CN110850392B - 激光雷达退偏增益比的校正方法 - Google Patents

激光雷达退偏增益比的校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了激光雷达退偏增益比的校正方法，所述激光雷达退偏增益比的校正方法包括以下步骤：(A1)获得激光雷达回波信号的垂直分量EP(h)和水平分量ES(h)；(A2)获得参量
Figure DDA0002256803020000011
(A3)分析所述参量ε(h)：若h＞h0时的参量ε(h)与高度h无关，h0为大气边界层高度，进入步骤(A5)；若h＞h0时的参量ε(h)与高度h有关，进入步骤(A4)；(A4)调整激光雷达的发射光路和接收光路，进入步骤(A1)；(A5)退偏增益比k校正为：
Figure DDA0002256803020000012
K为h＞h0时的大气分子的退偏振比，ε1为所述参量在h＞h0时的平均值。本发明具有简单方便等优点。

Description

激光雷达退偏增益比的校正方法
技术领域
本发明涉及激光雷达，特别涉及激光雷达退偏增益比的校正方法。
背景技术
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大气分子的消光)，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。作为探测大气颗粒物和云层时空分布研究领域的重要技术手段，激光雷达的探测资料对于研究气溶胶的垂直分布、迁移和扩散过程、大气边界层及其时空演变特征都有着重要的意义。
大气气溶胶在大气物理化学过程中是一个重要因素，对大气辐射传输与大气中很多物理化学过程的发生都有着重要影响。气溶胶颗粒存在不同的粒径和形状，决定了不同种类的气溶胶具有不同的特性，尤其是偏振特性。通常，气溶胶颗粒可分为球形粒子和非球形粒子，可通过其对线偏振光的偏振特性来具体区分二者。
偏振激光雷达能够测量粒子的退偏振比，进而分析粒子形态。气溶胶的退偏振比的时空分布情况与探测时刻的天气情况以及地面状况有密切关系，国内外许多学者利用微脉冲激光雷达探测不同种类粒子的退偏振比大气气溶胶颗粒的形态、性质不停的发生变化。1991年，Sassen通过微脉冲激光雷达的数据求得了不同种类粒子的退偏振比，得到洁净的大气的退偏振是远远小于0.1的，沙尘的退偏振比范围为0.1至0.3，冰相云的退偏振比为0.4至0.7，冰云的退偏振比低于0.15。2006年，董旭辉等人运用双波长偏振激光雷达对沙尘暴天气进行了探测分析，对探测数据进行分析得到沙尘暴的持续时长、强度等特征，实验结果表明激光雷达能够对极端天气有效地进行预报。2012年，宋跃辉等利用激光雷达对降水前后的气溶胶退偏振比进行了测量，发现降水前，气溶胶的退偏振比偏小，降水后退偏振比增大。
目前退偏振比的标校方法大多为物理方法，即通过仪器调试测量来校准退偏因子，此类方法需要对光机进行调试操作，如西安理工大学狄慧鸽提出一种偏振激光雷达的退偏标定与补偿装置及标定与补偿方法，通过在激光器的光束上依次设置1/4λ波片、1/2λ波片等，通过多次旋转波片计算得到各自状态下的斯托克斯矢量进行雷达的退偏增益比标定。这种方式具有不足，如：
1.需要结构支撑，如半波片等，引入的运动部件降低了可靠性；
2.耗时长，标校效率低。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种校正方便、效率高、无需引入硬件的激光雷达退偏增益比的校正方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
激光雷达退偏增益比的校正方法，所述激光雷达退偏增益比的校正方法包括以下步骤：
(A1)获得激光雷达回波信号的垂直分量EP(h)和水平分量ES(h)；
(A2)获得参量
Figure BDA0002256803000000021
(A3)分析所述参量ε(h)：
若h＞h0时的参量ε(h)与高度h无关，h0为大气边界层高度，进入步骤(A5)；
若h＞h0时的参量ε(h)与高度h有关，进入步骤(A4)；
(A4)调整激光雷达的发射光路和接收光路，进入步骤(A1)；
(A5)退偏增益比k校正为：
Figure BDA0002256803000000022
K为h＞h0时的大气分子的退偏振比，ε1为所述参量在h＞h0时的平均值。
本发明的目的还在于在上述激光雷达退偏增益比的校正的基础上，提供了激光雷达数据的验证，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
激光雷达数据的验证包括：
(B1)获得激光雷达的原始信号Plidar(hi)，温度廓线T(hi)以及大气压强廓线P(hi)，i＝1,2,3,…n，hi为不同位置处的高度；
(B2)根据所述温度廓线和大气压强廓线，获得大气分子的后向散射系数廓线βm(hi)以及消光系数廓线αm(hi)：
Figure BDA0002256803000000031
a＝3.6139×10-4，单位为
Figure BDA0002256803000000034
b＝3.0277×10-2，单位为K·J-1·m-1，λ为激光雷达的波长，单位为nm；
(B3)获得变化率：
Figure BDA0002256803000000032
Figure BDA0002256803000000033
[hmin,hmax]为高度区间，n为所述高度区间内的数据点数；
(B4)判断变化率K1、K2间偏差Error是否超出阈值：
若超出，表明当前激光雷达数据无法匹配当前大气的分布；
如未超出，正常测量。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.仅需对获得的常规数据进行处理，即可完成退偏增益比的校正，无需引入额外的硬件结构，如半波片、四分之一波片等，提高了激光雷达运行的可靠性；
2.对获得的常规数据进行处理，配合原有激光雷达的调整，即可完成退偏增益比的校正，耗时短，校正效率高；
3.提供了有效的激光雷达数据验证方案；
从激光雷达探测数据的纯净大气分子部分与常规的大气分布做比对，能够验证雷达数据的准确性，并可通过误差偏差来体现；
整个验证方案简单易实现，而且能够为雷达信号反演提供更好的准确性保障，得以更好地测量和分析大气颗粒物的垂直分布、迁移和扩散过程、大气边界层及其时空演变特征；
本方案作为激光雷达的标定工作的基础--数据验证，为激光雷达的精确标定打下基础。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的激光雷达退偏增益比的校正方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的激光雷达数据的验证方案的流程图。
具体实施方式
图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例1的激光雷达退偏增益比的校正方法的流程图，如图1所示，所述激光雷达退偏增益比的校正方法包括以下步骤：
(A1)获得激光雷达回波信号的垂直分量EP(h)和水平分量ES(h)，垂直分量EP(h)和水平分量ES(h)分别是扣除噪声的分量；
(A2)获得参量
Figure BDA0002256803000000051
(A3)分析所述参量ε(h)：
若h＞h0时的参量ε(h)与高度h无关，h0为大气边界层高度，进入步骤(A5)；
若h＞h0时的参量ε(h)与高度h有关，进入步骤(A4)；
(A4)调整激光雷达的发射光路和接收光路，使得发射光路和接收光路同轴，进入步骤(A1)；
(A5)退偏增益比k校正为：
Figure BDA0002256803000000052
K为h＞h0时的大气分子的退偏振比，为定值，ε1为所述参量在h＞h0时的平均值；
在上述校正方法的实施过程中，还实时实施了激光雷达数据的验证方案，具体方式为：
图2示意性地给出了本发明实施例1的激光雷达数据的验证方案的流程图，如图2所示，所述激光雷达数据的验证方案包括：
(B1)获得激光雷达的原始信号Plidar(hi)，具体为大气颗粒物的米散射回波功率；
获得温度廓线T(hi)，具体方式为：
利用气象传感器获得高度h0处的温度T(h0)，进而得到温度廓线T(hi):
T(hi)＝T(hi-1)+ΔT(hi)·(hi-hi-1)，
Figure BDA0002256803000000053
利用气象传感器获得高度h0处的大气压强P(h0)，进而得到大气压强廓线P(hi)：
Figure BDA0002256803000000061
g为重力加速度，M0为大气分子质量，R为气体常数；
(B2)根据所述温度廓线和大气压强廓线，获得大气分子的后向散射系数廓线βm(hi)以及消光系数廓线αm(hi)：
Figure BDA0002256803000000062
a＝3.6139×10-4，单位为
Figure BDA0002256803000000063
b＝3.0277×10-2，单位为K·J-1·m-1，λ为激光雷达的波长，单位为nm；
(B3)获得变化率：
Figure BDA0002256803000000064
Figure BDA0002256803000000065
[hmin,hmax]为高度区间，n为所述高度区间内的数据点数；hnoise为噪声段高度区间，
Figure BDA0002256803000000066
(B4)判断变化率K1、K2间偏差Error是否超出阈值：
若超出，表明当前激光雷达数据无法匹配当前大气的分布，i＝1,2,3,…n，hi为不同位置处的高度；
如未超出，正常测量。
实施例2：
根据本发明实施例1的激光雷达退偏增益比的校正方法的应用例。
在本应用例中，在步骤(A4)的光路调整中，具体方式为：调整激光雷达发射光路和/或接收光路：激光器发出的测量光依次经过扩束单元、双楔形棱镜(两个棱镜的倾斜面相对设置)后，依次被第一反射镜和第二反射镜反射，从而射入大气中；通过调整双楔形棱镜，从而改变测量光在第二反射镜上的出射方向，进而使得所述发射光路和接收光路同轴。
激光雷达数据的验证方案包括：
(B1)获得激光雷达的原始信号Plidar(hi)，具体为：
Figure BDA0002256803000000071
其中，i＝1,2,3,…n，hi为不同位置处的高度；C为激光雷达系统常数(W·km3·Sr)，βα(hi)，βm(hi)分别为距离hi处的气溶胶后向散射系数
Figure BDA0002256803000000077
和大气分子后向散射系数/>
Figure BDA0002256803000000076
αa(hi),αm(hi)分别为距离hi处气溶胶消光系数(km-1)和大气分子的消光系数；
获得温度廓线T(hi)，具体方式为：
利用气象传感器获得高度h0处的温度T(h0)，进而得到温度廓线T(hi):
T(hi)＝T(hi-1)+ΔT(hi)·(hi-hi-1)，
Figure BDA0002256803000000072
利用气象传感器获得高度h0处的大气压强P(h0)，进而得到大气压强廓线P(hi)：
Figure BDA0002256803000000073
g为重力加速度，M0为大气分子质量，R为气体常数；
(B2)根据所述温度廓线和大气压强廓线，获得大气分子的后向散射系数廓线βm(hi)以及消光系数廓线αm(hi)：
Figure BDA0002256803000000074
a＝3.6139×10-4，单位为
Figure BDA0002256803000000075
b＝3.0277×10-2，单位为K·J-1·m-1，λ为激光雷达的波长，单位为nm；
(B3)获得变化率：
Figure BDA0002256803000000081
Figure BDA0002256803000000082
[hmin,hmax]为高度区间，n为所述高度区间内的数据点数；hnoise为噪声段高度区间，
Figure BDA0002256803000000083
(A4)判断偏差
Figure BDA0002256803000000084
是否超出阈值：
如未超出，正常测量；
若超出，表明当前激光雷达数据无法匹配当前大气的分布，需要调整激光雷达，并返回到步骤(B1)；
所述调整的方式与步骤(A4)中的光路调整相同。
上述实施例仅是示例性地给出了偏差为
Figure BDA0002256803000000085
的情况，当然还可以是其他方式，如/>
Figure BDA0002256803000000086
或/>
Figure BDA0002256803000000087
或/>
Figure BDA0002256803000000088
选择的偏差的表达式不同，阈值也不同。

Claims (3)

1.激光雷达退偏增益比的校正方法，所述激光雷达退偏增益比的校正方法包括以下步骤：
(A1)获得激光雷达回波信号的垂直分量EP(h)和水平分量ES(h)；
(A2)获得参量
Figure FDA0002256802990000011
(A3)分析所述参量ε(h)：
若h＞h0时的参量ε(h)与高度h无关，h0为大气边界层高度，进入步骤(A5)；
若h＞h0时的参量ε(h)与高度h有关，进入步骤(A4)；
(A4)调整激光雷达的发射光路和接收光路，进入步骤(A1)；
(A5)退偏增益比k校正为：
Figure FDA0002256802990000012
K为h＞h0时的大气分子的退偏振比，ε1为所述参量在h＞h0时的平均值。
2.根据权利要求1所述的激光雷达退偏增益比的校正方法，其特征在于：在步骤(A4)中，调整的方式为：
将发射光路和接收电路调整为同轴。
3.根据权利要求1所述的激光雷达退偏增益比的校正方法，其特征在于：在步骤(A1)中；
垂直分量EP(h)和水平分量ES(h)分别是扣除噪声的分量。
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