CN103149560B - Ccd成像侧向激光雷达的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CCD成像侧向激光雷达的标定方法。它将CCD相机光轴（1）与定标表格（2）的平面垂直后，先使用CCD相机（3）获取定标表格（2）的CCD图像，再由定标表格（2）的CCD图像中表格的编号和该表格中与表格编号增量同一维像素的编号计算出各像素的偏角（α）和角宽度（dα），接着，将CCD相机（3）置于激光雷达发射光束（5）的侧近处后，先采用三点定位法确定CCD相机（3）与激光雷达发射光束（5）的垂直距离（D），再将各像素的偏角（α）、角宽度（dα）和CCD相机（3）与激光雷达发射光束（5）的垂直距离（D）代入侧向激光雷达方程之中，由其反演计算出大气参数。它的测量精度高，适用范围广，可广泛用于测量近地层的大气气溶胶的空间分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光雷达的标定方法，尤其是一种CCD成像侧向激光雷达的标定方法。
背景技术
目前，人们为了实现对大气能见度或消光系数的测量，常使用激光雷达。如中国发明专利申请CN102621102A于2012年8月1日公布的一种“基于CCD激光雷达的水平能见度的测量方法”。该发明专利申请文献公开了一种以连续激光为发射光源，利用CCD摄像机与滤光片串接组成的光学接收部件接收来自几公里内的激光回波信号，通过计算机对激光回波图像进行分析处理，得到大气消光系数，从而求出大气水平能见度的大小。但是，这种测量方法存在着欠缺之处，首先，要求CCD摄像机与激光器成微小角度，CCD接收到的只是激光在大气中的后向散射光，使其仅适用于激光散射角近似180度的测量；其次，虽通过距离几何校正，获得了激光回波信号随不同距离上的分布，却未针对CCD摄像机是由多个像素组成，散射光照射到不同像素上的光束入射张角是不相同的之特点，来进行不同像素对应张角大小的定标，使测量的结果存在着一定的误差；最后，仅能测量地表水平方向上的大气消光系数，不能测得不同高度的大气消光系数。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种可测量激光侧向散射光信号、且误差小的CCD成像侧向激光雷达的标定方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：CCD成像侧向激光雷达的标定方法包括利用CCD成像技术获取激光在大气中的散射光信号，特别是完成步骤如下：
步骤1，将CCD相机光轴与定标表格的平面垂直后，先使用CCD相机获取定标表格的CCD图像，再由定标表格的CCD图像中表格的编号和该表格中与表格编号增量同一维像素的编号计算出各像素的偏角和角宽度；
步骤2，将CCD相机置于激光雷达发射光束的侧近处后，先采用三点定位法确定CCD相机与激光雷达发射光束的垂直距离，再将各像素的偏角、角宽度和CCD相机与激光雷达发射光束的垂直距离代入侧向激光雷达方程之中，方程中的P(α)为α偏角方向上对应像素接收到的信号强度，P0为激光雷达发射光束的功率，K为接收系统的光学透过率，A为光学系统的有效面积，D为CCD相机与激光雷达发射光束的垂直距离，Tt、Tr分别为激光雷达发射光束竖直方向和斜方向上的透过率，β(α)为侧向散射系数，dα为像素的角宽度，由其反演计算出大气参数。
作为CCD成像侧向激光雷达的标定方法的进一步改进，所述的CCD相机的张角为60～120度；所述的CCD相机与定标表格的垂直距离为5～10m；所述的定标表格为单行表格；所述的单行表格中的表格为边长为1cm的黑白相间的正方形表格；所述的三点定位法为依次由公式和实现，式中，h为CCD相机至激光雷达发射光束的垂足点与激光雷达发射光束上第一参考点之间的距离，r2为CCD相机与激光雷达发射光束上第二参考点之间的距离，r1为CCD相机与激光雷达发射光束上第一参考点之间的距离，d为激光雷达发射光束上第一参考点与第二参考点之间的距离，D为CCD相机与激光雷达发射光束的垂直距离；所述的实现三点定位法时，将CCD相机置于经纬测绘仪上，并使用激光测距机分别测定CCD相机与激光雷达发射光束上第一参考点之间的距离和CCD相机与激光雷达发射光束上第二参考点之间的距离；所述的CCD相机与激光雷达发射光束的垂直距离为10～200m。
相对于现有技术的有益效果是，本标定方法在利用CCD成像技术获取激光在大气中的散射光信号的基础之上，先对CCD相机中的各像素进行定标，以得出各像素的偏角和角宽度，再将CCD相机置于激光雷达发射光束的侧近处后，采用三点定位法确定CCD相机与激光雷达发射光束的垂直距离，以便将各像素的偏角、角宽度和CCD相机与激光雷达发射光束的垂直距离代入侧向激光雷达方程之中，来由其反演计算出大气参数的技术方案，既因对CCD像素的张角大小进行了精确的定标，从而避免了因不同像素对应张角的不同而引起的误差，确保了在进行距离几何校正时的精度；又由于CCD相机与激光雷达光束之间的夹角可任意选取，故其可接收任意散射角度上的激光侧向散射信号，大大地提高了适用的范围；还不仅能测量地表水平方向上的大气消光系数，也可测量不同高度的大气消光系数；更由于CCD相机接收的是侧向散射光，避免了后向散射激光雷达中几何因子的影响，使其在近距离段的测量精度得到了极大的提高；加之使用的是侧向技术，其空间分辨率在近距离段也很高，使其非常适于用来测量近地层的大气气溶胶的空间分布。
作为有益效果的进一步体现，一是CCD相机的张角优选为60～120度，在保证测量精度的情形下，便于本方法的实行。二是CCD相机与定标表格的垂直距离优选为5～10m，以尽可能小的距离确保了定标的精度。三是定标表格优选为单行表格，单行表格中的表格优选为边长为1cm的黑白相间的正方形表格，利于方便快捷地对CCD相机进行定标。四是三点定位法优选为依次由公式和实现，式中，h为CCD相机至激光雷达发射光束的垂足点与激光雷达发射光束上第一参考点之间的距离，r2为CCD相机与激光雷达发射光束上第二参考点之间的距离，r1为CCD相机与激光雷达发射光束上第一参考点之间的距离，d为激光雷达发射光束上第一参考点与第二参考点之间的距离，D为CCD相机与激光雷达发射光束的垂直距离，利于尽快地确定CCD相机与激光雷达发射光束的垂直距离。五是实现三点定位法时，优选将CCD相机置于经纬测绘仪上，并使用激光测距机分别测定CCD相机与激光雷达发射光束上第一参考点之间的距离和CCD相机与激光雷达发射光束上第二参考点之间的距离，适于快捷地测定所需的各数据。六是CCD相机与激光雷达发射光束的垂直距离优选为10～200m，完全满足了对测量精度的要求。
附图说明
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是本发明对CCD相机中的像素与激光雷达发射光束的位置——定标表格进行标定的一种定标示意图。
图2是实施本发明时的一种基本结构示意图。
图3是采用三点定位法确定CCD相机与激光雷达发射光束的垂直距离的一种三点定位技术示意图。
具体实施方式
参见图1、图2和图3，CCD成像侧向激光雷达的标定方法如下：
步骤1，将CCD相机光轴1与定标表格2的平面垂直后，先使用CCD相机3获取定标表格2的CCD图像；其中，CCD相机3的张角6为90（可为60～120）度，CCD相机3与定标表格2的垂直距离为5（可为5～10）m，定标表格2为单行表格，其中的表格为边长为1cm的黑白相间的正方形表格。再由定标表格2的CCD图像中表格的编号和该表格中与表格编号增量同一维像素的编号计算出各像素的偏角α和角宽度dα。
步骤2，将CCD相机3置于激光雷达发射光束5的侧近处后，先采用三点定位法确定CCD相机3与激光雷达发射光束5的垂直距离D；其中，三点定位法为依次由公式和实现，式中的h为CCD相机3至激光雷达发射光束5的垂足点7与激光雷达发射光束5上第一参考点8之间的距离，r2为CCD相机3与激光雷达发射光束5上第二参考点9之间的距离，r1为CCD相机3与激光雷达发射光束5上第一参考点8之间的距离，d为激光雷达发射光束5上第一参考点8与第二参考点9之间的距离，D为CCD相机3与激光雷达发射光束5的垂直距离。实现三点定位法时，将CCD相机3置于经纬测绘仪上，并使用激光测距机分别测定CCD相机3与激光雷达发射光束5上第一参考点8之间的距离r1和CCD相机3与激光雷达发射光束5上第二参考点9之间的距离r2。再利用CCD成像技术获取激光雷达系统中激光器4发射的激光在大气中的散射光信号后，将各像素的偏角α、角宽度dα和CCD相机3与激光雷达发射光束5的垂直距离D代入侧向激光雷达方程之中，方程中的P(α)为α偏角方向上对应像素接收到的信号强度，P0为激光雷达发射光束5的功率，K为接收系统的光学透过率，A为光学系统的有效面积，D为CCD相机3与激光雷达发射光束5的垂直距离，Tt、Tr分别为激光雷达发射光束5竖直方向和斜方向上的透过率，β(α)为侧向散射系数，dα为像素的角宽度，由其反演计算出大气参数，得到如大气的消光系数、能见度和侧向散射系数等。
若CCD相机3与激光雷达发射光束5的垂直距离D选定为10～200m，当CCD相机3的张角6为90度时，则CCD相机3可探测到的激光雷达发射光束5的范围可为0～5000米。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的CCD成像侧向激光雷达的标定方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种CCD成像侧向激光雷达的标定方法，包括利用CCD成像技术获取激光在大气中的散射光信号，其特征在于完成步骤如下：
步骤1，将CCD相机光轴（1）与定标表格（2）的平面垂直后，先使用CCD相机（3）获取定标表格（2）的CCD图像，再由定标表格（2）的CCD图像中表格的编号和该表格中与表格编号增量同一维像素的编号计算出各像素的偏角（α）和角宽度（dα）；
步骤2，将CCD相机（3）置于激光雷达发射光束（5）的侧近处后，先采用三点定位法确定CCD相机（3）与激光雷达发射光束（5）的垂直距离（D），再将各像素的偏角（α）、角宽度（dα）和CCD相机（3）与激光雷达发射光束（5）的垂直距离（D）代入侧向激光雷达方程 之中，方程中的P(α)为α偏角方向上对应像素接收到的信号强度，P0为激光雷达发射光束（5）的功率，K为接收系统的光学透过率，A为光学系统的有效面积，D为CCD相机（3）与激光雷达发射光束（5）的垂直距离，Tt、Tr分别为激光雷达发射光束（5）竖直方向和斜方向上的透过率，β(α)为侧向散射系数，dα为像素的角宽度，由其反演计算出大气参数。
2.根据权利要求1所述的CCD成像侧向激光雷达的标定方法，其特征是CCD相机（3）的张角（6）为60～120度。
3.根据权利要求1所述的CCD成像侧向激光雷达的标定方法，其特征是CCD相机（3）与定标表格（2）的垂直距离为5～10m。
4.根据权利要求1所述的CCD成像侧向激光雷达的标定方法，其特征是定标表格（2）为单行表格。
5.根据权利要求4所述的CCD成像侧向激光雷达的标定方法，其特征是单行表格中的表格为边长为1cm的黑白相间的正方形表格。
6.根据权利要求1所述的CCD成像侧向激光雷达的标定方法，其特征是三点定位法为依次由公式和实现，式中，h为CCD相机（3）至激光雷达发射光束（5）的垂足点（7）与激光雷达发射光束（5）上第一参考点（8）之间的距离，r2为CCD相机（3）与激光雷达发射光束（5） 上第二参考点（9）之间的距离，r1为CCD相机（3）与激光雷达发射光束（5）上第一参考点（8）之间的距离，d为激光雷达发射光束（5）上第一参考点（8）与第二参考点（9）之间的距离，D为CCD相机（3）与激光雷达发射光束（5）的垂直距离。
7.根据权利要求6所述的CCD成像侧向激光雷达的标定方法，其特征是实现三点定位法时，将CCD相机（3）置于经纬测绘仪上，并使用激光测距机分别测定CCD相机（3）与激光雷达发射光束（5）上第一参考点（8）之间的距离（r1）和CCD相机（3）与激光雷达发射光束（5）上第二参考点（9）之间的距离（r2）。
8.根据权利要求1所述的CCD成像侧向激光雷达的标定方法，其特征是CCD相机（3）与激光雷达发射光束（5）的垂直距离（D）为10～200m。
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