CN109738911A - 一种偏振激光雷达测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种偏振激光雷达测量系统及测量方法，包括：激光器、扩束系统、接收系统和电源，接收系统信号连接偏振分束片，偏振分束片分别与第一探测器和第二探测器信号连接，第一探测器和第二探测器分别与采集系统信号连接，采集系统与工控机信号连接，工控机与门控卡信号连接，门控卡与激光器和采集系统信号连接。本发明提供的偏振激光雷达测量系统及测量准方法，通过测量方法得出的退偏比，用于区分大气分子的粒子类型；同时本发明实施例中的测量方法具有校准作用，使得测量系统中的激光光源不再要求是线偏振光，可以是椭圆偏振光或者其他偏振光；而且在安装过程中，也不再要求偏振分束的偏振方向与激光光源偏振方向平行或者垂直，可以是任意方向。

Description

一种偏振激光雷达测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及环境感知技术领域，特别涉及一种偏振激光雷达测量系统及测量方法。

背景技术

偏振激光雷达可以区分大气中不同的粒子类型，区分球形和非球形颗粒物，常用于探测沙尘，区分水云和冰云。现有技术中，偏振激光雷达系统中的激光光源必须要求是线偏振光；在安装过程中，必须严格要求偏振分束的偏振方向和激光光源的偏振方向平行或者垂直，对安装要求极高，而且如果没有严格平行或者垂直，会导致校准方法繁琐。

发明内容

本发明提供一种偏振激光雷达测量系统及测量方法，激光光源不仅可以是线偏振光，还可以是椭圆偏振光或者其他偏振光。安装过程中，不再要求偏振分束的偏振方向与激光光源偏振方向平行或者垂直，可以是具有一定角度的任意方向，减少安装的精准度限制，既方便整个系统的安装，使用过程中又增加了系统的灵活性，方便使用。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种偏振激光雷达测量系统，包括：激光器1、扩束装置2、接收装置3 和电源9，所述接收装置3信号连接偏振分束片4，所述偏振分束片4分别与第一探测器51和第二探测器52信号连接，所述第一探测器51和所述第二探测器52分别与采集装置6信号连接，所述采集装置6与工控机7信号连接，所述工控机7与门控卡8信号连接，所述门控卡8与所述激光器1和所述采集装置信号连接；

所述激光器1用于发射偏振激光光束；

所述扩束装置2用于接收和扩束所述激光光束，所述激光光束经过扩束装置2后射向大气后生成回波信号；

所述接收装置3用于接收所述回波信号；

所述偏振分束片4用于将所述回波信号分成平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥；

所述第一探测器51用于探测所述平行通道光功率信号P_//，所述第二探测器52用于探测垂直通道光功率信号P_⊥；

所述采集装置6用于采集所述第一探测器51探测到的平行通道光功率信号P_//和第二探测器探测到的垂直通道光功率信号P_⊥，并将所述所述第一探测器51探测到的平行通道光功率信号P_//和第二探测器探测到的垂直通道光功率信号P_⊥发送到工控机7；

所述工控机7用于接所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号，并根据所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分析、计算得到校准数据。

优选地，所述工控机7与所述门控卡8信号连接，所述门控卡8根据所述主控机7内部的嵌入式CPU的控制指令触发所述激光器1和所述采集装置6。

优选地，所述电源9分别与所述激光器1、第一探测器51、第二探测器 52和工控卡7信号连接。

优选地，所述激光器1为激光雷达，所述激光雷达的激光光束为线偏振光、椭圆偏振光或其他偏振光。

优选地，所述扩束装置2包括用于扩大激光光束束腰半径和压缩减小激光光束发散角的扩束准直镜。

优选地，所述采集装置6包括用于采集所述第一探测器51和所述第二探测器52探测到的信号的采集卡。

优选地，包括：激光器1、扩束装置2、接收装置3和电源9，所述接收装置3信号连接偏振分束片4，所述偏振分束片4分别与第一探测器51和第二探测器52信号连接，所述第一探测器51和所述第二探测器52分别与采集装置6信号连接，所述采集装置6与所述工控机7信号连接，所述工控机7 与门控卡8信号连接，所述门控卡8与所述激光器1和所述采集装置信号连接，包括以下步骤：

S1、所述激光器1发射偏振激光光束；

S2、所述扩束装置2接收和扩束所述激光光束，把所述激光光束经过扩束后射向大气后生成回波信号；

S3、所述接收装置3接收所述回波信号；

S4、所述偏振分束片4将所述回波信号分成平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥；

S5、所述第一探测器51探测所述平行通道光功率信号P_//，所述第二探测器52探测垂直通道光功率信号P_⊥；

S6、所述采集装置6采集所述第一探测器51探测到的平行通道光功率信号P_//和所述第二探测器探52测到的垂直通道光功率信号P_⊥，并将所述第一探测器51探测到的平行通道光功率信号P_//和所述第二探测器探测到的垂直通道光功率信号P_⊥发送到工控机7；

S7、所述工控机7接收所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥，并根据所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分析、计算得到校准数据。

优选地，所述步骤S7具体包括：

S71：在无偏振效应状态下，所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分别为P_P(r)和P_s(r)；

根据所述平行通道光功率信号P_P(r)和垂直通道光功率信号P_s(r)得到激光光束的偏振纯度R为：

在偏振效应状态下，所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分别为P_||(r)和P_⊥(r)；

在偏振效应状态下的垂直通道光功率信号P_⊥(r)为：

P_⊥(r)＝P_S(r)-δ(r)·P_S(r)+δ(r)·P_P(r) (2)

在偏振效应状态下的平行通道光功率信号P_||(r)为：

P_||(r)＝P_P(r)-δ′(r)·P_P(r)+δ(r)·P_S(r) (3)

联合(1)、(2)和(3)式得到大气分子退偏比公式：

由上述(4)公式可知，当在高空的某处r₀的退偏比为0，即δ(r₀)＝0时，可求得所述偏振纯度R为：

S72：为求得所述偏振纯度R，则需确定r₀，确定r₀包括以下步骤：

S721：根据所述激光光束的波长及以下激光雷达方程计算得出大气分子的瑞利信号Rayleigh(r)：

其中r为测量距离(单位：m)；C＝1,λ为激光器波长(单位：nm)，T(r)为温度(单位：K),Pa(r) 为气压(单位：Pa)；

S722:选取距离激光器一定范围内的所有瑞利信号Rayleigh(r)、偏振效应状态下的平行通道光功率信号P⊥(r)和垂直通道光功率信号P_‖(r)分别求和作平均，依次得到为瑞利信号平均值M_ray、平行通道信号平均值M_||和垂直通道信号平均值M_⊥；

S723:将所述瑞利信号平均值M_ray、垂直通道信号平均值M_⊥和平行通道信号平均值M_||分别与瑞利信号Rayleigh(r)、偏振状态下的平行通道光功率信号 P_⊥(r)和垂直通道光功率信号P_‖(r)拟合，得到拟合误差曲线：

S724：根据所述拟合误差曲线，得出拟合误差曲线在距离激光器1一定范围内的最小值Δ(r)，且所述最小值Δ(r)对应的距离为r₀；

S73：根据步骤S724中的距离r₀得到所述激光光束的偏振纯度R：

S74：通过所述偏振纯度R得到退偏比：

通过实施以上技术方案，具有以下技术效果：本发明提供的偏振激光雷达测量系统及测量准方法，通过测量方法得出的退偏比，用于区分大气分子的粒子类型；同时本发明实施例中的测量方法具有校准作用，使得所述测量系统中的激光光源不再要求是线偏振光，可以是椭圆偏振光或者其他偏振光；而且在安装过程中，也不再要求偏振分束的偏振方向与激光光源偏振方向平行或者垂直，可以是任意方向，减少安装的精准度限制，既方便整个系统的安装，使用过程中又增加了系统的灵活性。

附图说明

图1为本发明提供的偏振激光雷达测量系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例。

本发明实施例提供一种偏振激光雷达测量系统，如图1所示，包括：激光器1、扩束装置2和接收装置3，所述接收装置3信号连接偏振分束片4，所述偏振分束片4分别与第一探测器51和第二探测器52信号连接，所述第一探测器51和所述第二探测器52分别与采集装置6信号连接，所述采集装置6与工控机7信号连接，所述工控机7与门控卡8信号连接，所述门控卡8 与所述激光器1和所述采集装置信号连接。

所述激光器1用于发射偏振激光光束；所述扩束装置2用于接收和扩束所述激光光束，所述激光光束经过扩束装置2后射向大气后生成回波信号；所述接收装置3用于接收所述回波信号；优选地，所述扩束装置2包括扩束准直镜，所述激光光束经过所述扩束准直镜之后射向大气，继而通过生成大气散射的回波信号。

所述偏振分束片4用于将所述回波信号分成平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥；所述第一探测器51用于探测所述平行通道光功率信号 P_//，所述第二探测器52用于探测垂直通道光功率信号P_⊥。

所述采集装置6用于采集所述第一探测器51探测到的平行通道光功率信号P_//和第二探测器探测到的垂直通道光功率信号P_⊥，并将所述所述第一探测器51探测到的平行通道光功率信号P_//和第二探测器探测到的垂直通道光功率信号P_⊥发送到工控机7；

所述工控机7用于接所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号，并根据所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分析、计算得到校准数据。所述测量系统中的激光光源不再要求是线偏振光，可以是椭圆偏振光或者其他偏振光；而且在安装过程中，也不再要求偏振分束的偏振方向与激光光源偏振方向平行或者垂直，可以是任意方向，减少安装的精准度限制，既方便整个系统的安装，使用过程中又增加了系统的灵活性。

在上述实施例中，在其他实施例上，进一步地，所述工控机7与所述门控卡8信号连接，所述门控卡8根据所述主控机7内部的嵌入式CPU的控制指令触发所述激光器1和所述采集装置6。

在上述各实施例中，在其他实施例上，更进一步地，还包括电源9，所述电源9分别与所述激光器1、第一探测器51、第二探测器52和工控卡7信号连接。优选地，所述电源9为移动电源为所述激光器1、第一探测器51、第二探测器52和工控卡7提供电量，在其他实施例中，所述电源9也可以为蓄电池或其他形式的电源。

在上述各实施例中，在其他实施例上，更进一步地，所述激光器1为激光雷达，所述激光雷达的激光光束为线偏振光、椭圆偏振光或其他偏振光。

在本实施例中，优选地，所述扩束装置2包括用于扩大激光光束束腰半径和压缩减小激光光束发散角的扩束准直镜。所述采集装置6包括用于采集所述第一探测器51和所述第二探测器52探测到的信号的采集卡。

一种测量方法，包括：激光器1、扩束装置2、接收装置3和电源9，所述接收装置3信号连接偏振分束片4，所述偏振分束片4分别与第一探测器 51和第二探测器52信号连接，所述第一探测器51和所述第二探测器52分别与采集装置6信号连接，所述采集装置6与所述工控机7信号连接，所述工控机7与门控卡8信号连接，所述门控卡8与所述激光器1和所述采集装置信号连接，包括以下步骤：

S1、所述激光器1发射偏振激光光束；

S2、所述扩束装置2接收和扩束所述激光光束，把所述激光光束经过扩束后射向大气后生成回波信号；

S3、所述接收装置3接收所述回波信号；

S4、所述偏振分束片4将所述回波信号分成平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥；

S5、所述第一探测器51探测所述平行通道光功率信号P_//，所述第二探测器52探测垂直通道光功率信号P_⊥；

S6、所述采集装置6采集所述第一探测器51探测到的平行通道光功率信号P_//和所述第二探测器探52测到的垂直通道光功率信号P_⊥，并将所述第一探测器51探测到的平行通道光功率信号P_//和所述第二探测器探测到的垂直通道光功率信号P_⊥发送到工控机7；

S7、所述工控机7接收所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥，并根据所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分析、计算得到校准数据。

在本实施例中，优选地，所述步骤S7具体包括：

S71：在无偏振效应状态下，所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分别为P_P(r)和P_s(r)；

根据所述平行通道光功率信号P_P(r)和垂直通道光功率信号P_s(r)得到激光光束的偏振纯度R为：

在偏振效应状态下，所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分别为P_||(r)和P_⊥(r)；

在偏振效应状态下的垂直通道光功率信号P_⊥(r)为：

P_⊥(r)＝P_S(r)-δ(r)·P_S(r)+δ(r)·P_P(r) (2)

在偏振效应状态下的平行通道光功率信号P_||(r)为：

P_||(r)＝P_P(r)-δ′(r)·P_P(r)+δ(r)·P_S(r) (3)

联合(1)、(2)和(3)式得到大气分子退偏比公式：

由上述(4)公式可知，当在高空的某处r₀的退偏比为0，即δ(r₀)＝0时，可求得所述偏振纯度R为：

S72：为求得所述偏振纯度R，则需确定r₀，确定r₀包括以下步骤：

S721：根据所述激光光束的波长及以下激光雷达方程计算得出大气分子的瑞利信号Rayleigh(r)：

其中r为测量距离(单位：m)；C＝1,λ为激光器波长(单位：nm)，T(r)为温度(单位：K),Pa(r) 为气压(单位：Pa)；

S722:选取距离激光器一定范围内的所有瑞利信号Rayleigh(r)、偏振效应状态下的平行通道光功率信号P_⊥(r)和垂直通道光功率信号P_‖(r)分别求和作平均，依次得到为瑞利信号平均值M_ray、平行通道信号平均值M_||和垂直通道信号平均值M_⊥；

S723:将所述瑞利信号平均值M_ray、垂直通道信号平均值M_⊥和平行通道信号平均值M_||分别与瑞利信号Rayleigh(r)、偏振状态下的平行通道光功率信号 P_⊥(r)和垂直通道光功率信号P_‖(r)拟合，得到拟合误差曲线：

S724：根据所述拟合误差曲线，得出拟合误差曲线在距离激光器1一定范围内的最小值Δ(r)，且所述最小值Δ(r)对应的距离为r₀；

S73：根据步骤S724中的距离r₀得到所述激光光束的偏振纯度R：

S74：通过所述偏振纯度R得到退偏比：

本发明实施例的激光雷达测量系统中激光器可以垂直或者以0度到90度倾斜方式放置，根据测量算法得到退偏比数据。在本实施例中，优选地，根据所述退偏比数据，利用偏振特征目标识别技术，即是一种根据目标散射光偏振度的差异，对线偏振光退偏特性的差异进行目标识别的原理与方法，从而获取到目标的偏振图像，从而区分大气中不同的粒子类型。同时本发明实施例中的测量方法具有校准作用，使得所述测量系统中的激光光源不再要求是线偏振光，可以是椭圆偏振光或者其他偏振光；而且在安装过程中，也不再要求偏振分束的偏振方向与激光光源偏振方向平行或者垂直，可以是任意方向，减少安装的精准度限制，既方便整个系统的安装，使用过程中又增加了系统的灵活性。

以上对本发明实施例所提供的一种偏振激光雷达测量系统及测量方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种偏振激光雷达测量系统，其特征在于，包括：激光器(1)、扩束装置(2)和接收装置(3)，所述接收装置(3)信号连接偏振分束片(4)，所述偏振分束片(4)分别与第一探测器(51)和第二探测器(52)信号连接，所述第一探测器(51)和所述第二探测器(52)分别与采集装置(6)信号连接，所述采集装置(6)与工控机(7)信号连接，所述工控机(7)与门控卡(8)信号连接，所述门控卡(8)与所述激光器(1)和所述采集装置信号连接；

所述激光器(1)用于发射偏振激光光束；

所述扩束装置(2)用于接收和扩束所述激光光束，所述激光光束经过扩束装置(2)后射向大气后生成回波信号；

所述接收装置(3)用于接收所述回波信号；

所述偏振分束片(4)用于将所述回波信号分成平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥；

所述第一探测器(51)用于探测所述平行通道光功率信号P_//，所述第二探测器(52)用于探测垂直通道光功率信号P_⊥；

所述采集装置(6)用于采集所述第一探测器(51)探测到的平行通道光功率信号P_//和第二探测器探测到的垂直通道光功率信号P_⊥，并将所述所述第一探测器(51)探测到的平行通道光功率信号P_//和第二探测器探测到的垂直通道光功率信号P_⊥发送到工控机(7)；

所述工控机(7)用于接所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号，并根据所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分析、计算得到退偏比。

2.根据权利要求1所述的偏振激光雷达测量准系统，其特征在于，所述工控机(7)与所述门控卡(8)信号连接，所述门控卡(8)根据所述主控机(7)内部的嵌入式CPU的控制指令触发所述激光器(1)和所述采集装置(6)。

3.根据权利要求1所述的偏振激光雷达测量系统，其特征在于，还包括电源(9)，所述电源(9)分别与所述激光器(1)、第一探测器(51)、第二探测器(52)和工控卡(7)连接。

4.根据权利要求1所述的偏振激光雷达测量系统，其特征在于，所述激光器(1)为激光雷达，所述激光雷达的激光光束为线偏振光、椭圆偏振光或其他偏振光。

5.根据权利要求1所的偏振激光雷达测量系统，其特征在于，所述扩束装置(2)包括用于扩大激光光束束腰半径和压缩减小激光光束发散角的扩束准直镜。

6.根据权利要求1所述的偏振激光雷达测量系统，其特征在于，所述采集装置(6)包括用于采集所述第一探测器(51)和所述第二探测器(52)探测到的信号的采集卡。

7.一种测量方法，其特征在于，包括：激光器(1)、扩束装置(2)、接收装置(3)和电源(9)，所述接收装置(3)信号连接偏振分束片(4)，所述偏振分束片(4)分别与第一探测器(51)和第二探测器(52)信号连接，所述第一探测器(51)和所述第二探测器(52)分别与采集装置(6)信号连接，所述采集装置(6)与所述工控机(7)信号连接，所述工控机(7)与门控卡(8)信号连接，所述门控卡(8)与所述激光器(1)和所述采集装置信号连接，包括以下步骤：

S1、所述激光器(1)发射偏振激光光束；

S2、所述扩束装置(2)接收和扩束所述激光光束，把所述激光光束经过扩束后射向大气后生成回波信号；

S3、所述接收装置(3)接收所述回波信号；

S4、所述偏振分束片(4)将所述回波信号分成平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥；

S5、所述第一探测器(51)探测所述平行通道光功率信号P_//，所述第二探测器(52)探测垂直通道光功率信号P_⊥；

S6、所述采集装置(6)采集所述第一探测器(51)探测到的平行通道光功率信号P_//和所述第二探测器探(52)测到的垂直通道光功率信号P_⊥，并将所述第一探测器(51)探测到的平行通道光功率信号P_//和所述第二探测器探测到的垂直通道光功率信号P_⊥发送到工控机(7)；

S7、所述工控机(7)接收所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥，并根据所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分析、计算得到退偏比。

8.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于步骤S7具体包括：

S71：在无偏振效应状态下，所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分别为P_P(r)和P_s(r)；

根据所述平行通道光功率信号P_P(r)和垂直通道光功率信号P_s(r)得到激光光束的偏振纯度R为：

在偏振效应状态下，所述平行通道光功率信号P_//和垂直通道光功率信号P_⊥分别为P_||(r)和P_⊥(r)；

在偏振效应状态下的垂直通道光功率信号P_⊥(r)为：

P_⊥(r)＝P_S(r)-δ(r)·P_S(r)+δ(r)·P_P(r) (2)

在偏振效应状态下的平行通道光功率信号P_||(r)为：

P_||(r)＝P_P(r)-δ'(r)·P_P(r)+δ(r)·P_S(r) (3)

联合(1)、(2)和(3)式得到大气分子退偏比公式：

由上述(4)公式可知，当在高空的某处r₀的退偏比为0，即δ(r₀)＝0时，可求得所述偏振纯度R为：

S72：为求得所述偏振纯度R，则需确定r₀，确定r₀包括以下步骤：

S721：根据所述激光光束的波长及以下激光雷达方程计算得出大气分子的瑞利信号Rayleigh(r)：

其中r为测量距离(单位：m)；C＝1,λ为激光器波长(单位：nm)，T(r)为温度(单位：K),Pa(r)为气压(单位：Pa)；

S722:选取距离激光器一定范围内的所有瑞利信号Rayleigh(r)、偏振效应状态下的平行通道光功率信号P_⊥(r)和垂直通道光功率信号P_||(r)分别求和作平均，依次得到为瑞利信号平均值M_ray、平行通道信号平均值M_||和垂直通道信号平均值M_⊥；

S723:将所述瑞利信号平均值M_ray、垂直通道信号平均值M_⊥和平行通道信号平均值M_||分别与瑞利信号Rayleigh(r)、偏振状态下的平行通道光功率信号P_⊥(r)和垂直通道光功率信号P_||(r)拟合，得到拟合误差曲线：

S724：根据所述拟合误差曲线，得出拟合误差曲线在距离激光器(1)一定范围内的最小值Δ(r)，且所述最小值Δ(r)对应的距离为r₀；

S73：根据步骤S724中的距离r₀得到所述激光光束的偏振纯度R：

S74：通过所述偏振纯度R得到退偏比：