径激光探测组件5设置在45°分色镜4的反射轴线上，且共孔径激光探测组件5的探测轴与锥形反射镜1的轴线重合，所述CMOS成像组件6设置在45°分色镜3的透射轴线上，且CMOS成像组件6的光轴与锥形反射镜1的轴线重合，所述共孔径激光探测组件5和CMOS成像组件6与片上信号处理系统7连接，所述片上信号处理系统7用于将共孔径激光探测组件5、CMOS成像组件6得到的测距数据、环视图像传输给无人机中控系统，同时通过无线发射终端8传输给地面控制站。进一步的实施例中，所述锥形反射镜1的棱与轴线的夹角为45°。进一步的实施例中，所述锥形反射镜1镀有905nm波段和可见光波段的全反膜。在某些实施例中，锥形反射镜1直径约为2cm，高度为1cm，透射率为99.5％进一步的实施例中，所述圆柱面管透镜2为石英管镜，内外表面镀有905nm波段和可见光波段的增透膜。增透膜一方面保护锥形反射镜1不受外界灰尘的污染，另一方面起支撑安装锥形反射镜1的作用。在某些实施例中，所述圆柱面管2直径约为2cm，高度为1.5cm。进一步的实施例中，所述45°分色镜4设置在共光路镜筒3内，所述共光路镜筒3开有三个端口，一个端口朝向锥形反射镜1且与锥形反射镜1共轴，第二个端口朝向45°分色镜4反射方向上且与共孔径激光探测组件5同轴，第三个端口朝向45°分色镜4透射方向上且与CMOS成像组件6同轴。进一步的实施例中，所述45°分色镜4为镀有905nm波段45°全反膜和可见光波45°增透膜的K9平板玻璃，尺寸为30mm*20mm*2mm。进一步的实施例中，所述共孔径激光探测组件5的工作波长为905nm，且采用3端口环形器结合大DF物镜实现共孔径光路。在某些实施例中，所述共孔径激光探测组件5的有效光学口径为20mm，发射视场10mrad，接收视场为15mrad，发射功率为75W，距离分辨率为0.3米。进一步地实施例中，所述CMOS成像组件6为MV-2000UC工业摄像机。本发明的工作原理如下：自然光经目标反射后穿过圆柱面管透镜2到达锥形反射镜1，自然光被反射相继穿过圆柱面管透镜和共光路镜筒的端口，照射到45°分色镜4，光束穿过45°分色镜4被CMOS成像组件6接收，CMOS成像组件6视频成像后把环视图像传输给片上信号处理系统7。共孔径激光探测组件5的905nm波段脉冲激光二极管发出激光束，经45°分色镜4、锥形反射镜1反射后，然后穿过圆柱面管透镜2，呈360°方向向四周出射，如果某方向测程内出现目标，则该方向出射光束遇到目标后发生反射，一部分光线逆着光路被共孔径激光探测组件5所接收，共孔径激光探测组件5通过激光回波鉴别和飞行时间测量实现对目标的距离的测量，并将距离信号反馈给片上信号处理系统7。片上信号处理系统7控制共孔径激光探测组件5的激光探测、目标测距和CMOS成像组件6拍摄360°环视图像，将共孔径激光探测组件5的测距数据判和CMOS成像组件6的环视图像传输给无人机中控系统，同时利用无线发射终端8将数据传输回地面控制站。本发明引入锥形反射镜环视方法，克服现有多线扫描激光雷达存在力学平衡稳定性较差、系统体积大，价格昂贵和可靠性差等局限性。本发明将锥形反射镜与45°分色镜相结合实现激光探测与视频成像的共光路以及360°环视双模复合告警，不但可以目标有无、目标距离，还可给出360度环视告警图像。所以，本产品既具有测距精度高、作用范围广、测距速度快、体积小、重量轻、成本低、使用方便等优势，还具有可靠性高、复杂环境适应能力强等突出优势。

权利要求：1.一种用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置，其特征在于，包括锥形反射镜1、圆柱面管透镜2、45°分色镜4、共孔径激光探测组件5、CMOS成像组件6、片上信号处理系统7和无线发射终端8，所述锥形反射镜1由圆柱面管透镜2支撑固定在无人机上，所述45°分色镜4设置在锥形反射镜1轴线上且与锥形反射镜1的轴线成45°角，所述共孔径激光探测组件5设置在45°分色镜4的反射轴线上，且共孔径激光探测组件5的探测轴与锥形反射镜1的轴线重合，所述CMOS成像组件6设置在45°分色镜3的透射轴线上，且CMOS成像组件6的光轴与锥形反射镜1的轴线重合，所述共孔径激光探测组件5和CMOS成像组件6与片上信号处理系统7连接，所述片上信号处理系统7用于将共孔径激光探测组件5、CMOS成像组件6得到的测距数据、环视图像传输给无人机中控系统，同时通过无线发射终端8传输给地面控制站。2.根据权利要求1所述的用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置，其特征在于，所述锥形反射镜1的棱与轴线的夹角为45°。3.根据权利要求1所述的用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置，其特征在于，所述锥形反射镜1镀有905nm波段和可见光波段的全反膜。4.根据权利要求1所述的用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置，其特征在于，所述圆柱面管透镜2为石英管镜且镀有905nm波段和可见光波段的增透膜。5.根据权利要求1所述的用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置，其特征在于，所述45°分色镜4设置在共光路镜筒3内，所述共光路镜筒3开有三个端口，一个端口朝向锥形反射镜1且与锥形反射镜1共轴，第二个端口朝向45°分色镜4反射方向上且与共孔径激光探测组件5同轴，第三个端口朝向45°分色镜4透射方向上且与CMOS成像组件6同轴。6.根据权利要求1所述的用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置，其特征在于，所述45°分色镜4为镀有905nm波段45°全反膜和可见光波45°增透膜的平板玻璃。7.根据权利要求1所述的用于小型无人机的360°环视成像与激光告警装置，其特征在于，所述共孔径激光探测组件5的工作波长为905nm，且采用3端口环形器结合大DF物镜实现共孔径光路。

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