CN116300122A - 一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法、装置及存储介质 - Google Patents
一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法、装置及存储介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种激光雷达的光路控制方法，尤其是一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，包括以下步骤：建立起雷达系统的三维光路仿真模型；将系统光路划分为四个象限并计算几何重叠因子；输出盲区和过渡区；根据预设光束偏移角度、盲区和过渡区建立起信号光学指标参数与光束偏移角度的径向基神经网络模型；测量大气回波信号，得到指标参数盲区和过渡区位置，并将指标参数盲区和过渡区位置作为预测输入值输入径向基神经网络模型计算光束偏移角度；根据偏移角度调节反射镜俯仰角；再次测量四个象限的回波信号，重复计算光束偏移角度，直到达到标准光路准直条件。该方法解决了光路复杂和生产成本高的问题，并且适用大气激光雷达系统光路。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光雷达的光路控制方法，尤其是一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法、装置及存储介质。
背景技术
在大型光学系统中，由于光路复杂，使用手动调节方法进行光路准直耗时久，精度低，为实现光学系统光路准直的高效率调节，需要建立起光路自动准直的控制方法。
目前较为常见的光路准直的自动化控制方法主要利用CCD相机监测光路预定位置处光斑中心偏离基准光路中心的位移，运用控制算法计算偏移位移与反射镜的调节量，最后通过控制步进电机调整光路方向。使用CCD相机监测光路偏移更适合短距离光路的自动化准直，不适合在大气激光雷达系统光路中应用。
同时该方法需要在光路中预设位置以及无限远处位置（远场CCD 相机前需要安装聚焦透镜，CCD相机位于聚焦透镜焦点处）安置CCD相机，对光路中两个位置的光斑形状和位置进行采集，分析光斑信息并计算光束偏移情况。然而在产业化过程中，应用CCD相机进行光路准直，增加了系统光路的复杂性和额外的生产成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种能够适用大气激光雷达系统光路、成本低、操作简单的一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，具体技术方案为：
一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，包括以下步骤：
建立起雷达系统的三维光路仿真模型；
将系统光路划分为四个象限；
计算系统四个象限的几何重叠因子；
输出四个象限的盲区和过渡区；
根据预设光束偏移角度和四个象限的盲区和过渡区，建立起信号光学指标参数与光束偏移角度的径向基神经网络模型，所述光束偏移角度包括
和/>
；
测量四个象限的大气回波信号，根据大气回波信号得到指标参数盲区和过渡区位置，并将指标参数盲区和过渡区位置作为预测输入值输入所述径向基神经网络模型计算光束偏移角度；
根据偏移角度调节反射镜俯仰角；
再次测量四个象限的回波信号，重复计算光束偏移角度，直到达到标准光路准直条件。
通过采用上述技术方案，建立起雷达系统的光路仿真模型，根据大气回波信号的光学指标参数计算出光束偏移角度，利用电动调整架调整反射镜的俯仰角；重复上述操作，直到光束准直要求达标。
优选的，所述三维光路仿真模型根据大气激光雷达系统的参数建立。
优选的，所述四个象限分别为N、E、S和W，且平均分配；所述几何重叠因子包括信号盲区几何因子、过渡区几何因子和完全接收区几何因子；
所述信号盲区几何因子：OL=0；
所述过渡区几何因子：0＜OL＜1；
所述完全接收区几何因子：OL=1。
进一步的，所述计算几何重叠因子时根据回波信号与接收范围的重合面积来计算，四个象限的
曲线的计算公式如下：
式中，
当
和过渡区/>
时，得到四象限的盲区位置
和/>
。
进一步的，所述径向基神经网络模型训练时，将不同偏移角度光束状态下，四象限信号的光学指标参数作为训练样本，以训练样本的盲区
和过渡区/>
作为输入参数，训练样本的光束偏移角度/>
和/>
作为输出，经过多次训练，确定其spread常数。
进一步的，计算光束偏移角度时，计算预测角度的计算误差：
进一步的，标准光路准直条件：
一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制系统，用于上述一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，包括：四个象限分割装置，用于采集时露出一个象限，遮挡其余三个象限；接收望远镜，所述四个象限分割装置安装在所述接收望远镜上，所述接收望远镜与大气激光雷达系统相对设置，用于接收返回的大气回波信号；会聚透镜，所述会聚透镜与所述接收望远镜相对设置，用于会聚透过小孔光阑的大气回波信号；后继光学单元，所述后继光学单元与所述会聚透镜相对设置，用于对接收的回波信号进行分光处理；信号探测与采集系统，所述信号探测与采集系统与所述后继光学单元相对设置，用于将接收的回波信号从光信号转换成电信号，再将电信号转换成ASCII码储存到数据文件；激光发射器，所述激光发射器与所述信号探测与采集系统连接；反射镜，所述反射镜设有若干个，分别与所述激光发射器和所述大气激光雷达系统相对设置，用于调节反射镜使得激光发射器发射向大气中的光束准直；及电动调整架，所述电动调整架与所述反射镜连接，用于调整所述反射镜的反射光路。
一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法的装置，所述装置包括：处理器、存储器以及程序；所述程序存储在所述存储器中，所述处理器调用存储器存储的程序，以执行上述一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质被配置成存储程序，所述程序被配置成执行上述一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法的步骤。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法无需在光路中添加复杂光学器件，不会影响雷达信号的正常采集；且操作简单，将复杂耗时的手动调节光路准直的方式转变为光路准直的自动控制方式，节约人力成本，提高工作效率，并且能够很好的适用大气激光雷达系统。
附图说明
图1是实施例的流程图；
图2是理想情况下某高度光路的二维平面图；
图3是图2的四象限的盲区
和过渡区/>
位置；
图4是光路偏移情况下某高度四象限的二维平面图；
图5是图4的四象限的盲区
和过渡区/>
位置；
图6是大气激光雷达系统的几何重叠因子原理图；
图7是四象限工装示意图；
图8 是大气激光雷达系统光路准直的系统的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步说明。
根据系统参数建立起大气激光雷达系统的三维光路仿真模型，通过控制四个象限分割装置对系统接收位置四个方向的回波信号分别进行采集，根据四个方向大气回波信号光学指标参数的变化来计算分析系统的光束偏移角度，利用电动调整架调节光路的准直，无需添加复杂光学器件，仅通过回波信号的光学指标参数来判断光路的偏移方向，操作过程更简单，生产成本更低，并且能够很好的适用大气激光雷达系统。
实施例一，如图1至图8所示，一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，包括以下步骤：
根据大气激光雷达系统参数建立起三维光路仿真模型；
将雷达系统的三维光路仿真模型平均分为四个象限N、E、S、W，划分方式如图1所示；如图2所示，雷达接收的大气回波信号区域分为盲区、过渡区与完全接收区，其中信号盲区为回波信号完全不在接收范围内的区域，几何因子
=0；过渡区为回波信号部分在接收范围内的区域，几何因子0</>
<1；完全接收区为回波信号完全在接收范围内的区域，/>
=1；
根据回波信号与接收范围的重合面积，来计算系统四象限的几何因子。其中以
表示激光发射信号在高度/>
处的光斑面积，以/>
表示激光发射信号与望远镜接收信号在高度/>
处的光斑重合面积，四个象限的/>
曲线的计算公式如下：
当
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时，得到四象限的盲区位置
和/>
，四象限的/>
曲线见附图1：
根据预设光束偏移角度
和/>
（水平和竖直方向的俯仰角）和四个象限的盲区
和过渡区/>
，建立起信号光学指标参数与光束偏移角度的径向基神经网络模型：根据系统的三维光路仿真模型，将不同偏移角度光束状态下四个象限信号的光学指标参数作为训练样本，以训练样本的盲区/>
和过渡区/>
作为输入参数，训练样本的光束偏移角度/>
和/>
作为输出，经过多次训练，确定其spread常数（散布常数）；
实验测量大气激光雷达系统四象限的大气回波信号，根据回波信号得到信号指标参数盲区和过渡区位置，并作为预测输入值带入到上述径向基神经网络模型中，得到预测输出的光束偏移角度，计算预测角度的计算误差：
预测角度和预测误差如表1所示，可以看到该方法对光束偏移角度
和/>
预测的平均误差分别为3.46%和4.35%,可见该方法对光束偏移角度预测的预测效果较好。
根据预测角度，利用电动调整架调节反射镜的俯仰角；之后再次测量四个象限的回波信号，重复上述操作，直到达到标准光路准直条件：
表1数学模型对实验组偏移角度的预测结果
几何重叠因子：激光雷达系统的接收视场和激光束的几何重叠关系与距离的函数。
盲区：激光雷达的大气回波信号完全不在接收视场范围内的区域，几何因子OL=0；
过渡区：激光雷达的大气回波信号部分在接收范围内的区域，几何因子0<OL<1；
完全接收区：激光雷达的大气回波信号完全在接收范围内的区域，OL=1。
四个象限：利用数学中平面坐标的分析方法，将接收平面被横轴和纵轴划分为四个区域，得到四个象限。
由于雷达光学系统结构复杂，且激光光束在大气中的传输距离在3-30km左右，手动调节光束准直较为困难，需要工作经验丰富的专业人员，且工作量大，耗时久，本方法建立起大气激光雷达系统的光路仿真模型，通过机理建模对光束偏移角度进行计算，利用电动调整架调节光路，实现光路准直的自动化控制，同时解决了雷达设备受到恶劣天气环境以及人为操作等会引起系统光路的偏移，实现光路准直的自动化控制可减少对雷达设备的重复性光路调试工作，大大降低人力成本。
实施例二，如图7和图8所示，一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制系统，用于一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，包括四个象限分割装置8、接收望远镜1、会聚透镜2、后继光学单元3、信号探测与采集系统4、激光发射器5、反射镜6和电动调整架7。四个象限分割装置8包括一个固定环和一个转动板，转动板平均分成四个扇区，其中一个扇区为通孔，用于采集时露出一个象限，遮挡其余三个象限，转动板转动安装在固定环上，固定环安装在接收望远镜1上。接收望远镜1与大气激光雷达系统相对设置，用于接收返回的大气回波信号。会聚透镜2、后继光学单元3和信号探测与采集系统4依次设置，会聚透镜2与接收望远镜1相对设置，用于会聚透过小孔光阑的大气回波信号；后继光学单元3包括波片、偏振分光棱镜、反射镜片等光学元件，用于对接收的回波信号进行分光处理；信号探测与采集系统4包括探测、放大板、采集卡与计算机等设备，用于将接收的回波信号从光信号转换成电信号，再将电信号转换成ASCII码储存到数据文件；激光发射器5与信号探测与采集系统4连接；反射镜6设有若两个，分别与激光发射器5和大气激光雷达系统相对设置，用于调节反射镜6使得激光发射器5发射向大气中的光束准直；电动调整架7与反射镜6连接，用于调整反射镜6的反射光路。
阴影部分N、S、W为遮挡部分，E为采集部分；对四个象限的区域分别进行采集，每次只采集一个象限，遮挡其余三个象限，共采集四次。
电动调整架包括步进电机和控制器，控制器与计算机相连，可实时返回调整架位置信息；根据光束偏移角度可得到步进电机的调节量，控制旋转旋钮可调节光路。
实施例三，一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法的装置，所述装置包括：处理器、存储器以及程序；所述程序存储在所述存储器中，所述处理器调用存储器存储的程序，以执行上述一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法的步骤。
存储器和处理器之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可以通过一条或者多条通信总线或信号线实现电性连接，如可以通过总线连接。存储器中存储有实现数据访问控制方法的计算机执行指令，包括至少一个可以软件或固件的形式存储于存储器中的软件功能模块，处理器通过运行存储在存储器内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。
存储器可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，简称：RAM)，只读存储器(Read Only Memory，简称：ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，简称：PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称：EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，简称：EEPROM)等。其中，存储器用于存储程序，处理器在接收到执行指令后，执行程序。
处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称：CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称：NP)等。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
实施例四，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质被配置成存储程序，所述程序被配置成执行上述一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法的步骤。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备（系统）、和计算机程序产品的流程图来描述的。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图和/或中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机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指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图中指定的功能的步骤。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立起雷达系统的三维光路仿真模型；
将系统光路划分为四个象限；
计算系统四个象限的几何重叠因子；
输出四个象限的盲区和过渡区；
根据预设光束偏移角度和四个象限的盲区和过渡区，建立起信号光学指标参数与光束偏移角度的径向基神经网络模型，所述光束偏移角度包括
和/>
；
测量四个象限的大气回波信号，根据大气回波信号得到指标参数盲区和过渡区位置，并将指标参数盲区和过渡区位置作为预测输入值输入所述径向基神经网络模型计算光束偏移角度；
根据偏移角度调节反射镜俯仰角；
再次测量四个象限的回波信号，重复计算光束偏移角度，直到达到标准光路准直条件；
其中，所述四个象限分别为N、E、S和W，且平均分配。
2.根据权利要求1所述的一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，其特征在于，
所述三维光路仿真模型根据大气激光雷达系统的参数建立。
3.根据权利要求1所述的一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，其特征在于，
所述几何重叠因子包括信号盲区几何因子、过渡区几何因子和完全接收区几何因子；
所述信号盲区几何因子：OL=0；
所述过渡区几何因子：0＜OL＜1；
所述完全接收区几何因子：OL=1。
4.根据权利要求3所述的一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，其特征在于，
所述计算几何重叠因子时根据回波信号与接收范围的重合面积来计算，四个象限的
曲线的计算公式如下：
式中，
当
和过渡区/>
时，得到四象限的盲区位置/>
和
。
5.根据权利要求4所述的一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，其特征在于，
所述径向基神经网络模型训练时，将不同偏移角度光束状态下，四象限信号的光学指标参数作为训练样本，以训练样本的盲区
和过渡区/>
作为输入参数，训练样本的光束偏移角度/>
和/>
作为输出，经过多次训练，确定其spread常数。
6.根据权利要求5所述的一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，其特征在于，
计算光束偏移角度时，计算预测角度的计算误差：
7.根据权利要求5所述的一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，其特征在于，
标准光路准直条件：
8.一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制系统，用于权利要求1至7任一项所述的一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法，其特征在于，包括：
四个象限分割装置，用于采集时露出一个象限，遮挡其余三个象限；
接收望远镜，所述四个象限分割装置安装在所述接收望远镜上，所述接收望远镜与大气激光雷达系统相对设置，用于接收返回的大气回波信号；
会聚透镜，所述会聚透镜与所述接收望远镜相对设置，用于会聚透过小孔光阑的大气回波信号；
后继光学单元，所述后继光学单元与所述会聚透镜相对设置，用于对接收的回波信号进行分光处理；
信号探测与采集系统，所述信号探测与采集系统与所述后继光学单元相对设置，用于将接收的回波信号从光信号转换成电信号，再将电信号转换成ASCII码储存到数据文件；
激光发射器，所述激光发射器与所述信号探测与采集系统连接；
反射镜，所述反射镜设有若干个，分别与所述激光发射器和所述大气激光雷达系统相对设置，用于调节反射镜使得激光发射器发射向大气中的光束准直；及
电动调整架，所述电动调整架与所述反射镜连接，用于调整所述反射镜的反射光路。
9.一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法的装置，其特征在于，所述装置包括：
处理器、存储器以及程序；
所述程序存储在所述存储器中，所述处理器调用存储器存储的程序，以执行权利要求1所述的一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质被配置成存储程序，所述程序被配置成执行权利要求1所述的一种大气激光雷达系统光路准直的全自动控制方法的步骤。
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