CN111693966A - 一种天文定位的激光雷达的视场匹配装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了提供一种天文定位的激光雷达的视场匹配装置，包括计算机，还包括驱动器、角度调节架、激光器、反射镜、接收望远镜、分光镜、CCD相机、接收光纤和信号检测系统，还公开了一种天文定位的激光雷达的视场匹配方法，本发明通过激光光束方位的监测和调整，有利于提高激光雷达的数据反演精度，有效提高激光雷达数据连贯性，可适用于同轴或者离轴激光雷达系统，为激光雷达精准调节提供有效方案。

Description

一种天文定位的激光雷达的视场匹配装置及方法
技术领域
本发明涉及激光雷达自动化控制领域，具体涉及一种天文定位的激光雷达的视场匹配装置，还涉及一种天文定位的激光雷达的视场匹配方法，用于大气探测激光雷达和星图精确定位。
背景技术
激光具有单色性好、亮度高、指向性优良等特点，利用激光和大气相互作用形成的激光雷达，具有很高的空间时间分辨能力、高探测灵敏度、可辨别被探测物种等优点，被广泛应用于大气探测领域。大气探测激光雷达系统分为激光发射系统、望远镜接收系统、信号检测系统三部分组成。根据激光光轴与接收望远镜系统光轴是否重合可以将大气激光雷达系统分为同轴和离轴两类(刘巧君等，基于激光器输出模式的离轴激光雷达重叠因子计算及近场信号校正，物理学报，2009,58(10):7376～7381)。大气探测激光雷达在工作时，由于激光光束的发散角和望远镜的接收视场角都非常小，通常在毫弧度量级(1mrad＝1/17°)，要想实现发射端激光光束与望远镜接收视场的收发匹配，只有激光束完全进入望远镜接收视场也即收发匹配几何重叠因子为1时才算完全匹配，因此其收发匹配技术难度很高，否则激光雷达就不能全部接收由发射激光束激发的大气回波光信号(张改霞等，激光雷达几何重叠因子及其对气溶胶探测的影响,量子电子学报,2005,22(2):299～304；王威等，基于激光强度分布的激光雷达重叠因子计算及其敏感性分析，光学学报，2014,43(2):02280051-7)，导致信号处理和反演结果出现偏差。另一方面，在激光雷达长期工作时，由于昼夜(以及冬夏)环境温度变化、激光模式细微变化、地面微小震动引起位移等因素影响，已经调试好的激光雷达收发匹配也有可能会导致发射激光束偏离望远镜接收视场而产生测量误差。为此，现有激光雷达采用了一系列技术措施来实现视场匹配，下面将阐述三种常见的激光雷达视场匹配方法，它们各有不足之处：
第一种是手动调节方法。在实际观测中，往往是由熟练程度高、有专业知识的激光雷达操作人员根据激光雷达回波信号的各种指标和实际操作经验进行调节。此种方法在实际调节的过程中，往往费时费力，并且不同情况下不同人员的调试结果也会各不相同，很容易产生偶然误差。激光雷达系统在该方法下工作效率低，不利于常规观测运行。
第二种是回波信号强度法。通过激光雷达回波信号的强弱来调整激光光束的方向，从而实现视场匹配(Xuan Wang,et.al.Self-aligning lidar system and itsapplication.SPIE，1998，3504：31～40；Bo Liu,et.al.Methods for optical adjustmentin lidar systems.Appl.Opt.,44(8):1480～1484；沈法华等，激光雷达系统快速准直的方法和光学装置，强激光和粒子束，2009,21(3):335～340)。该方法利用高精度的角度电动调整架改变激光光束方向，使它做螺旋式扫描或十字形扫描，利用反馈得到的同一高度回波信号强度和光束指向角满足的梯形函数关系，实现收发视场匹配。回波信号强度法需要多点扫描发射激光束并同步获得激光雷达回波信号，扫描一个周期通常需要较长时间(通常为几分钟到半个小时)，因此回波信号强度法需假定在这一段时间内，大气状态保持恒定不变。而实际上大气受到云、气溶胶、水汽等影响，很难保持长时间稳定，这将会严重影响回波信号强度法的可信度。其次，回波信号强度法进行扫描的过程中，由于扫描会使得发射激光偏离出接收望远镜视场，因此在收发匹配的过程中激光雷达回波数据无效的，这会引起激光雷达数据的短时间中断。
第三种方法是光斑自动准直法。该方法利用角锥棱镜将发射激光束平行地折转返回到接收望远镜的焦平面处，在焦平面处放置挡光板，利用CCD摄像头监测光焦点在平面位置，通过调整发射激光束方向使得反射到望远镜激光束的焦点位于望远镜轴心位置，实现收发视场匹配(谭锟等，一种车载激光雷达自动准直系统，大气与环境光学学报，2008，3(5)：344～348)。该方法巧妙利用角锥棱镜对入射光路原路返回的特点，因此不依赖于激光雷达回波信号，其匹配结果不受大气波动的影响。当然，在光斑自动准直的过程中，需要将挡光片插入望远镜焦点处，因此也会导致激光雷达数据的中断。此外，该方法需要通过角锥棱镜将一部分光平行地反射回接收望远镜，无法适用于离轴激光雷达系统。
星图是将夜空中持久的恒星、星系、星云等投影到平面而绘成的图集，星图识别反过来将相机拍摄到天空中的恒星图与星图进行比对分析，以确定相机所处方位(踪华等，一种基于模式匹配的自主星图识别算法，北京理工大学学报，2015,35(10):1032～1037；冉晓强等，一种新的多三角形星图识别算法，光子学报，2009,38(7):1867～1871；欧阳桦.基于CCD星敏感器的星图模拟和导航星提取的方法研究[D].华中科技大学,2005.)，广泛应用于空间飞行器的定位和导航中。此方法尚未见有应用在激光雷达中。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种天文定位的激光雷达的视场匹配装置，还提供一种天文定位的激光雷达的视场匹配方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种天文定位的激光雷达的视场匹配装置，包括计算机，还包括驱动器、角度调节架、激光器、反射镜、接收望远镜、分光镜、CCD相机、接收光纤和信号检测系统，
反射镜置于角度调节架上，角度调节架与驱动器连接，驱动器与计算机连接，计算机控制激光器发射激光光束，激光光束经发射镜的反射面反射入天空，
接收望远镜的焦平面前放置分光镜，分光镜将接收望远镜获得的接收光分为透射光和反射光，透射光入射CCD相机，CCD相机的探测面中心位于透射光的光轴上，CCD相机获得的天空恒星及激光光束照片并传输到计算机；反射光送入接收光纤的接收端，接收光纤的接收端的端面中心位于反射光的光轴上，接收光纤另一端的与信号检测系统连接，信号检测系统检测激光雷达回波信号输出到计算机中。
一种天文定位的激光雷达的视场匹配方法，包括以下步骤：
步骤一、计算机控制激光器产生发射激光光束，由角度调节架上的反射镜反射后射入天空；
步骤二、接收望远镜将包含天空背景光信号和激光雷达回波光信号的接收光反射到分光镜，经分光镜分透射光和反射光；
步骤三、透射光送入CCD相机，获得接收望远镜视场中的天空恒星及激光光束照片，并存入计算机；
步骤四、反射光送入接收光纤，由信号检测系统将反射光中的激光雷达回波光信号转换成电信号，再由计算机进行采集，获得激光雷达原始回波信号，根据激光雷达原始回波信号获得大气相关参量，大气相关参量包括：大气密度、大气温度、大气风场；
步骤五，计算机处理CCD相机拍摄的天空恒星及激光光束照片，获得天空恒星及激光光束照片中的恒星像元坐标，并结合拍照时间、经纬度、国际通用星表等信息进行星图识别，得到CCD相机中恒星的星号及其在天球坐标系中的坐标，再通过天球坐标系确定出CCD相机的探测面中每个像元对应于天球坐标系中的指向；
步骤六，从CCD相机拍摄的天空恒星及激光光束照片中对激光光束进行锐化去噪处理，识别激光光束边缘，找出激光光束末端的像元；
步骤七，如果激光光束末端的像元的对应位置在CCD相机探测面中心，则表明激光光束位于接收望远镜接收视场中心；如果激光光束末端的像元的对应位置不在CCD相机探测面中心，则需要计算机控制驱动器带动角度调节架上的反射镜进行角度扫描，直至激光光束末端的像元的对应位置在CCD相机探测面中心。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明可同时监视激光光束和接收望远镜的绝对指向，有利于提高激光雷达数据反演精度；实时监视和调整发射激光光束方向和接收望远镜匹配，不影响激光雷达回波信号的正常接收，提高了激光雷达回波信号数据采集的时间连续性；接收光纤、CCD相机、接收望远镜视场配合，有利于激光雷达收发匹配的调整。
本方法可以精确知道接收望远镜和发射的激光光束的绝对指向，为激光雷达数据反演提供精准方位数据；CCD相机实时监控反射光的方向，如需调整可直接控制驱动器实现发射的激光光束方向的精准调节，实时性好，调节和判断速度快，可以实现秒量级的快速而精准调节，且不影响激光雷达回波信号的正常接收；由于接收光纤、CCD相机、接收望远镜视场对应的轴线一致，无论是同轴收发还是离轴收发均可适用；CCD相机的探测面比接收光纤的接收端面大得多，而发射的激光光束的激光发散角比光纤接收视场还要小，因此CCD相机的视场也比接收光纤的接收视场角大得多，非常有利于接收望远镜的收发匹配调整。
附图说明
图1为发明装置的结构示意图。
其中，1-计算机；2-驱动器；3-角度调节架；4-激光器；5-反射镜；6-接收望远镜；7-分光镜；8-CCD相机；9-接收光纤；10-信号检测系统。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种天文定位的激光雷达的视场匹配装置，包括计算机1，驱动器2，角度调节架3，激光器4，反射镜5，接收望远镜6，分光镜7，CCD8和接收光纤9。
计算机1是本发明的核心控制部件，负责控制驱动器2驱动角度调节架3，同时控制激光器4产生激光；反射镜5置于角度调节架3上，由角度调节架3带动反射镜5进行角度偏转使得其反射的激光光束具有角度指向调节能力；接收望远镜6的焦平面前放置分光镜7，将经望远镜6反射的接收光分两路，一路透射光直接送入CCD相机8，CCD相机8的探测面中心位于接收望远镜6透射光路光轴上，CCD相机8由计算机控制，获得的天空恒星及激光光束照片也将传输到计算机1进行分析处理；另一路反射光送入接收光纤9的接收端，接收光纤9的接收端的端面中心也位于望远镜6反射光路光轴上，保证接收光纤9的接收端的端面中心和CCD相机8探测面中心与激光雷达望远镜的接收视场中心对应。接收光纤9的与信号检测系统10连接，由计算机1负责控制和读取信号检测系统10中激光雷达回波信号并保存在计算机1中。
一种天文定位的激光雷达的视场匹配方法，包括以下步骤：
步骤一，计算机1控制激光器4产生发射激光光束，由角度调节架3上的反射镜5反射后射入天空，用于激发大气原子分子光谱；
步骤二，接收望远镜6将包含天空背景光信号和激光雷达回波光信号的接收光收集并反射到分光镜7，经分光镜7分两路，一路为透射光，一路反射光，反射光和透射光均包含天空背景光信号和激光雷达回波信号；
步骤三，经反射镜5后的透射光送入CCD相机8，由计算机1控制实时拍照，获得望远镜6视场中的天空恒星及激光光束照片，并存入计算机1并进行处理分析；
步骤四，经反射镜5后的反射光送入接收光纤9，由信号检测系统10将反射光中的激光雷达回波光信号转换成电信号，再由计算机1进行高速采集和保存，获得激光雷达原始回波信号，经处理可获得大气相关参量，大气相关参量包括：大气密度、大气温度、大气风场等信息；
步骤五，计算机1处理CCD相机8拍摄的天空恒星及激光光束照片，获得天空恒星及激光光束照片中的恒星像元坐标，并结合拍照时间、经纬度、国际通用星表等信息进行星图识别，得到CCD相机8中恒星的星号及其在天球坐标系中的坐标，再通过天球坐标系确定出CCD相机8的探测面中每个像元对应于天球坐标系中的指向；
步骤六，从CCD相机8拍摄的天空恒星及激光光束照片中对激光光束进行锐化去噪处理，结合边缘识别算法算出激光光束边缘。通过曲线拟合找出激光光束末端(反射镜5出射端为首端)的像元位置，即可找到发射的激光光束当前的指向；
步骤七，如果激光光束末端的像元的对应位置在CCD相机8探测面中心，则表明激光光束位于接收望远镜6接收视场中心；如果激光光束末端的像元的对应位置不在CCD相机8探测面中心，则需要计算机1控制驱动器2带动角度调节架3上的反射镜5进行角度扫描，直至激光光束末端的像元的对应位置在CCD相机8探测面中心。
通过上述方法，激光光束能成功落到目标视场内。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或替代，但不会偏离本发明的精髓或者超越所附权利要求书外定义的范围。

Claims (2)

1.一种天文定位的激光雷达的视场匹配装置，包括计算机(1)，其特征在于，还包括驱动器(2)、角度调节架(3)、激光器(4)、反射镜(5)、接收望远镜(6)、分光镜(7)、CCD相机(8)、接收光纤(9)和信号检测系统(10)，
反射镜(5)置于角度调节架(3)上，角度调节架(3)与驱动器(2)连接，驱动器(2)与计算机(1)连接，
计算机(1)控制激光器(4)发射激光光束，激光光束经发射镜(5)的反射面反射入天空，
接收望远镜(6)的焦平面前放置分光镜(7)，分光镜(7)将接收望远镜(6)获得的接收光分为透射光和反射光，透射光入射CCD相机(8)，CCD相机(8)的探测面中心位于透射光的光轴上，CCD相机(8)获得的天空恒星及激光光束照片并传输到计算机(1)；反射光送入接收光纤(9)的接收端，接收光纤(9)的接收端的端面中心位于反射光的光轴上，接收光纤(9)另一端的与信号检测系统(10)连接，信号检测系统(10)检测激光雷达回波信号输出到计算机(1)中。
2.一种天文定位的激光雷达的视场匹配方法，利用权利要求1所述的天文定位的激光雷达的视场匹配装置，包括以下步骤：
步骤一、计算机(1)控制激光器(4)产生发射激光光束，由角度调节架(3)上的反射镜(5)反射后射入天空；
步骤二、接收望远镜(6)将包含天空背景光信号和激光雷达回波光信号的接收光反射到分光镜(7)，经分光镜(7)分透射光和反射光；
步骤三、透射光送入CCD相机(8)，获得接收望远镜(6)视场中的天空恒星及激光光束照片，并存入计算机(1)；
步骤四、反射光送入接收光纤(9)，由信号检测系统(10)将反射光中的激光雷达回波光信号转换成电信号，再由计算机(1)进行采集，获得激光雷达原始回波信号，根据激光雷达原始回波信号获得大气相关参量，大气相关参量包括：大气密度、大气温度、大气风场；
步骤五，计算机(1)处理CCD相机(8)拍摄的天空恒星及激光光束照片，获得天空恒星及激光光束照片中的恒星像元坐标，并结合拍照时间、经纬度、国际通用星表等信息进行星图识别，得到CCD相机(8)中恒星的星号及其在天球坐标系中的坐标，再通过天球坐标系确定出CCD相机(8)的探测面中每个像元对应于天球坐标系中的指向；
步骤六，从CCD相机(8)拍摄的天空恒星及激光光束照片中对激光光束进行锐化去噪处理，识别激光光束边缘，找出激光光束末端的像元；
步骤七，如果激光光束末端的像元的对应位置在CCD相机(8)探测面中心，则表明激光光束位于接收望远镜(6)接收视场中心；如果激光光束末端的像元的对应位置不在CCD相机(8)探测面中心，则需要计算机(1)控制驱动器(2)带动角度调节架(3)上的反射镜(5)进行角度扫描，直至激光光束末端的像元的对应位置在CCD相机(8)探测面中心。
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