CN115586513A - 一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统及方法,系统包括依次设置的激光发射单元、接收大气的后向散射信号的激光接收单元、将光信号转换成电信号的光束处理单元、将电信号进行处理的控制处理单元,其特征在于,系统还包括设置在激光接收单元与光束处理单元之间的光束调节单元,光束调节单元包括依次设置的用于对信号旋转偏振态的半波片,偏振分光棱镜,半波片下方设置有移动平台,移动平台在第一驱动的作用下在垂直光路的方向上来回移动。该发明中标定过程可定时进行,自动化无需人值守操作;可替换性高,便于更新维修;此方法可在不同结构的偏振激光雷达系统上使用;利用半波片采用+45°标定方法进行标定,标定精度高,适用性强。
Description
技术领域
本发明属于偏振激光雷达技术领域,尤其涉及一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统及方法。
背景技术
偏振激光雷达是探测大气中气溶胶及云光学特性十分重要的科学工具。自1971年Schotland等人首次使用偏振激光雷达探测了大气中冰云的退偏比,国内外科研工作者纷纷开展使用偏振激光雷达对大气进行探测。2003年中国科学院安徽光学精密机械研究所刘东等人用自行研制的532nm偏振激光雷达测量了卷云及沙尘的退偏比,其测量结果也与国外相关实验数据基本吻合。
偏振激光雷达进行探测的核心数据即为后向散射光的退偏比。根据米散射理论,当探测物体为球形时,其后向散射退偏比为0;当探测物体为非球型时,则后向散射光会发生一定程度的退偏,退偏比也会出现非0的情况。依据退偏比是否为0可有效的判别球形、非球形气溶胶,而根据独特的气溶胶分类方法,可以按照测得退偏比大小的具体数值对探测气溶胶进行分类,目前使用偏振激光雷达对气溶胶种类进行识别已较为精准。
常用的偏振激光雷达有3个探测波段,分别为355nm,532nm及1064nm,通过探测发射到大气中的后向散射回波信号,利用偏振分光棱镜可将回波信号中的平行偏振分量(P分量)和垂直偏振分量(S分量)进行分离,继而分别交由光电探测器进行探测,随后得出后向散射光的退偏比信息。但尽管使用同一款光电探测器也会出现能量上的探测误差,这种由于电子器件自身的差异性会导致偏振激光雷达探测结果的不准确性;其次由于接收光路中多种镀膜光学元件的使用、后向散射光的偏振态与入射偏振平面存在误差夹角同样会改变接收的后向散射光退偏比大小。因此准确的对偏振激光雷达系统存在的各种误差进行校正标定是正确获得退偏比数据的前提。
目前常用的偏振激光雷达标定方案包括:大气分子标定法、半波片法、±45°标定法等。大气分子标定法是当大气中只存在大气分子时,利用已知的大气分子退偏比0.0036进行标定,在接收到的原始退偏比与大气分子不匹配时,则使用标定系数V来进行校正标定,该方法操作简单,标定过程快速,所以该方法在上世纪末使用较为广泛,但其缺点也很明显,在选取合适的洁净大气时,往往是具有难度的,因此实际测量的大气退偏比与假设的干净大气退偏比间有误差,这些影响会导致标定系数不准确,因此该方法目前很少被采用;半波片法是指在激光器激光出射端加入半波片,通过旋转半波片45°,使激光的偏振态旋转90°,设计光路使激光入射至望远镜范围内,由于激光器出射能量保持不变,旋转半波片前后两次光电探测器所测得能量理论上相同,产生不等的情况则可使用增益系数G进行校正标定,该方法操作简单,但没有考虑光路中PBS等光学元件可能产生的偏振串扰情况;±45°标定法是德国慕尼黑大学的Freudenthaler等人提出的,与半波片法类似,区别是将半波片置于接收光路中PBS之前,通过旋转两次半波片(相对于初始位置,分别旋转-22.5°,+22.5°)测量两次大气回波信号的退偏比值,即可通过公式确定增益系数G。±45°标定法在标定公式中考虑了偏振串扰等问题,标定精度高,缺点是无法排除大气变化所带来标定影响,目前该标定方法已在国外多台高精度偏振激光雷达上使用。
以上所介绍的偏振激光雷达标定方案为目前主流的标定方案,偏振激光雷达出厂标定是十分重要的步骤,但在偏振激光雷达标定完成后一段时间,雷达系统依然可能存在退偏比信息产生误差的现象,原因是随着雷达系统运行时间增加,其中探测器可能会出现老化现象,包括探测增益失真,对于雷达系统中运用到的光学镀膜元件,也会因为环境因素,光能过大等对表面镀膜产生损伤,各个部件功能无法达到标定时理想性能。
发明内容
为了实现定时自动对偏振激光雷达系统进行标定,本发明提出了一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统及方法,具体技术方案如下:
一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统,包括依次设置的激光发射单元、接收大气的后向散射信号的激光接收单元、将光信号转换成电信号的光束处理单元、将电信号进行处理的控制处理单元,系统还包括设置在激光接收单元与光束处理单元之间的光束调节单元,所述光束调节单元包括依次设置的用于对信号旋转偏振态的半波片,偏振分光棱镜,所述半波片下方设置有移动平台,所述移动平台在第一驱动的作用下在垂直光路的方向上来回移动。
具体地说,所述半波片之前还设置有滤光片。
具体地说,所述半波片与将半波片支撑在移动平台上的支撑架之间设置有可支撑半波片环形转动的转动机构。
具体地说,所述转动机构包括固定在半波片和支撑架之间的轴承、与半波片同轴固定的齿轮、驱使齿轮转动的第二驱动。
具体地说,所述第二驱动为步进电机,所述步进电机的驱动端与齿轮啮合,所述转动精度为±0.05°。
具体地说,所述光束处理单元包括探测器和数据采集卡,所述偏振分光棱镜的两个输出光路上均设置有探测器,所述探测器的数据进入到数据采集卡中。
具体地说,工作步骤如下:
S1、光信号进入接收光路,首先经过滤光片滤除天空中的杂散光,确定计算机进入到定时标定程序;
S2、判断是否到达执行标定时间点,当到达时进入步骤S3,否则进入步骤S7;
S3、驱使半波片进入到光路中,启动光路,并采集,偏振分光棱镜的两个输出信号强度分别为PT(45°)和PR(45°);
S4、获取未校正时两探测器测得的直接信号比δ*(+45°);
S6、标定结束,第一驱动和第二驱动工作作用驱使半波片移出光路;
S7、进入常规探测;
S8、设定时间后判断是否再次需要标定。
具体地说,其中步骤S4中获取未校正退偏比δ*(+45°)的步骤如下:
偏振激光雷达在接收来自大气的后向散射信号后根据偏振相位分为平行偏振信号和垂直偏振信号,用下述公式分别表示为:
在上式中P⊥、P||分别为垂直偏振功率和平行偏振功率,可被接收系统中探测器分别接收;r为探测距离,η⊥和η||为垂直偏振通路和平行偏振通路中的电子增益,β(r)为后向散射系数,τ2(r)为消光系数;
其中下标S,p为垂直偏振分量和平行偏振分量;
(b)在经过偏振分光棱镜分光时,由于自身光学元件不够理想,会存在串扰的情况,垂直通道与平行通道间会发生能量传递,使用RP,Rs,TP,Ts来表示反射通道和透射通道之间的互相影响程度;
(c)在经过偏振分光棱镜分光后,由于探测器之间也存在差异性,分别定义VR和VT来表征两探测器的电子增益,因此探测器在接收偏振分光棱镜分出的反射光和透射光表示为:
使用上述一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统的方法,包括以下步骤:
S1、光信号进入接收光路,首先经过滤光片滤除天空中的杂散光,确定计算机进入到定时标定程序;
S2、判断是否到达执行标定时间点,当到达时进入步骤S3,否则进入步骤S7;
S3、驱使半波片进入到光路中,启动光路,并采集,偏振分光棱镜的两个输出信号强度分别为PT(45°)和PR(45°);
S4、获取未校正时两探测器测得的直接信号比δ*(+45°);
S6、标定结束,第一驱动和第二驱动工作作用驱使半波片移出光路;
S7、进入常规探测;
S8、设定时间后判断是否再次需要标定。
一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统的方法的存储介质,所述介质存储用于执行上述方法的计算机指令。
本发明的优点在于:
(1)定时标定的偏振激光雷达系统在标定过程是通过控制板驱动丝杆带动半波片进入光路实现的,在系统执行标定过程中计算机将配合执行标定程序,在标定完成后驱动丝杆带动半波片离开光路,定时标定的优点在于:标定过程可定时进行,自动化无需人值守操作;定时标定光路结构简洁,可替换性高,便于更新维修;提供了一种普遍性定时标定的偏振激光雷达系统,此方法可在不同结构的偏振激光雷达系统上使用;利用半波片采用+45°标定方法进行标定,标定精度高,适用性强。
(2)本发明采用定时标定结构,在不影响偏振激光雷达正常工作的前提下,可预设时间自动标定,有效避免由于器件老化,性能差异带来的阶段性数据测量失真情况。
(3)本发明具有拓展性,提供的定时标定思路可在多款偏振激光雷达系统上使用,本发明实施例提供的偏振激光雷达维护性高,部件可维修性、替换性强.
(4)本发明所采用的标定原理可靠,精度高,可达到无人自主完成的效果。
附图说明
图1为本发明为标定系统结构示意图;
图2为本发明为偏振激光雷达标定流程图;
图3为光束调节单元的结构示意图。
图中:
1、脉冲激光器;2、镀膜反射镜;3、望远镜;4、光阑;5、反射镜;6、滤光片;7、半波片;8、移动平台;9、偏振分光棱镜;10、探测器;11、数据采集卡;12、计算机;13、轴承;14、第一驱动;15、控制板
具体实施方式
如图1和图3所示,一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统,包括
激光发射单元,包括脉冲激光器1和镀膜反射镜2,所述脉冲激光器1发射的光束经过镀膜反射镜2后反射到大气中;
激光接收单元,包括望远镜3和光阑4,所述望远镜3接收激光与大气作用后的后向散射信号,然后经过光阑4发出;
光束调节单元,包括依次设置的反射镜5、滤光片6、半波片7,偏振分光棱镜9,所述半波片7下方设置有移动平台8,所述移动平台8在第一驱动14的作用下在垂直光路的方向上来回移动,所述半波片7与将半波片7支撑在移动平台8上的支撑架之间设置有可支撑半波片7环形转动的转动机构;在无需标定时,驱动驱使移动平台8将半波片7水平移出光路,不影响偏振激光雷达探测大气,当达到标定时间时,移动半波片7进入到光路中,所述转动机构包括固定在半波片7和支撑架之间的轴承13、与半波片7同轴固定的齿轮、驱使齿轮转动的第二驱动,第二驱动驱使齿轮旋转半波片7配合后续光路进行标定;具体地说,所述滤光片6是窄带滤光片6,用于滤除天空中的背景噪声,抑制背景噪声进入到半波片7中。所述第二驱动为步进电机,所述步进电机的驱动端与齿轮啮合,所述转动精度为±0.05°。
光束处理单元,包括探测器10和数据采集卡11,所述偏振分光棱镜9的两个输出光路上均设置有探测器10,所述探测器10的数据进入到数据采集卡11中;所述探测器10根据脉冲激光器1发射波长可选为APD、PMT。
控制单元,计算机12和控制板15,所述第一驱动14和第二驱动经过控制板15后与计算机12连接,所述计算机12还处理数据采集卡11中的电信号。所述计算机12带有可编程性定时软件,可通过远程定时自动标定,标定过程系统执行标定程序,完成后载入新标定系数继续测量大气退偏比。
如图2所示,当为定时标定时,系统的工作过程如下:
S1、光信号进入接收光路,首先经过滤光片6滤除天空中的杂散光,确定计算机12进入到定时标定程序;
S2、判断是否到达执行标定时间点,当到达时进入步骤S3,否则进入步骤S7;
S3、第一驱动14和第二驱动工作作用驱使半波片7进入到光路中,启动光路,并采集,偏振分光棱镜9的两个输出信号强度分别为PT(45°)和PR(45°);具体地说,在标定过程中,计算机12向控制板15发出指令,控制板15控制第一驱动14,处于移动平台8的半波片7进入光路,控制第二驱动驱使半波片7外侧的齿轮转动,齿轮带动与半波片7间的精密轴承1313旋转半波片722.5°。光信号通过半波片7旋转偏振态45°后,到达偏振分光棱镜9,经由偏振分光棱镜9将光信号分成平行偏振信号和垂直偏振信号,两路信号之后进入对应的探测器10,将光信号转变为电信号,最终获得两个输出信号强度;
S4、获取未校正时两探测器10测得的直接信号比δ*(+45°);
S6、标定结束,第一驱动14和第二驱动工作作用驱使半波片7移出光路;
S7、进入常规探测;
S8、设定时间后判断是否再次需要标定。
其中步骤S4中获取未校正退偏比δ*(+45°)的步骤如下:
偏振激光雷达在接收来自大气的后向散射信号后根据偏振相位分为平行偏振信号和垂直偏振信号,用下述公式分别表示为:
在上式中P⊥、P||分别为垂直偏振功率和平行偏振功率,可被接收系统中探测器10分别接收;r为探测距离,η⊥和η||为垂直偏振通路和平行偏振通路中的电子增益,由于两路信号探测时性能不同,这一部分同时也是需要标定的增益。β(r)为后向散射系数,τ2(r)为消光系数。
其中下标S,p为垂直偏振分量和平行偏振分量。
(b)在经过偏振分光棱镜9分光时,由于自身光学元件不够理想,会存在串扰的情况,垂直通道与平行通道间会发生能量传递,使用RP,Rs,TP,Ts来表示反射通道和透射通道之间的互相影响程度,这四个参数可询问器件供货商获取。
(c)在经过偏振分光棱镜9分光后,由于探测器10之间也存在差异性,分别定义VR和VT来表征两探测器10的电子增益,因此探测器10在接收偏振分光棱镜9分出的反射光和透射光表示为:
本申请实施例提供的系统和介质与方法是一一对应的,因此,系统和介质也具有与其对应的方法类似的有益技术效果,由于上面已经对方法的有益技术效果进行了详细说明,因此,这里不再赘述系统和介质的有益技术效果。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机12程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机12可用程序代码的计算机12可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机12程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机12程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机12程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机12程序指令到通用计算机12、专用计算机12、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机12或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机12程序指令也可存储在能引导计算机12或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机12可读存储器中,使得存储在该计算机12可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机12程序指令也可装载到计算机12或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机12或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机12实现的处理,从而在计算机12或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中,计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。内存可能包括计算机12可读介质中的非永久性存储器,随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式,如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机12可读介质的示例。
计算机12可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机12可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。
计算机12的存储介质的例子包括,但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定,计算机12可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media),如调制的数据信号和载波。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已,并不用以限制本发明创造,凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统,包括依次设置的激光发射单元、接收大气的后向散射信号的激光接收单元、将光信号转换成电信号的光束处理单元、将电信号进行处理的控制处理单元,其特征在于,系统还包括设置在激光接收单元与光束处理单元之间的光束调节单元,所述光束调节单元包括依次设置的用于对信号旋转偏振态的半波片(7),偏振分光棱镜(9),所述半波片(7)下方设置有移动平台(8),所述移动平台(8)在第一驱动(14)的作用下在垂直光路的方向上来回移动。
2.根据权利要求1所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统,其特征在于,所述半波片(7)之前还设置有滤光片(6)。
3.根据权利要求1所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统,其特征在于,所述半波片(7)与将半波片(7)支撑在移动平台(8)上的支撑架之间设置有可支撑半波片(7)环形转动的转动机构。
4.根据权利要求3所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统,其特征在于,所述转动机构包括固定在半波片(7)和支撑架之间的轴承(13)、与半波片(7)同轴固定的齿轮、驱使齿轮转动的第二驱动。
5.根据权利要求4所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统,其特征在于,所述第二驱动为步进电机,所述步进电机的驱动端与齿轮啮合,所述转动精度为±0.05°。
6.根据权利要求3所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统,其特征在于,所述光束处理单元包括探测器(10)和数据采集卡(11),所述偏振分光棱镜(9)的两个输出光路上均设置有探测器(10),所述探测器(10)的数据进入到数据采集卡(11)中。
7.根据权利要求1所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统,其特征在于,工作步骤如下:
S1、光信号进入接收光路,首先经过滤光片(6)滤除天空中的杂散光,确定计算机(12)进入到定时标定程序;
S2、判断是否到达执行标定时间点,当到达时进入步骤S3,否则进入步骤S7;
S3、驱使半波片(7)进入到光路中,启动光路,并采集,偏振分光棱镜(9)的两个输出信号强度分别为PT(45°)和PR(45°);
S4、获取未校正时两探测器(10)测得的直接信号比δ*(+45°);
S6、标定结束,第一驱动(14)和第二驱动工作作用驱使半波片(7)移出光路;
S7、进入常规探测;
S8、设定时间后判断是否再次需要标定。
8.根据权利要求1所述的一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统,其特征在于,其中步骤S4中获取未校正退偏比δ*(+45°)的步骤如下:
偏振激光雷达在接收来自大气的后向散射信号后根据偏振相位分为平行偏振信号和垂直偏振信号,用下述公式分别表示为:
在上式中P⊥、P||分别为垂直偏振功率和平行偏振功率,可被接收系统中探测器(10)分别接收;r为探测距离,η⊥和η||为垂直偏振通路和平行偏振通路中的电子增益,β(r)为后向散射系数,τ2(r)为消光系数;
其中下标S,p为垂直偏振分量和平行偏振分量;
(b)在经过偏振分光棱镜(9)分光时,由于自身光学元件不够理想,会存在串扰的情况,垂直通道与平行通道间会发生能量传递,使用RP,Rs,TP,Ts来表示反射通道和透射通道之间的互相影响程度;
(c)在经过偏振分光棱镜(9)分光后,由于探测器(10)之间也存在差异性,分别定义VR和VT来表征两探测器(10)的电子增益,因此探测器(10)在接收偏振分光棱镜(9)分出的反射光和透射光表示为:
9.使用权利要求1-8任意一项所述一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统的方法,包括以下步骤:
S1、光信号进入接收光路,首先经过滤光片(6)滤除天空中的杂散光,确定计算机(12)进入到定时标定程序;
S2、判断是否到达执行标定时间点,当到达时进入步骤S3,否则进入步骤S7;
S3、驱使半波片(7)进入到光路中,启动光路,并采集,偏振分光棱镜(9)的两个输出信号强度分别为PT(45°)和PR(45°);
S4、获取未校正时两探测器(10)测得的直接信号比δ*(+45°);
S6、标定结束,第一驱动(14)和第二驱动工作作用驱使半波片(7)移出光路;
S7、进入常规探测;
S8、设定时间后判断是否再次需要标定。
10.一种可自动标定增益系数的偏振激光雷达系统的方法的存储介质,其特征在于,所述介质存储用于执行权利要求9的方法的计算机(12)指令。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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