CN111665525B - 一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法 - Google Patents

一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111665525B
CN111665525B CN202010282463.7A CN202010282463A CN111665525B CN 111665525 B CN111665525 B CN 111665525B CN 202010282463 A CN202010282463 A CN 202010282463A CN 111665525 B CN111665525 B CN 111665525B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
correlation coefficient
accumulation interval
adaptive
self
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010282463.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111665525A (zh
Inventor
林兆祥
黄昆鹏
程学武
熊伟
吴金泉
杨国韬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South Central Minzu University
Original Assignee
South Central University for Nationalities
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South Central University for Nationalities filed Critical South Central University for Nationalities
Priority to CN202010282463.7A priority Critical patent/CN111665525B/zh
Publication of CN111665525A publication Critical patent/CN111665525A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111665525B publication Critical patent/CN111665525B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法，相比起之前的收发匹配系统，本发明在前人工作的基础上，提出了基于自适应累加区间、自适应步长、自适应调整方向的自动收发匹配算法来替代主观判断。因此本方案具备自动化、智能化的技术特点，可以实现快速收发匹配。

Description

一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法
技术领域
本发明涉及中高层大气激光雷达领域，更具体地说，涉及一种自适应的激光雷达自动 收发匹配方法。
背景技术
中高层大气激光雷达是一种主动式的光学遥感探测系统，具备高时空分辨率，被广泛 地应用在临近空间各大气参数的探测。激光雷达主要由激光发射系统和信号接收系统组成， 结构示意图如图1所示，发射系统主要由激光器系统1、光束整形系统2、光束偏转系统3 组成；接收系统主要由望远镜接收系统4、选频系统5、光电转换系统6、信号采集系统7 组成。由激光器系统1产生的特定频率(波长)的高能脉冲激光束经光束整形系统2和光束偏转系统3发射到高空，特定频率的光子与中高层大气中的特定成分作用后的产生的散射信号或者荧光信号被望远镜接收系统4中的望远镜聚焦，经选频系统5抑制背景噪声后，通过光电转换系统6转换为电信号，经工作在光子计数器模式下的信号采集系统7，生成 激光雷达数据。
中高层大气激光雷达的探测区间通常在30～90km，如果发射光路发生了微小变化，就 会对探测的结果造成很大的偏差，因此对激光雷达的发射系统和接收系统的光学元件稳定 性，光轴的平行度要求比较髙。激光雷达发射系统的结构较为复杂，系统中的一些光学器 件，如分光镜、导向镜、调整架、准直镜等在实验室条件下无法避免微小的机械振动，同 时由于部分器件(望远镜接收系统4、光束偏转系统3等)必须工作在自然环境下，环境 温度的变化会造成光学性能发生微小变化，影响发射光束的方向，降低探测信号的一致性， 从而引起激光雷达的探测误差。因此激光束和望远镜视场的收发匹配状态严重影响了中高 层大气激光雷达长期业务化运行。
中高层大气激光雷达的收发匹配是使发射激光束在探测区间内完全进入接收望远镜的 视场区域(FOV)。当前中高层大气激光雷达多采用旁轴系统，使用“固定望远镜，调节激 光束角度”的设计思路，实现激光雷达的收发匹配。匹配过程原理图如图2所示，以激光光 束轴线与望远镜视场轴线之间的角度为θ，激光光束与望远镜视场之间的重合的体积为V。 当激光束以视场轴线为原点，从视场外偏转进入视场，再从视场中偏转出来时，重合体积 的变化呈梯形的平台状。在“台顶”上，重合的体积最大，是激光雷达的最优观测区域。
当前主流的科研机构和实验室大多采用人工或者简单机械方式来进行收发匹配，人工 收发匹配需要由具备较强光学专业知识和对仪器熟练操作能力的工作人员在每次开机之前， 根据示波器信号廓线，以及个人的经验调节光束偏转系统，改变发射激光束方向，实现收 发匹配。并且在激光雷达观测过程中，需要定时巡检，如果发现匹配状态变差，需要及时 进行手动调整。这个过程完全依赖操作人员的个人经验和操作技巧，不同的实验员调整后 的结果也各不相同，造成了探测结果一致性差，因此人工收发匹配主观性和盲目性较大， 耗时费力，且很难达到实验预期的效果，这将大大降低激光雷达系统的探测性能。特别当 发射激光束偏离视场较远的情况下，人工调节很可能无法完成收发匹配。当前机械收发匹 配过程通过计算机控制光束偏转系统，采用十字光束扫描法或者螺旋扫描法，遍历激光雷 达的信号场，最终在最佳位置停止。这种方式需要耗费大量的时间才能达到观测的精度， 工作效率低。因此，当前人工或者传统机械收发匹配方式既不利于激光雷达的推广，又制 约了激光雷达的自动化发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有人工或者机械收发匹配过程中既不利于激光 雷达的推广，又制约了激光雷达的自动化发展的技术缺陷，提供了一种中高层大气激光雷 达自动收发匹配方法，用于提高中高层大气激光雷达的工作效率、探测精度和稳定性。
本发明为解决其技术问题，提供了一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法，具体包 含如下步骤：
步骤1、启动数字采集卡，获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定 信号累加区间，并计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，根据此时计算 出的相关性系数选择自适应步长，转步骤2；
步骤2、采用当前自适应步长对一轴步进电机进行控制，以当前位置为P0，正向移动 一个单位到P1，获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间， 并计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，根据此时计算出的相关性系数 选择自适应步长，反向移动两个单位到P2，转步骤3；所述单位等于自适应步长；
步骤3、判断P0、P1、P2位置，哪个位置的信号累加区间的信号强度最大？若P0处 最大，转步骤4；若是P1处，以P2→P1为移动方向，回到P1处，转步骤5；若是P2处， 转步骤5；
步骤4、如果P0处的信号累加区间的信号强度最强，以P2→P0为移动方向，回到P0处；获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间，并计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，如果相关性系数大于预设系数，在当前位置停下，完成匹配，否则根据此时计算出的相关性系数选择自适应步长，换另一轴步进电机，返回步骤2以此时的自适应步长作为新的自适应步长和此时的位置作为新的P0进行处理；
步骤5、获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间，并计 算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，根据此时计算出的相关性系数选择 自适应步长。在当前位置，以当前电机移动方向进行一个单位步长移动，转步骤6；
步骤6、计算前后移动位置的信号累加区间的信号强度差值，如果差值大于预设阈值， 转步骤5；如果差值小于预设阈值且大于0，转步骤7；如果差值小于0，然后回退到前一个位置，转步骤7；
步骤7、获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间，并 计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，如果相关性系数大于预设系数， 在当前位置停下，完成匹配，否则根据此时计算出的相关性系数选择自适应步长，换另一 轴步进电机，返回步骤2以此时的自适应步长作为新的自适应步长和此时的位置作为新的 P0进行处理。
进一步地，在本发明的自适应的激光雷达自动收发匹配方法中，当前位置的信号累加 区间是根据下述方法计算得到：
(1)把实测回波信号的120km～200km之间的数据求取算术平均得到当前的回波信号 的背景噪声；
(2)把所有的实测回波信号减去背景噪声得到有效信号；
(3)将有效信号15～25公里定义为累加信号区间的起点startMie；
(4)将有效信号50～70公里定义为累加信号区间的终点endMie；
(5)[startMie,endMie]即为信号累加区间，信号累加区间[startMie,endMie]对应的实测 信号为信号累加区间的回波廓线，信号累加区间[startMie,endMie]内所有信号的累加值为信 号累加区间的信号强度。
进一步地，在本发明的自适应的激光雷达自动收发匹配方法中，将相关性系数作为激 光雷达自动收发匹配的评价标准，根据预先建立的相关性系数与电机调节步长的对应关系 自动选择电机调节步长，当相关性系数达到预设系数时，激光雷达自动收发匹配成功，停 止匹配。
进一步地，在本发明的自适应的激光雷达自动收发匹配方法中，所述预设系数例如可 以取0.95。
进一步地，在本发明的自适应的激光雷达自动收发匹配方法中，所述对应关系根据下 述方法得到：
进行下述实验调试：通过移动步进电机遍历视场，得到中高层大气激光雷达三维信号 场模型，计算三维信号场模型中三维信号场每个移动位置的回波廓线与标准模式的相关性 系数，将其投影到二维的平面上，得到相关性系数等值线图，等值线图中相关性系数高的 位置，匹配度高，信号强，反之，匹配度低，信号弱。将相关性系数作为衡量激光雷达匹 配度的标准；
每次在进行通过移动步进电机遍历视场的试验调试时，采用不同的电机调节步长，通 过多次实验调试，建立相关性系数与电机调节步长的对应关系；将实测回波廓线与标准模 式的相关性系数分成若干个区间，每个区间分别对应步进电机不同的步长，实现激光发射 方向的调节，可以高效的完成匹配。
进一步地，在本发明的自适应的激光雷达自动收发匹配方法中，采用日本西格玛光机 的小型步进电机驱动装置(SGSP-25ACT-B0)和日本西格玛光机2轴平台控制器(SHOT-702)，实现激光发射方向的调节，得到相关性系数与电机调节步长对应关系如下：
相关性系数小于0.2时，电机调节步长为300；
相关性系数大于等于0.2小于0.25时，电机调节步长为250；
相关性系数大于等于0.25小于0.3时，电机调节步长为200；
相关性系数大于等于0.3小于0.4时，电机调节步长为150；
相关性系数大于等于0.4小于0.5时，电机调节步长为100；
相关性系数大于等于0.5小于0.6时，电机调节步长为50；
相关性系数大于等于0.6小于0.7时，电机调节步长为40；
相关性系数大于等于0.7小于0.8时，电机调节步长为30；
相关性系数大于等于0.8小于0.9时，电机调节步长为10；
相关性系数大于等于0.9小于0.95时，电机调节步长为5；
相关性系数大于等于0.95时，停止匹配。
进一步地，在本发明的自适应的激光雷达自动收发匹配方法中，所述一轴步进电机和 所述另一轴步进电机一个用于控制光束偏转系统的发射光束的俯仰角，另一个用于控制光 束偏转系统的发射光束的水平转角。
实施本发明的自适应的激光雷达自动收发匹配方法，相比起之前的收发匹配系统，本 发明在前人工作的基础上，提出了基于自适应累加区间、自适应步长、自适应调整方向的 自动收发匹配算法来替代主观判断。因此本方案具备自动化、智能化的技术特点，可以实 现快速收发匹配。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是激光雷达的结构示意图；
图2是激光雷达的匹配过程原理图；
图3是现有技术中激光雷达光路自动准直仪的镜架结构图；
图4是图3中镜架上固定板的俯视图；
图5是光束偏转系统的工作原理图；
图6是自适应选择信号累加区间的原理图；
图7是中高层激光雷达三维信号场模型以及相关性系数等值线图；
图8是自动收发匹配算法的原理图；
图9是本发明的自适应的激光雷达自动收发匹配方法的流程图；
图10是比对实验结果图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发 明的具体实施方式。
中高层大气激光雷达的发射系统包括光束偏转系统，其具有两个步进电机，一轴步进 电机和另一轴步进电机一个用于控制光束偏转系统的发射光束的俯仰角，另一个用于控制 光束偏转系统的发射光束的水平转角。光束偏转系统的结构属于本领域现有技术，例如专 利200610097527.6公开了一种激光雷达光路自动准直仪。参考图3以及图4，激光雷达光 路自动准直仪，包括有反射镜、激光器、信号探测单元、接收望远镜和计算机，还包括有 镜架1，镜架上安装有固定板2，固定板2上安装有活动板3，活动板3和固定板2之间通 过弹簧4连接，活动板3上安装反射镜5，镜架1内安装有两组滑块/测微头机构及其驱动 步进电机，所述的两个滑块6上端有顶杆7，从镜架1和固定板2上的开孔伸出到活动板3 下方。顶杆7和弹簧4在活动板下表面呈X-Y轴垂直分布，在X-Y轴的交点处有钢球安装 在固定板2和活动板3之间。滑块/测微头机构为：包括安装在镜架内的左、右侧各二根导 杆9，滑块套装在二根导杆9上，滑块下端和测微头10联接，测微头和驱动步进电机11 之间通过联轴器12联接。专利200610097527.6给出了光束偏转系统的一种实现方式，但 是本发明的具体结构不限定于此。
本发明的光束偏转系统工作原理如图5所示，P代表步进电机的一个单位螺距，L记作电机顶部平台的宽度。步进电机每移动一个单位螺距，反射镜偏转的角度如表达式：
tanθ＝P/L
θ＝arctan(P/L)
由几何光学中平面镜的旋转特性可知，反射镜转动θ角时，反射光线转动2θ角。由此可以定量地得到电机移动的步数与反射激光束的偏转角度的关系。
自适应自动收发匹配技术主要体现在自适应信号累加区间、自适应调整方向、自适应 调整步长。
自适应信号累加区间的原理图如图6所示，图中黑色的曲线为激光雷达的回波信号廓 线，可以划分为饱和区、信号区、噪声区。其中信号饱和区和噪声区不能准确地反应回波 信号的特征，属于无效的数据。匹配过程中计算的信号累加区间的信号强度为信号累加区 间所有信号的累加值。不同匹配状态下，有效信号区间的长度也不同。本发明提供了一套 针对实测的回波信号能够自适应地确定有效信号区间的算法：
(1)把实测回波信号的120km～200km之间的数据求取算术平均得到当前的回波信号 的背景噪声；
(2)把所有的实测回波信号减去背景噪声得到有效信号；
(3)将有效信号15～25公里定义为累加信号区间的起点startMie；
(4)将有效信号50～70公里定义为累加信号区间的终点endMie；
(5)[startMie,endMie]即为信号累加区间，信号累加区间[startMie,endMie]对应的实测 信号为信号累加区间的回波廓线，信号累加区间[startMie,endMie]内所有信号的累加值为信 号累加区间的信号强度。
本发明采用了相关性系数作为评价激光雷达匹配度好坏的指标，即计算实测信号累加 区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，通过相关性系数大小判断激光雷达匹配好坏的 程度。其中，标准模式是对数据库中的观测信号进行处理后，比对大气密度的分布模型得 到的优质信号。以海南、武汉、延庆3个激光雷达台站为例，系统分析海南、武汉、延庆 3个激光雷达台站历年的观测数据，结合大气密度的分布模型，得到激光雷达的标准模式 如下，其值为2048维的向量，如Signal所示。大量实验证明该模式能够适用于不同地区、不同季节、不同规格的激光雷达台站。
Figure BDA0002447208620000071
Figure BDA0002447208620000081
Figure BDA0002447208620000091
相关性系数计算公式如下：
Figure BDA0002447208620000092
其中X为累加区间内的回波信号，Signal为标准模式。cov(X,Signal)为回波信号与标 准模式之间的协方差，
Figure BDA0002447208620000093
为回波信号的标准差，
Figure BDA0002447208620000094
为标准模式的标准差。
计算得到如下结果：
Figure BDA0002447208620000095
其中ρ11为X与X之间的相关性系数，ρ22为Signal与Signal之间的相关性系数。ρ11＝ρ22＝1，ρ12为X与Signal之间的相关性系数，ρ21为Signal与X之间的相关性系数，ρ12＝ρ21，为所求相关性系数。
应当理解的是，本发明公开的上述标准模式Signal仅为一种实施方式，本发明不限定 于此。
本系统采用日本西格玛光机的小型步进电机驱动装置(SGSP-25ACT-B0)和日本西格 玛光机2轴平台控制器(SHOT-702)，来实现激光发射方向的调节。通过移动步进电机遍历视场，得到中高层激光雷达三维信号场模型。如图7的左部分所示，其为中高层激光雷 达三维信号场模型，模型底部的灰色区域是随机的噪声，顶部的亮色区域为信号较强的区域。计算三维信号场模型中每个位置的相关性系数，将其投影到二维的平面上，得到如图 7右部分所给出相关性系数等值线图。图中，等值线图中相关性系数高的位置，匹配状态 好，信号较强，反之，匹配状态差，信号较弱。因此，相关性系数可以作为衡量激光雷达 匹配状态的标准。
针对当前光束偏转系统移动步进电机遍历视场时，采用不同的电机调节步长，通过多 次实验调试，建立相关性系数与电机调节步长的对应关系，如下表所示，其中电机调节步 长的单位为脉冲，即脉冲的个数(步进电机是控制器通过脉冲驱动的)。通过计算实测信号 与标准模式的相关性系数，从而可以确定自适应步长。
相关性系数ρ 电机调节步长a 激光束偏移角度b
ρ<0.2 a＝300 b＝173.4μrad
0.2≤ρ<0.25 a＝250 b＝144.5μrad
0.25≤ρ<0.3 a＝200 b＝115.6μrad
0.3≤ρ<0.4 a＝150 b＝86.7μrad
0.4≤ρ<0.5 a＝100 b＝57.8μrad
0.5≤ρ<0.6 a＝50 b＝28.9μrad
0.6≤ρ<0.7 a＝40 b＝23.12μrad
0.7≤ρ<0.8 a＝30 b＝17.34μrad
0.8≤ρ<0.9 a＝10 b＝5.78μrad
0.9≤ρ<0.95 a＝5 b＝2.89μrad
考虑到步进电机分为垂直和水平两个维度，在实际的应用中将自适应调整步长、自适 应调整方向的自动收发匹配算法正交化为x和y两轴，其原理如图8所示，假定当前所在 位置a为发射激光光束初始位置，计算该位置信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关 性系数，根据相关性系数的大小自适应地选择电机的移动步长。移动步进电机沿着y轴前 后移动，比较电机移动前后信号累加区间的信号强度的变化，然后计算出信号累加区间的 信号强度上升的方向
Figure RE-GDA0002559407410000111
沿着
Figure RE-GDA0002559407410000112
移动步进电机，记录移动过程中的信号累加区间内回波信 号强度及对应的步进电机坐标，同时计算相关性系数并自适应地更新步进电机的移动步长， 当信号累加区间的信号强度开始下降时，回退到前一个位置b，停止移动y轴电机，转向移 动x轴步进电机。比较移动前后信号累加区间的信号强度变化，然后沿着信号累加区间信 号强度增大的方向
Figure RE-GDA0002559407410000113
继续移动x轴步进电机，记录移动过程中的信号累加区间内回波信号 强度及对应的坐标，计算相关性系数，选择对应的自适应步长。当信号累加区间内回波信 号开始下降时，回退到前一个位置c，停止移动x轴步进电机…采用相同的方法依次找到点 d、e、f…从而逐渐逼近最佳匹配点。最终在相关性系数大于预设系数的位置停下来，此处 即为最佳的匹配位置。
综上，参考图9，本发明的自适应的激光雷达自动收发匹配方法包括如下步骤：
步骤1、启动数字采集卡，获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定 信号累加区间，并计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，根据此时计算 出的相关性系数选择自适应步长，转步骤2；
步骤2、采用当前自适应步长对一轴步进电机进行控制，以当前位置为P0，正向移动 一个单位到P1，获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间， 并计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，根据此时计算出的相关性系数 选择自适应步长，反向移动两个单位到P2，转步骤3；所述单位等于自适应步长；
步骤3、判断P0、P1、P2位置，哪个位置的信号累加区间的信号强度最大？若P0处 最大，转步骤4；若是P1处，以P2→P1为移动方向，回到P1处，转步骤5；若是P2处， 转步骤5；
步骤4、如果P0处的信号累加区间的信号强度最强，以P2→P0为移动方向，回到P0处；获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间，并计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，如果相关性系数大于预设系数，在当前位置停下，完成匹配，否则根据此时计算出的相关性系数选择自适应步长，换另一轴步进电机，返回步骤2以此时的自适应步长作为新的自适应步长和此时的位置作为新的P0进行处理；
步骤5、获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间，并计 算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，根据此时计算出的相关性系数选择 自适应步长，在当前位置，以当前电机移动的方向进行一个单位步长移动，转步骤6；
步骤6、计算前后移动位置的累加区间的信号强度差值，如果差值大于预设阈值，转 步骤5；如果差值小于预设阈值且大于0，转步骤7；如果差值小于0，然后回退到前一个位置，转步骤7；优选的，所述预设阈值取值应等于系统误差，系统误差是指由固定不变 的或按确定的规律变化的因素所造成的误差；
步骤7、获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间，并 计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，如果相关性系数大于预设系数， 在当前位置停下，完成匹配，否则根据此时计算出的相关性系数选择自适应步长，换另一 轴步进电机，返回步骤2以此时的自适应步长作为新的自适应步长和此时的位置作为新的 P0进行处理。
2019年12月11日，在北京延庆进行自动收发匹配实验。在同一时间段、同一套激光雷达设备上与资深激光雷达工程师的人工调整进行了比较，自适应算法调整过程总共耗时约3分钟，人工调整耗时8分钟。对比实验结果如图10所示，虚线为当前系统和自适应算 法前后调节的结果，黑色线条为人工调整的结果，结果表明自适应算法在调节精度上能够 达到甚至高于手动匹配，且在时间上能够大幅度领先。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施 方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在 本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形 式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤1、启动数字采集卡，获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间，并计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，根据此时计算出的相关性系数选择自适应步长，转步骤2；
步骤2、采用当前自适应步长对一轴步进电机进行控制，以当前位置为P0，正向移动一个单位到P1，获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间，并计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，根据此时计算出的相关性系数选择自适应步长，反向移动两个单位到P2，转步骤3；所述单位等于自适应步长；
步骤3、判断P0、P1、P2位置，哪个位置的信号累加区间的信号强度最大；若P0处最大，转步骤4；若是P1处，以P2→P1为移动方向，回到P1处，转步骤5；若是P2处，转步骤5；
步骤4、如果P0处的信号累加区间的信号强度最强，以P2→P0为移动方向，回到P0处；获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间，并计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，如果相关性系数大于预设系数，在当前位置停下，完成匹配，否则根据此时计算出的相关性系数选择自适应步长，换另一轴步进电机，返回步骤2以此时的自适应步长作为新的自适应步长和此时的位置作为新的P0进行处理；
步骤5、获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间，并计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，根据此时计算出的相关性系数选择自适应步长；在当前位置，以当前电机移动方向进行一个单位步长移动，转步骤6；
步骤6、计算前后移动位置的信号累加区间的信号强度差值，如果差值大于预设阈值，转步骤5；如果差值小于预设阈值且大于0，转步骤7；如果差值小于0，然后回退到前一个位置，转步骤7；
步骤7、获取当前位置实测的回波信号，根据实测的回波信号确定信号累加区间，并计算信号累加区间的回波廓线与标准模式的相关性系数，如果相关性系数大于预设系数，在当前位置停下，完成匹配，否则根据此时计算出的相关性系数选择自适应步长，换另一轴步进电机，返回步骤2以此时的自适应步长作为新的自适应步长和此时的位置作为新的P0进行处理。
2.根据权利要求1所述的自适应的激光雷达自动收发匹配方法，其特征在于，当前位置的信号累加区间是根据下述方法计算得到：
(1)把实测回波信号的120km～200km之间的数据求取算术平均得到当前的回波信号的背景噪声；
(2)把所有的实测回波信号减去背景噪声得到有效信号；
(3)将有效信号15～25公里定义为信号累加区间的起点startMie；
(4)将有效信号50～70公里定义为信号累加区间的终点endMie；
(5)[startMie,endMie]即为信号累加区间，信号累加区间[startMie,endMie]对应的实测信号为信号累加区间的回波廓线，信号累加区间[startMie,endMie]内所有信号的累加值为信号累加区间的信号强度。
3.根据权利要求1所述的自适应的激光雷达自动收发匹配方法，其特征在于，将相关性系数作为激光雷达自动收发匹配的评价标准，根据预先建立的相关性系数与电机调节步长的对应关系自动选择电机调节步长，当相关性系数达到预设系数时，激光雷达自动收发匹配成功，停止匹配。
4.根据权利要求3所述的自适应的激光雷达自动收发匹配方法，其特征在于，所述对应关系根据下述方法得到：
进行下述实验调试：通过移动步进电机遍历视场，得到中高层大气激光雷达三维信号场模型，计算三维信号场模型中每个移动位置的回波廓线与标准模式的相关性系数，将其投影到二维的平面上，得到相关性系数等值线图，等值线图中相关性系数高的位置，匹配度高，信号强，反之，匹配度低，信号弱；将相关性系数作为衡量激光雷达匹配度的标准；
每次在进行通过移动步进电机遍历视场的试验调试时，采用不同的电机调节步长，通过多次实验调试，建立相关性系数与电机调节步长的对应关系；将实测回波廓线与标准模式的相关性系数分成若干个区间，每个区间分别对应步进电机不同的调节步长，实现激光发射方向的调节，可以高效的完成匹配。
5.根据权利要求1所述的自适应的激光雷达自动收发匹配方法，其特征在于，所述一轴步进电机和所述另一轴步进电机一个用于控制光束偏转系统的发射光束的俯仰角，另一个用于控制光束偏转系统的发射光束的水平转角。
CN202010282463.7A 2020-04-12 2020-04-12 一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法 Active CN111665525B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010282463.7A CN111665525B (zh) 2020-04-12 2020-04-12 一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010282463.7A CN111665525B (zh) 2020-04-12 2020-04-12 一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111665525A CN111665525A (zh) 2020-09-15
CN111665525B true CN111665525B (zh) 2022-10-25

Family

ID=72382697

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010282463.7A Active CN111665525B (zh) 2020-04-12 2020-04-12 一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111665525B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1952687A (zh) * 2006-11-02 2007-04-25 中国科学院安徽光学精密机械研究所 激光雷达光路自动准直方法及准直仪
CN101561500A (zh) * 2008-04-15 2009-10-21 中国科学院安徽光学精密机械研究所 激光雷达自动准直系统
CN102230962A (zh) * 2011-04-08 2011-11-02 哈尔滨工业大学 激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法
CN103675795A (zh) * 2013-12-20 2014-03-26 中国科学技术大学 激光雷达收发光轴自动匹配装置及方法
JP2016102738A (ja) * 2014-11-28 2016-06-02 リコーインダストリアルソリューションズ株式会社 ２次元走査型のレーザビーム投射装置およびレーザレーダ装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1952687A (zh) * 2006-11-02 2007-04-25 中国科学院安徽光学精密机械研究所 激光雷达光路自动准直方法及准直仪
CN101561500A (zh) * 2008-04-15 2009-10-21 中国科学院安徽光学精密机械研究所 激光雷达自动准直系统
CN102230962A (zh) * 2011-04-08 2011-11-02 哈尔滨工业大学 激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法
CN103675795A (zh) * 2013-12-20 2014-03-26 中国科学技术大学 激光雷达收发光轴自动匹配装置及方法
JP2016102738A (ja) * 2014-11-28 2016-06-02 リコーインダストリアルソリューションズ株式会社 ２次元走査型のレーザビーム投射装置およびレーザレーダ装置

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Aligning the transmitter and receiver telescopes of an infrared lidar: a novel method;Uri P Oppenheim;《Applied Optics》;19821231;第21卷(第02期);全文 *
Integrated Wavelength Beam Emitter on Silicon for Two-Dimensional Optical Scanning;Zhenmin Du 等;《IEEE Photonics Journal》;20190925;第11卷(第06期);全文 *
一种车载激光雷达自动准直系统;谭锟等;《大气与环境光学学报》;20080930;第03卷(第05期);全文 *
同轴米散射激光雷达自准直系统设计;宋跃辉等;《中国激光》;20160710;第43卷(第07期);全文 *
基于法布里-珀罗干涉仪的脉冲激光谱型测量;樊燚等;《中国激光》;20180810;第45卷(第08期);全文 *
大气探测激光雷达自动准直方法综述;肖铃等;《大气与环境光学学报》;20160531;第11卷(第03期);全文 *
激光雷达光束自动准直系统设计与实现;刘小勤等;《中国激光》;20090910;第36卷(第09期);全文 *
激光雷达系统快速准直的方法和光学装置;沈法华等;《强激光与粒子束》;20090331;第21卷(第03期);全文 *
激光雷达自动准直和数据实时处理技术研究;方欣;《万方数据知识服务平台》;20091231;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111665525A (zh) 2020-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108801914B (zh) 一种对多沟槽型面板材成形缺陷的检测方法及检测系统
CN104316001B (zh) 一种无基准孔系同轴度误差测量系统及其测量方法
CN103286452B (zh) 激光微孔加工方法及激光微孔加工设备
CN110186372B (zh) 三坐标测量机上的点激光测头光束方向标定方法
CN111692991A (zh) 一种基于白光干涉测量板条键合面的点云数据获取方法
CN109884061B (zh) 利用共聚焦激光扫描显微系统测量介质表面粗糙度的方法
CN112697058A (zh) 一种基于机器视觉的大尺寸板材装配间隙在线测量系统与方法
CN114001666B (zh) 一种适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置
CN107953037A (zh) 一种基于扫频oct的高精度激光三维雕刻装置及方法
CN111665525B (zh) 一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法
WO2007001327A2 (en) Apparatus and methods for scanning conoscopic holography measurements
CN117934312A (zh) 激光扫描投影系统的投影图形畸变预测补偿校正方法
CN116358842B (zh) 基于机械臂的大口径光学元件表面缺陷检测方法及装置
CN117739873A (zh) 板不平度测量方法及系统
CN113847888B (zh) 一种非均质跃变表面形貌自动测量装置及方法
CN116202425B (zh) 一种激光测距装置
CN115371599A (zh) 一种高精度地面平整度测量系统和方法
CN114836813A (zh) 一种原位多功能电镀槽装置以及工作方法
CN113888693A (zh) 一种高精度点云数据重构方法
CN113894399A (zh) 电阻点焊电极空间状态非接触式检测系统
CN116973337B (zh) 一种微细金刚线表面粒子数量密度测量系统
CN215985739U (zh) 一种干涉滤光片全视场透过率扫描测试装置
CN113740033B (zh) 一种光谱共焦测量系统中光学测头的光束方向校准方法
CN112504125B (zh) 一种基于tof的非接触式长方体体积测量方法
CN113375914B (zh) 一种用于激光板条面检测的光斑强度分布获取方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant