CN113552593B - 荧光激光雷达障碍物排除方法 - Google Patents

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Abstract

公开了荧光激光雷达障碍物排除方法，方法中，荧光激光雷达扫描探测获得荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号；矫正所述荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号；获得矫正后的荧光通道回波信号的峰值以及矫正后的弹性散射通道回波信号的峰值；比较所述弹性散射通道回波信号的峰值与预定弹性散射回波阈值以预判断障碍物，预判断存在障碍物时，将所述荧光通道回波信号的峰值与所述弹性散射通道回波信号峰值做比得到荧光‑米信号比，将荧光‑米信号比与预定荧光‑米信号比阈值作比较，若荧光‑米信号比小于荧光‑米信号比阈值，则判定存在障碍物并排除。

Description

荧光激光雷达障碍物排除方法
技术领域
本发明涉及有机气溶胶探测技术领域，尤其涉及一种荧光激光雷达障碍物排除方法。
背景技术
大气中普遍存在有机气溶胶，包括细菌、真菌、病毒、尘螨、花粉孢子以及具有生命活性的微小粒子等。其中一些对人类健康有很大的隐患，比如细菌、病毒以及其他生物病菌能够在大气中繁殖和传播，其存活时间越长危害性越大。
荧光激光雷达是目前常见的监测有机气溶胶的方案，但如果探测路径上存在障碍物，则会引起系统回波信号瞬间增大，导致荧光激光雷达对有机气溶胶的误判以及虚警。但目前针对上述问题还没有一种明确的解决方案。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种荧光激光雷达障碍物排除方法。实现避免误判和虚警，提高了监测效能。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种荧光激光雷达障碍物排除方法包括：
第一步骤，荧光激光雷达扫描探测获得荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号；
第二步骤，矫正所述荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号；
第三步骤，获得矫正后的荧光通道回波信号的峰值以及矫正后的弹性散射通道回波信号的峰值；
第四步骤，比较所述弹性散射通道回波信号的峰值与预定弹性散射回波阈值以预判断障碍物，预判断存在障碍物时，将所述荧光通道回波信号的峰值与所述弹性散射通道回波信号峰值做比得到荧光-米信号比，将荧光-米信号比与预定荧光-米信号比阈值作比较，若荧光-米信号比小于荧光-米信号比阈值，则判定存在障碍物并排除。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法中，第一步骤中，荧光激光雷达同步获得荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法中，第一步骤中，荧光激光雷达沿探测路径扫描探测同步获得荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法中，在第四步骤中，所述弹性散射通道回波信号的峰值大于弹性散射回波阈值，则预判断存在障碍物。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法中，所述弹性散射通道为米散射通道。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法中，第二步骤中，通过滤波算法对荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号降噪处理，处理后的信号与其位置距离的平方相乘，最后与系统几何因子曲线相除得到矫正后的所述荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法中，第二步骤中，
弹性散射通道的回波信号包括米通道回波电子数，其为
其中，Ce为米通道系统常数；z为探测距离；βe(z)为大气弹性后向散射系数；λ0为激光波长；χ(λ0)为米通道光学系统的单次透过率；Tm(λ0)、Ta(λ0)分别是激光传播路径上的大气分子消光引入的透过率和气溶胶消光引入的透过率，荧光通道回波信号包括荧光通道回波电子数，其为：
其中，CC为荧光通道系统常数；βc(z)为气溶胶荧光后向散射系数；λc为荧光回波波长；χ(λc)为荧光通道光学系统的单次透过率；Tm(λc)、Ta(λc)分别是荧光回波传播路径上的大气分子消光引入的透过率和气溶胶消光引入的透过率。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法中，荧光-米信号比包括荧光-米回波比，其中，荧光通道回波电子数与荧光通道回波电子数做比得到荧光-米回波比：
式中，k为常数项；αa(λ0)为激光波长在传输路径上的气溶胶消光系数；α为埃指数，即指数，/>ηc是荧光效率，SSA是气溶胶单粒子散射反照率，f是用于指示米通道和荧光通道观测效率差异的参数，/>PC(θ)和Pe(θ)是荧光通道和米通道的归一化相函数，θ为散射信号的传播方向。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法中，荧光-米回波比为Kηc，K定义为系统常数。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法中，矫正包括滤波矫正、距离平方矫正以及几何因子矫正，将荧光-米信号比与设定的荧光-米信号比阈值作比较，若荧光-米信号比小于荧光-米信号比阈值，则判定探测路径上存在障碍物并排除，或将米-荧光信号比与设定的米-荧光信号比阈值作比较，若米-荧光信号比大于米-荧光信号比阈值，则判定探测路径上存在障碍物并排除。
在上述技术方案中，本发明提供的一种荧光激光雷达障碍物排除方法，具有以下有益效果：本发明通过滤波矫正减小了随机噪声的干扰，并通过距离平方矫正以及几何因子矫正消除了由距离衰减以及系统几何因子引入的误差。而且本发明通过弹性散射通道峰值大小进行预判断，预判断成立后通过荧光-米信号比大小进行判定，极大程度上减小了误判的概率，提升了障碍物排除的准确度。而且具有设计科学，实际操作简单、可靠的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中荧光激光雷达障碍物排除方法的流程示意图；
图2为本发明中荧光激光雷达障碍物排除方法的荧光-米信号比随探测距离的关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图1至图2，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。如图1至图2所示，一种荧光激光雷达障碍物排除方法包括，
第一步骤，荧光激光雷达扫描探测获得荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号；
第二步骤，矫正所述荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号；
第三步骤，获得矫正后的荧光通道回波信号的峰值以及矫正后的弹性散射通道回波信号的峰值；
第四步骤，比较所述弹性散射通道回波信号的峰值与预定弹性散射回波阈值以预判断障碍物，预判断存在障碍物时，将所述荧光通道回波信号的峰值与所述弹性散射通道回波信号峰值做比得到荧光-米信号比，将荧光-米信号比与预定荧光-米信号比阈值作比较，若荧光-米信号比小于荧光-米信号比阈值，则判定存在障碍物并排除。
本方法首先对荧光激光雷达扫描探测得到的荧光通道和弹性散射通道回波信号做矫正处理，通过滤波矫正减小随机噪声的干扰，通过距离平方矫正以及几何因子矫正消除由距离衰减及系统几何因子引入的误差。之后通过弹性散射通道回波信号峰值与其阈值做比较进行预判断。预判断探测路径上是否存在障碍物后，通过荧光-米信号比与其阈值做比较，若荧光-米信号比小于其阈值，则判定探测路径上存在障碍物并对其进行排除。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法的优选实施方式中，第一步骤中，荧光激光雷达同步获得荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法的优选实施方式中，第一步骤中，荧光激光雷达沿探测路径扫描探测同步获得荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法的优选实施方式中，在第四步骤中，所述弹性散射通道回波信号的峰值大于弹性散射回波阈值，则预判断存在障碍物。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法的优选实施方式中，所述弹性散射通道为米散射通道。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法的优选实施方式中，第二步骤中，通过滤波算法对荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号降噪处理，处理后的信号与其位置距离的平方相乘，最后与系统几何因子曲线相除得到矫正后的所述荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法的优选实施方式中，第二步骤中，弹性散射通道的回波信号包括米通道回波电子数，其为
其中，Ce为米通道系统常数；z为探测距离；βe(z)为大气弹性后向散射系数；λ0为激光波长；χ(λ0)为米通道光学系统的单次透过率；Tm(λ0)、Ta(λ0)分别是激光传播路径上的大气分子消光引入的透过率和气溶胶消光引入的透过率，荧光通道回波信号包括荧光通道回波电子数，其为：
其中，Cc为荧光通道系统常数；βc(z)为气溶胶荧光后向散射系数；λc为荧光回波波长；χ(λc)为荧光通道光学系统的单次透过率；Tm(λc)、Ta(λc)分别是荧光回波传播路径上的大气分子消光引入的透过率和气溶胶消光引入的透过率。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法的优选实施方式中，荧光-米信号比包括荧光-米回波比，其中，荧光通道回波电子数与荧光通道回波电子数做比得到荧光-米回波比：
式中，k为常数项；αa(λ0)为激光波长在传输路径上的气溶胶消光系数；α为埃指数，即指数，/>ηc是荧光效率，SSA是气溶胶单粒子散射反照率，f是用于指示米通道和荧光通道观测效率差异的参数，/>PC(θ)和Pe(θ)是荧光通道和米通道的归一化相函数，θ为散射信号的传播方向。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法的优选实施方式中，荧光-米回波比为Kηc，K定义为系统常数。
所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法的优选实施方式中，矫正包括滤波矫正、距离平方矫正以及几何因子矫正，将荧光-米信号比与设定的荧光-米信号比阈值作比较，若荧光-米信号比小于荧光-米信号比阈值，则判定探测路径上存在障碍物并排除，或将米-荧光信号比与设定的米-荧光信号比阈值作比较，若米-荧光信号比大于米-荧光信号比阈值，则判定探测路径上存在障碍物并排除。
在一个实施例中，荧光激光雷达障碍物排除方法包括以下步骤：
1)通过多通道激光雷达进行扫描探测，获得荧光通道和弹性散射通道的同步回波信号：
具体的，通过荧光激光雷达扫描探测得到荧光通道和弹性散射通道的回波信号，根据激光雷达方程和米散射原理，米通道回波电子数为：
其中，Ce为米通道系统常数；z为探测距离；βe(z)为大气弹性后向散射系数；λ0为激光波长；χ(λ0)为米通道光学系统的单次透过率；Tm(λ0)、Ta(λ0)分别是激光传播路径上的大气分子消光引入的透过率和气溶胶消光引入的透过率。
根据激光雷达方程和激光诱导荧光原理，荧光通道回波电子数为：
其中，Cc为荧光通道系统常数；βc(z)为气溶胶荧光后向散射系数；λc为荧光回波波长；χ(λc)为荧光通道光学系统的单次透过率；Tm(λc)、Ta(λc)分别是荧光回波传播路径上的大气分子消光引入的透过率和气溶胶消光引入的透过率。
2)对所获得的荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号做矫正：
具体的，通过滤波算法对各通道回波曲线进行降噪处理。处理后将信号与其位置距离的平方相乘，消除回波信号幅值随探测距离下降的问题。将处理后的曲线与系统几何因子曲线相除消除系统几何因子引入的误差。
3)获得矫正后的荧光通道回波峰值以及弹性散射通道回波峰值。
4)将矫正后的弹性散射通道回波信号峰值与设定的弹性散射回波阈值做比较，对障碍物进行预判断：
具体的，若矫正后的弹性散射通道回波信号峰值大于弹性散射回波阈值，则预判探测路径上存在障碍物。
5)预判探测路径上存在障碍物之后，将矫正后的荧光通道回波信号峰值与矫正后的弹性散射通道回波信号峰值做比，得到荧光-米信号比，将荧光-米信号比于设定的荧光-米信号比阈值作比较，若荧光-米信号比小于荧光-米信号比阈值，则判定探测路径上存在障碍物并排除。
具体的，将荧光通道回波峰值以及弹性散射通道回波峰值做比，即式(2)比式(1)得到荧光-米回波比：
式中，k为常数项；αa(λ0)为激光波长在传输路径上的气溶胶消光系数；α为埃指数，即指数。可以看到荧光和米回波功率之比与其后向散射系数之比相关。而后向散射系数之比可定义为：
式中，ηc是荧光效率，代表气溶胶吸收的激光转化为荧光的比例；SSA是气溶胶单粒子散射反照率，该数值可以根据经验值假设得到；f是用于指示米通道和荧光通道观测效率差异的参数，它是二者相函数的比值，定义为：
式中，PC(θ)和Pe(θ)是荧光和米的归一化相函数，由于本系统只采集后向散射信号，因此，公式中的θ为散射信号的传播方向，约等于180°。需要注意的是，此处f可以粗略的假设为1，但是对于那些强吸收粒子，其后向散射强度很弱，因此f可能比1大得多。
将式(4)带入式(5)可以得到：
式中，K定义为系统常数，它与观测期间的气溶胶光学厚度、粒径大小、单粒子反照率有关，需要根据实际情况近似计算得到。ηc是荧光效率，它与Rce(z)成正比，因此荧光和米回波之比可以反映目标荧光效率。对于大多数硬靶目标，荧光效率与有机气溶胶相比非常的小，而其米信号却比气溶胶要大得多，对于不同探测目标，β取值如下：
带入激光雷达方程，可以方便地根据荧光-米信号比随探测距离的关系曲线确定荧光-米信号比阈值的选取，具体见图2。
可以看到，本发明为应用于有机气溶胶探测的荧光激光雷达的障碍物排除提供了一种有科学的理论支持的方法，并且具有设计科学，判别准确，实际操作简单、可靠等技术优势。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种荧光激光雷达障碍物排除方法，其特征在于，其包括以下步骤：
第一步骤，荧光激光雷达扫描探测获得荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号；
第二步骤，矫正所述荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号；
第三步骤，获得矫正后的荧光通道回波信号的峰值以及矫正后的弹性散射通道回波信号的峰值；
第四步骤，比较所述弹性散射通道回波信号的峰值与预定弹性散射回波阈值以预判断障碍物，预判断存在障碍物时，将所述荧光通道回波信号的峰值与所述弹性散射通道回波信号峰值做比得到荧光-米信号比，将荧光-米信号比与预定荧光-米信号比阈值作比较，若荧光-米信号比小于荧光-米信号比阈值，则判定存在障碍物并排除；
其中，
第二步骤中，弹性散射通道的回波信号包括米通道回波电子数，其为
，
其中，为米通道系统常数；/>为探测距离；/>为大气弹性后向散射系数；/>为激光波长；/>为米通道光学系统的单次透过率；/>、/>分别是激光传播路径上的大气分子消光引入的透过率和气溶胶消光引入的透过率，荧光通道回波信号包括荧光通道回波电子数，其为：
，其中，/>为荧光通道系统常数；/>为气溶胶荧光后向散射系数；/>为荧光回波波长；/>为荧光通道光学系统的单次透过率；/>、/>分别是荧光回波传播路径上的大气分子消光引入的透过率和气溶胶消光引入的透过率；
其中，荧光-米信号比包括荧光-米回波比，其中，荧光通道回波电子数与荧光通道回波电子数做比得到荧光-米回波比：
，式中，/>为常数项；/>为激光波长在传输路径上的气溶胶消光系数；/>为埃指数，即/>指数，/>，是荧光效率，/>是气溶胶单粒子散射反照率，/>是用于指示米通道和荧光通道观测效率差异的参数，/>，/>和/>是荧光通道和米通道的归一化相函数，/>为散射信号的传播方向。
2.根据权利要求1所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法，其特征在于，优选的，第一步骤中，荧光激光雷达同步获得荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号。
3.根据权利要求1所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法，其特征在于，第一步骤中，荧光激光雷达沿探测路径扫描探测同步获得荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号。
4.根据权利要求1所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法，其特征在于，在第四步骤中，所述弹性散射通道回波信号的峰值大于弹性散射回波阈值，则预判断存在障碍物。
5.根据权利要求1所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法，其特征在于，所述弹性散射通道为米散射通道。
6.根据权利要求1所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法，其特征在于，第二步骤中，通过滤波算法对荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号降噪处理，处理后的信号与其位置距离的平方相乘，最后与系统几何因子曲线相除得到矫正后的所述荧光通道回波信号和弹性散射通道回波信号。
7.根据权利要求1所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法，其特征在于，荧光-米回波比为，/>定义为系统常数。
8.根据权利要求1所述的一种荧光激光雷达障碍物排除方法，其特征在于，矫正包括滤波矫正、距离平方矫正以及几何因子矫正，将荧光-米信号比与设定的荧光-米信号比阈值作比较，若荧光-米信号比小于荧光-米信号比阈值，则判定探测路径上存在障碍物并排除，或将米-荧光信号比与设定的米-荧光信号比阈值作比较，若米-荧光信号比大于米-荧光信号比阈值，则判定探测路径上存在障碍物并排除。
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