CN114779219A - 一种高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统及方法 - Google Patents

一种高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统及方法，所述系统包括金属层激光雷达、数据采集装置、回波信号交叉判定系统、综合判别系统和雷达系统修正装置；所述方法通过金属层激光雷达接收回波信号，通过数据采集装置采集回波信号，通过回波信号交叉判定系统对回波信号进行判别处理，并根据处理后数据计算得到金属层激光雷达的瑞利回波光子数和共振荧光回波光子数，通过综合判别系统根据计算得到的回波光子数判别金属层激光雷达探测数据质量及探测状态，并给出指令；通过雷达系统修正装置根据测试修正指令对金属层激光雷达进行测试修正，直至综合判别系统确认数据质量合格。本发明实现了金属层激光雷达边探测边校验数据质量功能。

Description

一种高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统及方法
技术领域
本发明涉及激光雷达探测状态判别、激光雷达探测数据质量判别技术领域，尤其涉及一种高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统及方法。
背景技术
75km-110km的区域称作中间层顶/低热层区域(MLT)，分布着钠、钾、锂、铁、钙、钙离子、镁、镍等金属原子离子层，这一区域处在卫星遥感和地基无线电设备的探测盲区，因此无法获取详细探测数据来分析该区域的电离层-热层耦合关系。而激光雷达可以以这些金属原子离子为示踪物进行探测，获取高分辨率的探测数据，为中高层大气与电离层耦合的研究提供了一种有效的探测手段。
金属成分激光雷达(金属层激光雷达)探测是通过接收金属原子、离子的共振荧光实现的。当激光的波长与原子、离子能级之间的能量差相等时(共振波长)，原子、离子会吸收光子的能量从基态跃迁到激发态，但是原子、离子在激发态的寿命很短，因此会回到基态并发射出相同的波长辐射，所发射的辐射称为共振荧光。激光雷达通过光学接收系统接收原子、离子的共振荧光，即为原始回波光子数数据。通过对该数据的反演分析，可以获得得到大气金属层的结构及变化。
金属层激光雷达在初始观测时，会对各个系统进行调试及系统联调，确保探测数据的准确性。在进入正常观测状态后，一般情况只有在开机时刻会对激光雷达各个系统进行检查及相关参数测试，检测完成后就整夜运行或者是具备白天探测功能的就一直连续运行。在激光雷达连续运行过程中，若设备运行状态稳定，观测人员基本不会对数据进行实时反演，也鲜有实时检查观测数据质量问题。并且激光雷达数据的分析，有些是由于物理机制原因，需要大量的数据累积之后才能进行统一分析处理，所以这样对数据处理分析人员来说也需要具备一定的激光雷达探测原理知识，否则无法判断数据质量情况，这就对激光雷达探测数据质量提出了较高的要求。
发明内容
本发明的目的是提出一种高层大气金属层激光雷达探测状态及数据质量互判分析系统和方法，具体为一种高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统及方法，可以实时监测金属层激光雷达探测状态及数据质量功能，并可以及时矫正激光雷达系统运行状态，完全克服了已有金属层激光雷达的数据在数据处理时才判断数据质量的缺点，提高了数据质量可靠性。
本发明提出了一种高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统，所述系统包括：金属层激光雷达、数据采集装置、回波信号交叉判定系统、综合判别系统和雷达系统修正装置；
所述金属层激光雷达，用于探测并接收原子或离子的共振回波信号；
所述数据采集装置，用于采集所述金属层激光雷达接收到的回波信号；
所述回波信号交叉判定系统，用于对所述数据采集装置采集到的回波信号进行判别处理，并根据处理后数据计算得到回波光子数与噪声数；
所述综合判别系统，用于根据所述回波信号交叉判定系统计算得到的回波光子数与噪声数判别所述金属层激光雷达探测数据质量及探测状态，并给出数据质量结论；所述数据质量结论包括：数据合格指令和进一步测试修正指令；
所述雷达系统修正装置，用于根据所述综合判别系统给出的进一步测试修正指令对所述金属层激光雷达进行测试修正，直至所述综合判别系统确认数据质量合格。
作为上述技术方案的一种改进，所述系统根据金属的种类及金属对应的离子或原子设置多台所述金属层激光雷达。
作为上述技术方案的又一种改进，所述回波信号交叉判定系统包括：瑞利回波信号交叉判定系统和金属层共振荧光回波信号交叉判定系统；所述瑞利回波信号交叉判定系统用于计算出所述金属层激光雷达的瑞利回波光子数；所述金属层共振荧光回波信号交叉判定系统用于计算出所述金属层激光雷达的共振荧光回波光子数与噪声数。
作为上述技术方案的另一种改进，所述回波信号交叉判定系统对采集到的各台金属层激光雷达的回波信号进行判别处理，具体包括：采集时间对齐、剔除无效数据、时空分辨率的统一。
作为上述技术方案的再一种改进，所述雷达系统修正装置包括：天气判别系统、能量/功率监测装置、高精度波长测定装置、自动准直系统；其中，所述天气判别系统用于给出天气状态，进而判别是否由于天气条件引起信号偏差；所述能量/功率监测装置用于对发射激光能量/功率进行监测，进而判别是否由于激光发射能量抖动引起信号偏差；所述高精度波长测定装置用于对发射激光波长进行监测，进而判别是否由于激光发射波长漂移引起信号偏差；所述自动准直系统用于对发射激光方向进行矫正，去除由于激光发射方向偏离引起信号偏差。
本发明提出了一种基于上述之一所述系统的高层大气金属层激光雷达探测状态监测方法，所述方法首先通过多台所述金属层激光雷达探测并接收不同原子或离子的共振回波信号；其次再通过所述数据采集装置采集所述金属层激光雷达接收到的回波信号；接着通过回波信号交叉判定系统对采集到的回波信号进行判别处理，并根据处理后的数据分别计算得到所述金属层激光雷达探测到的回波光子数与噪声数；然后通过所述综合判别系统根据计算得到的回波光子数及进一步根据噪声数计算得到的信噪比判别所述金属层激光雷达的探测数据质量及探测状态，并给出数据质量结论，包括：数据合格指令和进一步测试修正指令；最后通过所述雷达系统修正装置根据所述综合判别系统给出的进一步测试修正指令对所述金属层激光雷达进行测试修正，直至所述综合判别系统确认数据质量合格。
作为上述技术方案的一种改进，所述回波信号交叉判定系统运行时包括以下处理步骤：通过所述瑞利回波信号交叉判定系统根据处理后的数据计算得到所述金属层激光雷达在30km处的回波光子数；通过所述金属层共振荧光回波信号交叉判定系统对采集到的回波信号进行处理，并根据处理后的数据计算得到所述金属层激光雷达在80-120km处的回波光子数与噪声数。
作为上述技术方案的又一种改进，所述监测方法根据计算得到的回波光子数与噪声数判别所述金属层激光雷达的探测数据质量及探测状态，并给出数据质量结论的具体判别方法为：
对比不同金属层激光雷达的30km处的回波光子数与80-120km处的回波光子数的结果，如果所有金属层激光雷达的这两种回波光子数结果都低于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值，则所述综合判别系统将结合天气判别系统进行判定此时的天气状态是否适合金属层激光雷达观测，若不适合，则关闭金属层激光雷达，停止探测，待天气状态适合后再进行探测；若适合，则重新启动金属层激光雷达，再次获得观测结果进行判别探测状态；
如果只有某一金属层激光雷达的30km处的回波光子数和80-120km处的回波光子数低于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值时，则所述综合判别系统将会判定此金属层激光雷达的数据质量不合格、探测状态不正常，并发出进一步测试修正指令，具体为：如果金属层激光雷达的30km处的回波光子数低于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值，综合判别系统给出的第一步指令为检查激光能量，利用能量/功率监测装置测量发射激光能量，若激光能量降低，则调整矫正激光器，使发射能量达到初始设计值，此时如果30km处的回波光子数等于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值，则综合判别系统将会进行下一步判别；若激光能量达到初始设计值，30km处的回波光子数还是低于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值，综合判别系统给出的指令为检查激光发射方向，此时利用自动准直系统矫正激光发射发向；矫正后瑞利回波光子数如果等于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值，则综合判别系统将会进行下一步判别：根据回波信号信噪比进行判别；
综合判别系统将自动计算80-120km处回波信噪比，如果信噪比基本等于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的信噪比，则矫正完成，此时金属层激光雷达的数据质量合格、探测状态正常，所述金属层激光雷达继续探测；如果信噪比低于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的信噪比，则所述综合判别系统发出进一步测试修正指令，为检查发射激光波长，利用高精度波长测定装置测量发射激光波长并矫正金属层探测雷达的探测激光波长；此时整个矫正过程完成，金属层激光雷达的数据质量合格、探测状态正常，所述金属层激光雷达继续探测。
作为上述技术方案的另一种改进，所述监测方法中雷达系统修正装置进行的修正步骤包括：
所述天气判别系统给出天气状态，进而判别是否由于天气条件引起信号偏差；所述能量/功率监测装置对发射激光能量/功率进行监测，并参考修正指令，进而判别是否由于激光发射能量抖动引起信号偏差；所述高精度波长测定装置对发射激光波长进行监测，并参考修正指令，进而判别是否由于激光发射波长漂移引起信号偏差；所述自动准直系统对发射激光方向进行矫正，去除由于激光发射方向偏离引起信号偏差。
本方法所述监测系统及监测方法实现了金属层激光雷达边探测边校验数据质量功能，并可以及时矫正激光雷达系统运行状态，完全克服了已有金属层激光雷达的数据在数据处理时才可以判断数据质量的缺点，提高了数据质量可靠性。该系统的应用，将大大简化及降低设备操作人员的时间和人力成本，更适用于多台金属层激光雷达设备同时工作或金属层激光雷达设备野外工作。
附图说明
图1是本发明提出的高层大气金属层激光雷达状态监测系统组成框图；
图2是本发明设置钙原子、钙离子两台金属层激光雷达的探测状态监测系统组成框图；
图3是修正前的30km处钙原子(423nm)和钙离子(393nm)瑞利回波光子数交叉判定结果；
图4是修正前的80-120km处钙原子(423nm)和钙离子(393nm)共振荧光回波光子数交叉判定结果；
图5是修正后的30km处钙原子(423nm)和钙离子(393nm)瑞利回波光子数交叉判定结果；
图6是修正后的80-120km处钙原子(423nm)和钙离子(393nm)共振荧光回波光子数交叉判定结果。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
如图1所示，为本发明提出的高层大气金属层激光雷达状态监测系统组成框图，具体包括：
1.一种高层大气金属层激光雷达状态监测系统及方法，包括：1，2…N：金属成分探测激光雷达(金属层激光雷达)1，金属成分探测激光雷达2…金属成分探测激光雷达N；Ⅰ：数据采集装置；Ⅱ：瑞利回波光子数交叉判定系统；Ⅲ：金属层共振荧光回波光子数交叉判定系统；Ⅳ：综合判别系统；Ⅴ：雷达系统修正装置；Ⅵ：天气判别系统；Ⅶ：能量/功率监测装置；Ⅷ：高精度波长测定装置；Ⅸ：自动准直系统；Ⅹ：其他可以定标测试及修正的装置。
2.Ⅰ数据采集装置：用于采集各台金属层激光雷达的回波信号，并进行数据的分类整理存储；
3.Ⅰ数据采集装置收集到的回波信号分别送入Ⅱ瑞利回波信号交叉判定系统与Ⅲ金属层共振荧光回波光子数交叉判定系统；
4.Ⅱ瑞利回波信号交叉判定系统：用于将采集到的各台金属层激光雷达的回波信号进行判别处理，包括采集时间对齐、剔除无效数据、时空分辨率的统一等等；并根据处理后的数据计算出各个金属成分激光雷达在30km处的回波光子数；
5.Ⅲ金属层共振荧光回波信号交叉判定系统：用于将采集到的各台金属层激光雷达的回波信号进行判别处理，包括采集时间对齐、剔除无效数据、时空分辨率的统一等等；并根据处理后的数据计算出各个金属成分激光雷达在80-120km处的回波光子数和噪声数；对于金属层激光雷达来说，光子数和信噪比越大越好。
6.Ⅳ综合判别系统：根据Ⅱ和Ⅲ计算出的结果，判别各个金属层激光雷达探测数据及探测状态，并给出数据质量结论，包括数据质量合格指令以及进一步测试修正指令；
7.Ⅴ雷达系统修正装置：主要包括Ⅵ天气判别系统、Ⅶ能量/功率监测装置、Ⅷ高精度波长测定装置、Ⅸ自动准直系统、Ⅹ其他可以定标测试及修正的装置；其中：Ⅵ天气判别系统用于给出天气状态，进而判别是否由于天气条件引起信号偏差；Ⅶ能量/功率监测装置用于对发射激光能量/功率进行监测，进而判别是否由于激光发射能量抖动引起信号偏差；Ⅷ高精度波长测定装置用于对发射激光波长进行监测，进而判别是否由于激光发射波长漂移引起信号偏差；Ⅸ自动准直系统用于对发射激光方向进行矫正，去除由于激光发射方向偏离引起信号偏差。
8.根据Ⅳ综合判别显示系统给出的修整指令，利用Ⅴ雷达系统修正装置对金属层激光雷达进行测试修正，直至Ⅳ综合判别显示系统确认数据质量合格为准，实现金属层激光雷达探测状态及数据质量互判分析；
本金属层激光雷达探测状态及数据质量互判分析系统和方法可同时运用于多台金属成分探测激光雷达；本金属层激光雷达探测状态及数据质量互判分析系统和方法可实时监测多台金属成分探测激光雷达运行状态及数据质量，也可以对多台金属成分探测激光雷达历史数据质量进行判别。
1.下面结合本次实施例进行说明本发明提出的监测系统及监测方法的实现过程。本次实施例中设置了两台金属成分探测激光雷达来建立基于金属层钙原子、钙离子激光雷达探测状态及数据质量互判分析系统和方法，如图2所示，具体包括：
1：钙原子探测激光雷达；2：钙离子探测激光雷达；Ⅰ：数据采集装置；Ⅱ：瑞利回波信号交叉判定系统；Ⅲ：金属层共振荧光回波信号交叉判定系统；Ⅳ：综合判别系统；Ⅴ：雷达系统修正装置；Ⅵ：天气判别系统；Ⅶ：能量/功率监测装置；Ⅷ：高精度波长测定装置；Ⅸ：自动准直系统；
2.钙原子探测激光雷达与钙离子探测激光雷达获取的原始回波光信号通过信号线输入到Ⅰ数据采集装置，并进行数据的分类整理存储；
3.实时探测到的两种回波光信号分别送入Ⅱ瑞利回波信号交叉判定系统与Ⅲ金属层共振荧光回波信号交叉判定系统；
4.两路光信号在Ⅱ瑞利回波信号交叉判定系统中，将对采集到的钙原子层回波信号和钙离子层回波信号分别进行判别处理，包括采集时间对齐、剔除无效数据、时空分辨率的统一等等；并根据处理后的数据计算出钙原子激光雷达和钙离子激光雷达在30km处的回波光子数，瑞利回波光子数判定结果如图3所示；
5.两路光信号在Ⅲ金属层共振荧光回波信号交叉判定系统中，将采集到的钙原子层回波信号和钙离子层回波信号分别进行判别处理，包括采集时间对齐、剔除无效数据、时空分辨率的统一等等；并根据处理后的数据计算出钙原子激光雷达和钙离子激光雷达在80-120km处的回波光子数和噪声数，共振荧光回波光子数判定结果如图4所示；
6.根据Ⅳ综合判别系统的结果，判别钙原子激光雷达和钙离子激光雷达探测数据及探测状态，根据判别方法判断钙离子瑞利回波光子数正常，判断信噪比正常，得出钙离子激光雷达运行正常结论，也说明此时金属层的状态是比较稳定的状态，而钙原子激光雷达在探测时刻夜间2:16处，探测状态不是最佳，可见其30km处的回波光子数有明显的降低，并且金属层共振荧光回波光子数的判断结果也显示80-120km处金属层回波光子数同时下降，因此钙原子激光雷达探测状态需要修正。通过进行能量/功率监测装置、高精度波长测定装置、自动准直系统的逐一判断修正，实时修正后结果如图5，6所示，瑞利回波光子数和金属层共振荧光回波光子数显示数据正常，说明本发明实现了对数据质量的矫正。
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明实现了金属层激光雷达边探测边校验数据质量功能，并可以及时矫正，提高了数据可靠性；同时，本发明可对同地多台金属层激光雷达运行状态及探测数据质量进行交叉互判。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统，其特征在于，所述系统包括：金属层激光雷达、数据采集装置、回波信号交叉判定系统、综合判别系统和雷达系统修正装置；
所述金属层激光雷达，用于探测并接收原子或离子的共振回波信号；
所述数据采集装置，用于采集所述金属层激光雷达接收到的回波信号；
所述回波信号交叉判定系统，用于对所述数据采集装置采集到的回波信号进行判别处理，并根据处理后数据计算得到回波光子数与噪声数；
所述综合判别系统，用于根据所述回波信号交叉判定系统计算得到的回波光子数与噪声数判别所述金属层激光雷达探测数据质量及探测状态，并给出数据质量结论；所述数据质量结论包括：数据合格指令和进一步测试修正指令；
所述雷达系统修正装置，用于根据所述综合判别系统给出的进一步测试修正指令对所述金属层激光雷达进行测试修正，直至所述综合判别系统确认数据质量合格。
2.根据权利要求1所述的高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统，其特征在于，所述系统根据金属的种类及金属对应的离子或原子设置多台所述金属层激光雷达。
3.根据权利要求1所述的高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统，其特征在于，所述回波信号交叉判定系统包括：瑞利回波信号交叉判定系统和金属层共振荧光回波信号交叉判定系统；所述瑞利回波信号交叉判定系统用于计算出所述金属层激光雷达的瑞利回波光子数；所述金属层共振荧光回波信号交叉判定系统用于计算出所述金属层激光雷达的共振荧光回波光子数与噪声数。
4.根据权利要求1所述的高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统，其特征在于，所述回波信号交叉判定系统对采集到的各台金属层激光雷达的回波信号进行判别处理，具体包括：采集时间对齐、剔除无效数据、时空分辨率的统一。
5.根据权利要求1所述的高层大气金属层激光雷达探测状态监测系统，其特征在于，所述雷达系统修正装置包括：天气判别系统、能量/功率监测装置、高精度波长测定装置、自动准直系统；其中，所述天气判别系统用于给出天气状态，进而判别是否由于天气条件引起回波信号偏差；所述能量/功率监测装置用于对发射激光能量/功率进行监测，进而判别是否由于激光发射能量抖动引起回波信号偏差；所述高精度波长测定装置用于对发射激光波长进行监测，进而判别是否由于激光发射波长漂移引起回波信号偏差；所述自动准直系统用于对发射激光方向进行矫正，去除由于激光发射方向偏离引起回波信号偏差。
6.一种基于权利要求1-5之一所述系统的高层大气金属层激光雷达探测状态监测方法，所述方法首先通过多台所述金属层激光雷达探测并接收不同原子或离子的共振回波信号；其次再通过所述数据采集装置采集所述金属层激光雷达接收到的回波信号；接着通过回波信号交叉判定系统对采集到的回波信号进行判别处理，并根据处理后的数据分别计算得到所述金属层激光雷达探测到的回波光子数与噪声数；然后通过所述综合判别系统根据计算得到的回波光子数及进一步根据噪声数计算得到的信噪比判别所述金属层激光雷达的探测数据质量及探测状态，并给出数据质量结论，包括：数据合格指令和进一步测试修正指令；最后通过所述雷达系统修正装置根据所述综合判别系统给出的进一步测试修正指令对所述金属层激光雷达进行测试修正，直至所述综合判别系统确认数据质量合格。
7.根据权利要求6所述的高层大气金属层激光雷达探测状态监测方法，其特征在于，所述回波信号交叉判定系统运行时包括以下处理步骤：通过所述瑞利回波信号交叉判定系统对采集到的回波信号进行处理，并根据处理后的数据计算得到所述金属层激光雷达在30km处的回波光子数；通过所述金属层共振荧光回波信号交叉判定系统对采集到的回波信号进行处理，并根据处理后的数据计算得到所述金属层激光雷达在80-120km处的回波光子数与噪声数。
8.根据权利要求7所述的高层大气金属层激光雷达探测状态监测方法，其特征在于，所述监测方法根据计算得到的回波光子数与噪声数判别所述金属层激光雷达的探测数据质量及探测状态，并给出数据质量结论的具体判别方法为：
对比不同金属层激光雷达的30km处的回波光子数与80-120km处的回波光子数的结果，如果所有金属层激光雷达的这两种回波光子数结果都低于探测地金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值，则所述综合判别系统将结合天气判别系统进行判定此时的天气状态是否适合金属层激光雷达观测，若不适合，则关闭金属层激光雷达，停止探测，待天气状态适合后再进行探测；若适合，则重新启动金属层激光雷达，再次获得观测结果进行判别探测状态；
如果只有某一金属层激光雷达的30km处的回波光子数和80-120km处的回波光子数低于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值时，则所述综合判别系统将会判定此金属层激光雷达的数据质量不合格、探测状态不正常，并发出进一步测试修正指令，具体为：如果金属层激光雷达的30km处的回波光子数低于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值，综合判别系统给出的第一步指令为检查激光能量，利用能量/功率监测装置测量发射激光能量，若激光能量降低，则调整矫正激光器，使发射能量达到初始设计值，此时如果30km处的回波光子数等于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值，则综合判别系统将会进行下一步判别；若激光能量达到初始设计值，30km处的回波光子数还是低于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值，综合判别系统给出的指令为检查激光发射方向，此时利用自动准直系统矫正激光发射发向；
矫正后30km处的回波光子数如果等于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的观测值，则综合判别系统将会进行下一步判别：根据回波信号信噪比进行判别；综合判别系统将自动计算80-120km处回波信噪比，如果信噪比基本等于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的信噪比，则矫正完成，此时金属层激光雷达的数据质量合格、探测状态正常，所述金属层激光雷达继续探测；如果信噪比低于探测地该金属层激光雷达正常状态晴朗天气的信噪比，则所述综合判别系统发出进一步测试修正指令，为检查发射激光波长，利用高精度波长测定装置测量发射激光波长并矫正金属层探测雷达的探测激光波长；此时整个矫正过程完成，金属层激光雷达的数据质量合格、探测状态正常，所述金属层激光雷达继续探测。
9.根据权利要求8所述的高层大气金属层激光雷达探测状态监测方法，其特征在于，所述监测方法中雷达系统修正装置进行的修正步骤包括：
所述天气判别系统给出天气状态，进而判别是否由于天气条件引起信号偏差；所述能量/功率监测装置对发射激光能量/功率进行监测，并参考修正指令，进而判别是否由于激光发射能量抖动引起信号偏差；所述高精度波长测定装置对发射激光波长进行监测，并参考修正指令，进而判别是否由于激光发射波长漂移引起信号偏差；所述自动准直系统对发射激光方向进行矫正，去除由于激光发射方向偏离引起信号偏差。
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