CN104950294B - 一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法及测量系统 - Google Patents

一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法及测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法及测量系统。该测量方法，包括以下步骤：（1）测定微型激光雷达的几何重叠因子；（2）运用对比法，由微型激光雷达的几何重叠因子估算待测中大型激光雷达的几何重叠因子。利用本发明能有效提高中、大型激光雷达几何重叠因子的测量准确性。

Description

一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法及测量系统
技术领域
本发明涉及一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法及测量系统。
背景技术
激光雷达是一种主动遥感的探测工具，目前已广泛应用于大气气溶胶研究、大气光学研究、大气环境监测、全球气候预测等领域。米散射激光雷达用于测量边界层气溶胶分布情况。将激光雷达系统连接计算机后，根据计算机软件输出的数据，得到气溶胶垂直分布廓线；根据Fernald、Klett、斜率法等方法，反演大气气溶胶消光系数、后向散射系数等光学特性数值利用激光雷达进行大气探测，雷达系统本身的限制会给测量结果造成无法避免的系统误差。系统误差可以通过分析激光雷达系统的工作特性订正，如激光雷达的几何重叠因子，当激光雷达激光的发散角与望远镜的接收视场角部分重合时，发射激光仅有一部分被有效利用，由这种视场角部分重叠的几何关系确定的用于订正的物理量称为激光雷达的几何重叠因子。
激光雷达的发射系统与接收系统的轴线相互平行或重合，称为平行轴系统或共轴系统。米散射激光雷达发射系统的激光束有一定的发散角。原则上，当望远镜接收视场角略大于激光束发散角时，回波信号可以完全进入视场角。但是在距离地面约1000m高度内，激光的发散角与望远镜的视场角部分重合，发射激光仅仅部分被有效接收，由这种部分重叠的几何关系确定的因子称为激光雷达的几何重叠因子。如图1所示，近地面发射系统14和接收系统15的视场无重叠部分；随着高度升高，重叠部分增多，几何重叠因子逐渐增大；到达某一高度，激光发散区域完全落入望远镜视场角内，几何重叠因子为1；此临界高度以上的探测数据没有由几何重叠因子造成的误差。几何重叠因子是大于等0、小于或等于1的无量纲数，反映了发射激光的利用效率，它造成近地面测量的回波功率小于实际大气的回波功率，导致测量结果的误差，因而必须对激光雷达进行几何重叠因子的修正。
几何重叠因子的计算，主要依靠实验的方法，包括水平发射法、均匀大气垂直测量法、其他通道协助测量法。水平探测法在大气分布均匀的晴朗夜空进行，要求激光雷达系统的发射系统水平发射。对于望远镜固定的激光雷达系统或是无法移动的大型激光雷达系统，水平探测无法实现，因此采用水平探测法直接求得大激光雷达几何重叠因子的方法不可用。均匀大气垂直测量法对发射方向要求较低，一般激光雷达均可进行垂直发射，假设不同高度处大气气溶胶光学参数相同，计算方法类似于水平方法。此实验方法必须选择大风、晴朗、干燥的天气，大气边界层的气溶胶垂直分布十分均匀时进行，条件严苛。满足天气条件后测量出的几何重叠因子还是有很大的误差，即使大气分子运动速度十分快，还是会因为重力作用使大气上下分布密度不均，因此大气气溶胶浓度垂直分布也不完全均匀。该方法假设大气垂直方向均匀，但往往与事实相悖。其他通道协助的方法，是指负责的激光雷达系统包含拉曼通道，可以使用拉曼通道，得到几何重叠因子。该方法要求系统内有其他通道可以比较、借鉴。但一般激光雷达并不具有这些通道。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的上述缺陷，提供一种能有效提高中、大型激光雷达几何重叠因子的测量准确性的方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法，包括以下步骤：
(1)测定微型激光雷达的几何重叠因子；
(2)运用对比法，由微型激光雷达的几何重叠因子估算待测中大型激光雷达的几何重叠因子。
其中，步骤(1)中微型激光雷达的几何重叠因子采用水平探测法进行测定。
步骤(2)中具体估算方法为：
a、将待测中大型激光雷达与微型激光雷达在相同条件下垂直探测，分别得到待测雷达回波功率曲线和微型雷达回波功率曲线；利用步骤(1)中测得的几何重叠因子修正微型雷达回波功率曲线，得到实际回波功率曲线；
b、在待测中大型激光雷达的几何重叠因子修正待测雷达回波功率曲线后所得待测雷达修正回波功率曲线与实际大气功率曲线十分接近的假设条件下，限定待测中大型激光雷达几何重叠因子的范围，运用二分法，使得待测雷达修正回波功率曲线反演所得消光系数与实际回波功率曲线反演所得消光系数接近，从而求解待测中大型激光雷达的几何重叠因子。
步骤b中待测中大型激光雷达几何重叠因子的具体求解方法如下：根据实际回波功率曲线得到某高度z0处的实际回波功率，通过Fernald法反演出高度z0处的实际消光系数α(z0)；赋予待测中大型激光雷达在高度z0处的几何重叠因子η(z0)一个0、1之间的假定值，利用该值对待测雷达回波功率曲线进行修正，得到高度z0处的回波功率，通过Fernald法反演出高度z0处的新消光系数α″(z0)，在α″(z0)与α(z0)接近的前提下，利用二分法，不断缩小η(z0)的精确值范围，从而确定待测中大型激光雷达在高度z0处的几何重叠因子值。
本发明测量方法还包括以下步骤：根据待测中大型激光雷达系统的空间分辨率δ，将地面到高度H0处均分为[H0/δ]份，取[H0/δ]+1个采样点，其中，“[]”表示对括号内表达式取整数；每一个采样点通过步骤(2)计算一个几何重叠因子，运算时从H0循环到距地面最近的点，由此得到待测中大型激光雷达的几何重叠因子随高度的分布曲线。
本发明还提供了一种中大型激光雷达几何重叠因子测量系统，包括上述微型激光雷达，该微型激光雷达采用米散射激光雷达，包括：
发射系统，用于发射准直激光脉冲；
接收系统，用于接收与大气气溶胶分子发生相互作用后返回的激光信号；
信息采集系统，用于将接收系统接收的光信号转换成电信号；
本发明测量系统还包括信息处理系统，用于接收微型激光雷达和待测中大型激光雷达输出的信号，并进行分析处理。
本发明测量系统还包括外部支架；接收系统设于外部支架上，包括望远镜镜筒、望远镜主镜片、准直装置；望远镜主镜片设于望远镜镜筒顶部；激光信号依次经过望远镜主镜片和准直装置后进入信息采集系统；望远镜镜筒的左侧和下部分别安装有水平仪。
上述准直装置包括用于阻挡经过所述望远镜主镜片焦点的激光信号的小孔光阑、准直镜和滤光片；激光信号通过望远镜主镜片后，依次通过小孔光阑、准直镜和滤光片进入信息采集系统。
上述外部支架包括底座、竖直支架和水平支架；竖直支架为两个，分别左右垂直设于底座上；水平支架可上下移动地设于竖直支架之间；望远镜镜筒可转动地设于水平支架上。
上述发射系统采用微型二极管泵浦Nd:YAG固体激光器；信息采集系统采用光电倍增管。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、利用本发明测量方法能精确测量任意未知几何重叠因子的激光雷达系统的几何重叠因子，这克服了一些接收系统固定的大型激光雷达几何重叠因子测量的困难，使得由激光雷达的几何重叠因子带来的较大误差可以订正，提高了测量的准确性。
2、本发明所涉及的微型米散射激光雷达系统结构清晰简单，组装的过程简便快捷，体型小易于携带、转移，成本节省；且对望远镜镜筒可调的小型激光雷达进行改装就可实现本微型激光雷达系统的制作，有利于推广和应用。
3、利用本发明测量方法只需进行一次水平探测求解微型激光雷达系统的几何重叠因子，然后再利用该微型激光雷达系统求解待测系统的几何重叠因子，不需要再重复测量，省时省力，可行性很大。
附图说明
图1为几何重叠因子的原理图；
图2为本发明测量系统中微型激光雷达的结构示意图；
图3为图2中微型激光雷达的内部光路结构图；
图4为图2中微型激光雷达的左视图；
图5为图2中水平支架与竖直支架的连接示意图。
图中，1-望远镜镜筒，2-望远镜主镜片，3-小孔光阑，4-准直镜，5-滤光片，6-光电倍增管，7-激光器，8-水平仪，9-水平仪，10-底座，11-竖直支架，12-水平支架，13-凹槽，14-发射系统，15-接收系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明中大型激光雷达几何重叠因子的测量系统包括微型激光雷达和信息处理系统。结合图2至图5，该微型激光雷达采用米散射激光雷达，包括：
1、发射系统，用于发射准直激光脉冲，主要部件为脉冲激光器7，内部包括激光头，以及扩束镜、全反射镜等调节激光光路准直的光学仪器；激光器采用微型二极管泵浦Nd:YAG固体激光器，倍频后单脉冲能量为20uJ,脉冲重复频率为30KHz，可以使系统在单位时间得到更高的信噪比；扩束镜：用来扩展激光束的直径、减小激光束的发散角，本系统选用专用于532nm，10倍的激光扩束镜，它结构简单、准直能力强、扩束倍数大、透过率高，能够很好地满足本系统对发射系统发散角的要求；全反射镜：安装在一个三维精密调整架上，固定在扩束镜后方，激光经扩束镜之后，通过调整将对镜片进行平移和角度的调整，使光束能经过四十五度倾斜的全反射镜，垂直射入大气中；除此之外，本系统采用非共轴平行系统，实验前要调节激光准直且光轴与接受系统的轴线相平行。
2、接收系统，用于接收与大气气溶胶分子发生相互作用后返回的激光信号，主要部分为望远镜，包括望远镜镜筒1、望远镜主镜片2、镜筒内部的准直装置。此部分组件负责接收激光的大气散射回波，传送至信息采集系统。并将光信号转换成电信号并输出到信息处理系统。望远镜镜筒1设计为立方体形状，长宽高各为20cm、20cm、120cm，外表采用铝制材料，望远镜镜筒1的顶部嵌入望远镜主镜片2，尾部与光电倍增管6相连。望远镜镜筒1的左右两侧分别安装可调螺母，用于与外部支架相连及固定望远镜的位置；望远镜镜筒1的左侧(位于可调螺母上部)、望远镜镜筒1的底部分别安装水平仪8、9，用于判断进行实验时，望远镜镜筒的安放是否符合水平、竖直的条件。望远镜镜筒垂直时，左侧水平仪8紧贴望远镜镜筒表面呈上下走向，用于水平探测时确定望远镜镜筒水平放置；下部水平仪9表面紧贴望远镜镜筒底面，用于水平探测及垂直探测时确定望远镜镜筒是否准确水平、竖直。调节好望远镜后观察水平仪，若望远镜镜筒不水平或不竖直，则重新调整支架及螺母直至满足实验要求；望远镜主镜片2为11Dmm的凸透镜片；当望远镜焦点确定后，安装内部的准直装置，在焦点后方微小距离处，放置一小孔光阑3，可以阻挡经过焦点的发射光，使光束经过小孔光阑透过凸透镜，将光束准直进入准直镜4，准直后的光进入光电倍增管6前需要进行滤光降噪，因此光束依次经过准直镜4、滤光片5后，进入光电倍增管6。
3、外部支架，包括底座10、竖直支架11和水平支架12。望远镜镜筒1与水平支架12的连接处设置可调螺母，通过锁紧可调螺母固定望远镜的姿态，或适当拧松可调螺母来调节望远镜与水平地面的夹角。竖直支架11中部高度处设置垂直高度5cm的凹槽13，水平支架12与竖直支架11之间通过凹槽和调节旋钮锁紧固定。此凹槽13用于固定望远镜的空间位置和水平高度，通常情况下，先通过水平支架12、竖直支架11之间的调节旋钮调节与水平支架12相连的竖直支架11的高度，从而确定本系统望远镜的位置和高度，再通过望远镜镜筒1与水平支架12之间的可调螺母来改变望远镜的姿态，控制它与地面的夹角、水平或竖直。
4、信息采集系统，采用光电倍增管6，用于将接收系统接收的光信号转换成电信号，输出值信息处理系统。
信息处理系统包括光子计数器、示波器和计算机，用于接收微型激光雷达和待测中大型激光雷达输出的信号，并进行分析处理。
本发明进行中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法具体如下：
步骤一：利用水平探测法求解微型米散射激光雷达的几何重叠因子。
气溶胶探测原理基于米散射激光雷达方程
式中，P(R)是激光雷达接收到距离R处的大气后向散射回波功率，c是光速，E0是发射激光脉冲能量，η(R)为此激光雷达系统的几何重叠因子，Ar为望远镜的有效接收面积，β(R)是大气后向散射系数，Tr、Tt分别为发射单元和接收单元的透过率。T(R)是大气透过率，，表达式为
r为是R以内的不同距离。
在空气洁净、天气晴朗的夜空，大气可以视为水平均匀分布，本微型米散射激光雷达系统进行水平发射实验。此时气溶胶的后向散射系数β(R)、消光系数α(R)均为常数αH，此时大气透过率表达式为：T(R)＝exp{-R·αH}；因此激光雷达方程变为
P(R)＝CP0η(R)βexp(-2αHR)R-2 (3)
式中P0是激光发射功率，αH是水平大气消光系数，C是激光雷达系统常数，包含了c、Ar、TrTt等常数。设距离R0处激光发射光束已全部在接受望远镜视场角内，此时η(z)＝1，方程变为：
将(3)、(4)两式相比，得到几何重叠因子表达式：
lnη(R)＝2αH(R-R0)+ln(P(R)R2)-ln(P(R0)R0 2) (5)
上式即代表运用水平探测法求解本微型激光雷达系统的几何重叠因子的原理。αH为水平探测时的消光系数，可以通过斜率法求得，求解方法如下：
在均匀大气层中，后向散射系数β(R)和消光系数α(R)在该范围内是常数，在这种情况下，α(R)可由简单的斜率法求得，将激光雷达方程简化：
将P(R)乘以R2，再取对数得到表达式：
对D(R)求导得：
如果大气均匀，则β(R)、α(R)均为常数，由下式给出：
对曲线D(R)进行最小二乘法拟合，求出曲线的斜率，即得到均匀大气的消光系数。将求出的消光系数代入(5)式，求得本微型激光雷达系统的几何重叠因子。
水平探测法的具体实施：在晴朗、干净、以自由对流为主的夜晚，调节本微型激光雷达系统水平发射。每次接收5000个左右的脉冲进行累加平均以降低信号自身起伏造成的随机噪声。运用测得数据，作出回波功率曲线P(R)。P(R)的峰值处高度即几何重叠因子为1时的临界高度R0。本专利涉及的微型激光雷达系统的几何重叠因子求解步骤如下：
①利用斜率法求水平探测气溶胶的消光系数：根据水平探测数据，作出后向散射回波功率随距离分布的P(R)曲线，继而根据P(R)与D(R)之间的关系：D(R)＝ln P(R)·R2，作出D(R)的曲线；对D(R)进行最小二乘法拟合，得到D(R)的斜率，即水平探测的消光系数αH。
②根据P(R)峰值处高度值可以得到几何重叠因子为的水平距离R0，将R0、αH代入方程(5)，得到η(R)。
③作出η(R)的曲线，即几何重叠因子的分布廓线。
步骤二：运用对比法，由本系统的几何重叠因子估算中大型激光雷达的几何重叠因子。
选择晴朗天气的夜晚，将本系统与几何重叠因子待测系统置于同一观测位置，同时进行垂直探测，实验过程中，要求两系统距离尽量靠近。将激光器和望远镜置于同一高度，调节望远镜镜筒，保证两系统的接收系统均竖直向上进行探测，且两个系统的望远镜视场角无重叠部分。控制探测过程中两系统的硬件参数，得到系统修正常数d，设本激光雷达系统的系统参数为C1，待测系统的系统常数为C2，则C2＝C1d。一段时间后，根据计算机软件采集到的数据，得到两条气溶胶回波功率随高度分布的曲线。
根据本激光雷达系统在各个高度的几何重叠因子，修正本系统的回波功率曲线，得到某个时段内实际的回波功率曲线P(z)，z为高度；几何重叠因子待测系统观测到的同一时段的回波功率曲线为P'(z)；设这个待测系统在某高度z0处的几何重叠因子为η(z0)，三者之间的关系如下公式(10.1)所示：
求解几何重叠因子η(z0)的目的是订正待测统探测到的回波曲线，使得此曲线与实际大气回波曲线基本吻合。激光雷达研究的是大气中气溶胶或云等目标物粒子的消光特性，由大气某高度实际回波功率P(z0)可以求得实际大气在此高度实际消光系数α(z0)；赋予η(z0)一个0、1之间的假定值，利用公式(10.2)进行修正后得到P”(z0)，即由待测系统P'(z0)通过假设的几何重叠因子值修正后的实际大气回波功率，由P”(z0)反演出的新的大气消光系数α”(z0)，此值应该与P(z0)对应的大气实际消光系数的值α(z0)十分接近，满足
|α(z0)-α”(z0)|≤ξ1 (11)
ξ1为控制实际大气消光系数与修正后大气消光系数吻合的程度，满足此精度时得到的η(z0)即为此高度几何重叠因子的近似值。α(z0)由P(z0)通过Fernald法反演求出，α”(z0)由P”(z0)通过Fernald法反演出。
利用Fernald反演方法，结合计算机编程，可以分别根据P(z0)、P”(z0)反演出α(z0)、α”(z0)。求出z0高度处的几何重叠因子η(z0)的精确值，具体如下：
控制一个几何重叠因子求解范围：[0,1]。结合两个消光系数之差满足的条件|α(z0)-α”(z0)|≤ξ1(11)，利用二分法，不断缩小η(z0)的精确值范围[a,b]，直到它所在区间宽度满足精度ξ2，即[a,b]≤ξ2时，确定此高度的几何重叠因子值。其中，ξ1、ξ2取值为本微型激光雷达得到的大气实际回波功率在z0高度上实际大气消光系数α(z0)的百分之一。具体算法步骤如下：
①几何重叠因子η(z)的范围为[a,b]，令c＝(a+b)/2；
②若(α(z0)-α''a(z0)-ξ1)×(α(z0)-α''a(z0)-ξ1)＜0，令b＝c；
③若(α(z0)-α”b(z0)-ξ1)×(α(z0)-α''c(z0)-ξ1)＜0，令a＝c；
④如果此时|a-b|＜ξ2，则令η(z0)为(a+b)/2；否则，重新从①开始执行，直至满足|a-b|＜ξ2的条件。
上述算法中，α''a(z0)、α''b(z0)、α''c(z0)代表分别将a、b、c当做几何重叠因子来修正待测系统得到的回波功率时对应的消光系数的值。
根据待测激光雷达系统的空间分辨率δ，将地面到H0均分为[H0/δ]份，取[H0/δ]+1个采样点，其中，“[]”表示对括号内表达式取整数。每一个采样点计算一个几何重叠因子，运算时从H0循环到距地面最近的点。由此得到待测激光雷达系统的几何重叠因子随高度的分布曲线。

Claims (9)

1.一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）测定微型激光雷达的几何重叠因子；
（2）运用对比法，由微型激光雷达的几何重叠因子估算待测中大型激光雷达的几何重叠因子；所述步骤（2）中具体估算方法为：
a、将待测中大型激光雷达与微型激光雷达在相同条件下垂直探测，分别得到待测雷达回波功率曲线和微型雷达回波功率曲线；利用步骤（1）中测得的几何重叠因子修正微型雷达回波功率曲线，得到实际回波功率曲线；
b、在待测中大型激光雷达的几何重叠因子修正待测雷达回波功率曲线后所得待测雷达修正回波功率曲线与实际大气功率曲线十分接近的假设条件下，限定待测中大型激光雷达几何重叠因子的范围，运用二分法，使得待测雷达修正回波功率曲线反演所得消光系数与实际回波功率曲线反演所得消光系数接近，从而求解待测中大型激光雷达的几何重叠因子。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤b中待测中大型激光雷达几何重叠因子的具体求解方法如下：根据实际回波功率曲线得到某高度 处的实际回波功率，通过Fernald法反演出高度处的实际消光系数；赋予待测中大型激光雷达在高度 处的几何重叠因子一个0、1之间的假定值，利用该值对待测雷达回波功率曲线进行修正，得到高度处的回波功率，通过Fernald法反演出高度处的新消光系数，在与接近的前提下，利用二分法，不断缩小的精确值范围，从而确定待测中大型激光雷达在高度处的几何重叠因子值。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括以下步骤：根据待测中大型激光雷达系统的空间分辨率，将地面到高度处均分为份，取个采样点，其中，“”表示对括号内表达式取整数；每一个采样点通过步骤（2）计算一个几何重叠因子，运算时从循环到距地面最近的点，由此得到待测中大型激光雷达的几何重叠因子随高度的分布曲线。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤（1）中微型激光雷达的几何重叠因子采用水平探测法进行测定。
5.一种采用权利要求1至4任一所述测量方法的中大型激光雷达几何重叠因子测量系统，包括所述微型激光雷达，其特征在于，所述微型激光雷达采用米散射激光雷达，包括：
发射系统，用于发射准直激光脉冲；
接收系统，用于接收与大气气溶胶分子发生相互作用后返回的激光信号；
信息采集系统，用于将接收系统接收的光信号转换成电信号；
所述测量系统还包括信息处理系统，用于接收所述微型激光雷达和待测中大型激光雷达输出的信号，并进行分析处理。
6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括外部支架；所述接收系统设于所述外部支架上；所述接收系统包括望远镜镜筒、望远镜主镜片、准直装置；所述望远镜主镜片设于所述望远镜镜筒顶部；所述激光信号依次经过望远镜主镜片和准直装置后进入信息采集系统；所述望远镜镜筒的左侧和下部分别安装有水平仪。
7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述准直装置包括用于阻挡经过所述望远镜主镜片焦点的激光信号的小孔光阑、准直镜和滤光片；所述激光信号通过望远镜主镜片后，依次通过小孔光阑、准直镜和滤光片进入信息采集系统。
8.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述外部支架包括底座、竖直支架和水平支架；所述竖直支架为两个，分别左右垂直设于底座上；所述水平支架可上下移动地设于所述竖直支架之间；所述望远镜镜筒可转动地设于所述水平支架上。
9.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述发射系统采用微型二极管泵浦Nd:YAG固体激光器；所述信息采集系统采用光电倍增管。
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