CN108646231A - 一种激光雷达信号过渡区的校正方法 - Google Patents

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万学平
高洁
张天舒
刘文清
李岭
刘胜利
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Wuxi Zhongke Photonics Co ltd
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
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Abstract

本发明公开了一种激光雷达信号过渡区的校正方法，包括以下步骤：该方法基于同轴探测模块的激光雷达，通过对过渡区信号校准，修正近场信号，过程中使用Savitzky‑Golay滤波器对信号做滤噪处理，并对过渡区信号进行几何重叠因子校准，以更好地反演近地面污染物的时空演变，可广泛应用于激光雷达对于大气污染物的探测。

Description

一种激光雷达信号过渡区的校正方法
技术领域
本发明属于激光雷达，具体地说涉及一种激光雷达信号过渡区的校正方法。
背景技术
由于激光光源具有单色性好、相干性强、准直性高以及高亮度、大功率等特点，激光雷达技术在大气、环境、气象等领域得到快速发展。激光雷达是以激光为光源的一种探测装置，其发射的激光光束在大气中传输时，受到传输路径上的大气衰减(主要来自大气气溶胶分子和空气分子的消光)，同时一部分被气溶胶和空气分子散射的激光沿原路返回，并且再次受到传输路径上大气的衰减，最终被激光雷达接收。
当前激光雷达的主要是采用折返式的光路结构，但这种结构的接收角较小，导致低空信号无法全部接收，造成过渡区(通常为300米至500米)回波信号与真实大气信号不一致，极大降低了激光雷达在近场区域探测的准确性。过渡区大气是人类活动最集中的区域，因此对激光雷达过渡区信号进行校正，对于了解和探究边界层大气具有十分重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种激光雷达信号过渡区的校正方法，精确地反演多波长激光雷达近场大气光学参数，扩大激光雷达近地面有效探测范围。
本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种激光雷达信号过渡区的校正方法，所述激光雷达信号过渡区的校正方法包括以下步骤：
(A1)获得激光雷达的几何重叠因子FOverlap(z)；
(A2)利用所述几何重叠因子校正所述激光雷达采集的信号。
根据上述的激光雷达信号过渡区的校正方法，优选地，所述几何重叠因子的获得方式包括以下步骤：
(A11)在洁净的大气环境下，利用激光雷达获取大气分子瑞利散射的信号曲线P0(z)；
(A12)根据原始信号基线获取背景噪声N，得到有效信号E0(z)：
E0(z)＝P0(z)-N，
(A13)根据所述有效信号E0(z)可得到距离平方校正信号PRR0(z)：
PRR0(z)＝E0(z)·z2，
(A14)根据标准大气分子模式，得到大气分子的消光廓线EXTm；根据 PRR0(z)信号及EXTm拟合得到大气瑞利信号PRRRayleigh(z)；
(A15)得到几何重叠因子FOverlap(z)：
Foverlap(z)＝PRR0(z)/PRRRayleigh(z)。
根据上述的激光雷达信号过渡区的校正方法，优选地，步骤(A2)包括以下步骤：
(A21)激光雷达采集原始信号P(z)；
(A22)根据信号基线获取背景噪声N，得到有效信号E(z)：
E(z)＝P(z)-N，
(A23)根据所述有效信号E(z)可得到距离平方校正信号PRR(z)：
PRR(z)＝E(z)·z2，
(A24)根据几何重叠因子和信号PRR(z)得到校正后的信号PRRfix(z)：
PRRfix(z)＝PRR(z)*Foverlap(z)。
根据上述的激光雷达信号过渡区的校正方法，可选地，利用Savitzky-Golay 滤波器对距离平方校正信号进行滤噪。
根据上述的激光雷达信号过渡区的校正方法，优选地，所述激光雷达具有同轴检测系统。
根据上述的激光雷达信号过渡区的校正方法，优选地，激光雷达垂直检测，从而获得信号。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
通过校正过渡区(通常为300米至500米)的回波信号，使得更接近真实的大气信号，显著地提高了激光雷达在近场区域探测的准确性，精确地反演多波长激光雷达近场大气光学参数，扩大激光雷达近地面有效探测范围。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为根据本发明实施例的原始信号与拟合得到的大气瑞利散射信号示意图；
图2为根据本发明实施例的几何重叠因子示意图；
图3为根据本发明实施例的距离平方校正信号的校正前后的对比图。
具体实施方式
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
实施例：
本发明实施例的激光雷达信号过渡区的校正方法，所述激光雷达信号过渡区的校正方法包括以下步骤：
米散射激光雷达后向散射回波信号对应的激光雷达方程为：
其中：P(z)为激光雷达接收到高度z处的后向散射回波信号(单位，W)； c为激光雷达系统常数(单位，W·km3·sr)，β(z)为高度z处的总后向散射系数 (单位km-1·sr-1)，且β(z)＝βm(z)+βa(z)，βm(z)和βa(z)分别表示大气分子的后向散射系数和气溶胶的后向散射系数；α(z)是距离z处总的消光系数 (单位，km-1)且α(z)＝αm(z)+αa(z)，αm(z)和αa(z)分别表示大气分子的消光系数和气溶胶的消光系数，激光雷达具有同轴检测系统；
(A1)获得激光雷达的几何重叠因子FOverlap(z)；所述几何重叠因子的获得方式包括以下步骤：
(A11)在洁净的大气环境下，如晴朗无云且无污染的天气条件下，利用激光雷达垂直探测，经过多次采集信号，采集次数为M，获取多次采集后的大气分子瑞利散射的等效平均信号
(A12)在晴朗无云且无污染的情况下，在较大高度以上(如22km以上)，有效信号通常淹没在系统噪声利，系统噪声
其中，z0为计算系统噪声的起始高度，Z为米散射激光雷达能够探测的最大高度，K为z0到Z区间的采集点数；
根据上述等效平均信号和噪声得到有效信号E0(z)：
E0(z)＝P0(z)-N，
(A13)根据所述有效信号E0(z)可得到距离平方校正信号PRR0(z)：
PRR0(z)＝E0(z)·z2，
利用Savitzky-Golay滤波器对距离平方校正信号PRR0(z)进行滤噪；
(A14)根据标准大气分子模式，得到大气分子的消光廓线EXTm；根据 PRR0(z)信号及EXTm拟合得到大气瑞利信号PRRRayleigh(z)，具体为：
在晴朗无云且无污染的天气条件下，气溶胶含量较少，近似于无，故纯大气分子的后向散射信号近似于：
如图1所示；
其中，根据标准大气模式，可知βm(z)和αm(z)满足：
αm(z)＝Sm·βm(z)，
其中，λ为米散射激光雷达的发射光束的波长(nm)，Sm为大气分子雷达比(sr)，通常取值为8π/3；
对上述大气分子的后向散射信号进行距离平方校正，得到：
PRRRayleigh(z)＝PRayleigh(z)·z2
一般在边界层(最高约3km左右)之上，为纯净大气层，根据该高度上的 PRR(z)，对PRRRayleigh(z)进行大小修正，即将PRR(z)与PRRRayleigh(z)的数值统一到一个数量级；
(A15)得到几何重叠因子FOverlap(z)，如图2所示：
Foverlap(z)＝PRR0(z)/PRRRayleigh(z)。
(A2)利用所述几何重叠因子校正所述激光雷达采集的信号；具体包括以下步骤：
(A21)激光雷达采集原始信号P(z)；
(A22)根据信号基线获取背景噪声N，得到有效信号E(z)：
E(z)＝P(z)-N，
(A23)根据所述有效信号E(z)可得到距离平方校正信号PRR(z)：
PRR(z)＝E(z)·z2，
利用Savitzky-Golay滤波器对距离平方校正信号PRR(z)进行滤噪；
(A24)根据几何重叠因子和信号PRR(z)得到校正后的信号PRRfix(z)：
PRRfix(z)＝PRR(z)*Foverlap(z)，如图3所示。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

Claims (6)

1.一种激光雷达信号过渡区的校正方法，其特征在于：所述激光雷达信号过渡区的校正方法包括以下步骤：
(A1)获得激光雷达的几何重叠因子FOverlap(z)；
(A2)利用所述几何重叠因子校正所述激光雷达采集的信号。
2.根据权利要求1所述的激光雷达信号过渡区的校正方法，其特征在于：所述几何重叠因子的获得方式包括以下步骤：
(A11)在洁净的大气环境下，利用激光雷达获取大气分子瑞利散射的信号曲线P0(z)；
(A12)根据原始信号基线获取背景噪声N，得到有效信号E0(z)：
E0(z)＝P0(z)-N，
(A13)根据所述有效信号E0(z)可得到距离平方校正信号PRR0(z)：
PRR0(z)＝E0(z)·z2，
(A14)根据标准大气分子模式，得到大气分子的消光廓线EXTm；根据PRR0(z)信号及EXTm拟合得到大气瑞利信号PRRRayleigh(z)；
(A15)得到几何重叠因子FOverlap(z)：
Foverlap(z)＝PRR0(z)/PRRRayleigh(z)。
3.根据权利要求1所述的激光雷达信号过渡区的校正方法，其特征在于：步骤(A2)包括以下步骤：
(A21)激光雷达采集原始信号P(z)；
(A22)根据信号基线获取背景噪声N，得到有效信号E(z)：
E(z)＝P(z)-N，
(A23)根据所述有效信号E(z)可得到距离平方校正信号PRR(z)：
PRR(z)＝E(z)·z2，
(A24)根据几何重叠因子和信号PRR(z)得到校正后的信号PRRfix(z)：
PRRfix(z)＝PRR(z)*Foverlap(z)。
4.根据权利要求2或3所述的激光雷达信号过渡区的校正方法，其特征在于：利用Savitzky-Golay滤波器对距离平方校正信号进行滤噪。
5.根据权利要求1所述的激光雷达信号过渡区的校正方法，其特征在于：所述激光雷达具有同轴检测系统。
6.根据权利要求1所述的激光雷达信号过渡区的校正方法，其特征在于：激光雷达垂直检测，从而获得信号。
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