CN117647795A - 一种用于激光雷达标定的质控装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光雷达标定的质控装置及其方法，涉及激光雷达技术领域，包括无人机搭载的测试平台用于飞行标定，且测试平台固定安装在无人机的吊舱中；所述测试平台包括传感器组、供电系统、控制系统和通讯模块，且测试平台用于实时反馈当前温湿压和地理位置信息；所述通讯模块双向连接端连接有雷达系统，且雷达系统通过无线通信设备实现同无人机上的测试平台进行同步对接通讯；本发明提供的技术方案中，使得整个系统数据同步传输，实时共享，方便、低成本，同时颗粒物质量浓度测量值标定与温度测量值标定，使得本发明更加简单，可实现颗粒物激光雷达、测温激光雷达的本地化质控标准标定，具有成本低、精度高、操作简单的特点。

Description

一种用于激光雷达标定的质控装置及其方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种用于激光雷达标定的质控装置及其方法。

背景技术

目前对于大气探测的主要手段有卫星遥感、探空气球、激光雷达监测等多种手段进行。卫星遥感探测是从上而下，基于热辐射信息结合大气模型进行的温度反演，尺度大，空间广,具有整体宏观特性，但是垂直分辨率低，细节和精度效果不好；探空气球的方式可以实现较为精准的测量，但是速度慢、尺度小、范围窄、价格高，适用于某个点位测量，并且还受限于天气条件，地理位置等因素影响；激光雷达技术是当前热门的主动遥感探测技术，具有高时空分辨率高、高空间分辨率特性、探测范围广、探测精度高、连续探测性强、维护量低等优点。

对于激光雷达测量准确性如何进行定标和评判一直是一个技术问题。激光雷达具有几十米甚至上百米的盲区，盲区的信号无效，因此无法和地面点式设备进行标校。

当前传统的测量值准确性标定方法主要是和探空气球标定、高塔标定、母机标定。探空气球标定是将温湿度、颗粒物等探测器放置在气球上，通过气球上升过程中不断回传的精准的经过标定的点式传感器数据和高度数据来和激光雷达反演的数据值进行对比、标定和校准，能够提高激光雷达测量数据的准确性，但是成本太大，动辄几十万，不符合产业化每台设备的标定需求；高塔是在固定的高塔上放置温湿度传感器，然后将雷达放在高塔地面进行测量，由于激光雷达盲区的存在，设备必须要在盲区外，因此高塔的高度一般要达到300米，目前国内只有广州气象塔和深圳气象塔可以进行激光雷达数据标定工作，应用非常受限；母机标定指的是经过探空气球或者高塔标定后的数据准确的激光雷达作为标准机器，其他设备以其测量值为标准进行标定，该方法比较容易落实，但是考虑到探空气球标定和高塔标定非常受限，母机本地标定后需要运输回公司，而运输过程极易对激光雷达系统造成光路偏移，导致测量值发生偏差，严重情况需要完全重新调光和标校，因此应用比较受限。

基于以上问题和现状，发明一种基于无人机载荷的激光雷达标定质控装置，能够满足企业进行本地化准确、精确标定校准的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种用于激光雷达标定的质控装置及其方法，用以解决背景技术中的问题。

有鉴于此，本发明提供了一种用于激光雷达标定的质控装置及其方法，包括无人机搭载的测试平台用于飞行标定，且测试平台固定安装在无人机的吊舱中；

所述测试平台包括传感器组、供电系统、控制系统和通讯模块，且测试平台用于实时反馈当前温湿压和地理位置信息；

所述传感器组与控制系统相连接，且控制系统用于传感器组信号通讯，进行实时数据比对和校准；

所述供电系统包括电源系统，且电源系统为控制系统和传感器系统单独供电；

所述通讯模块双向连接端连接有雷达系统，且雷达系统通过无线通信设备实现同无人机上的测试平台进行同步对接通讯。

可选地，所述传感器组包括高精度温湿度传感器、颗粒物监测传感器、海拔传感器和定位传感器，且高精度温湿度传感器探头、颗粒物监测传感器、海拔传感器和定传感器分别与控制系统相连接。

可选地，所述雷达系统包括若干个颗粒物激光雷达与若干个测温物激光雷达，且若干个颗粒物激光雷达与若干个测温物激光雷达分别与通讯模块双向连接。

可选地，所述颗粒物激光雷达由、发射系统、接收系统、光电转化采集系统和信号处理控制系统组成。

可选地，所述测温激光雷达由激光发射光路系统、光信号接收系统、分光系统、光信号转化系统、电信号处理系统和数据采集计算处理系统组成。

一种用于激光雷达标定的质控装置的方法，包括激光雷达颗粒物浓度的标定过程和激光雷达温度的标定过程；

激光雷达颗粒物浓度的标定过程步骤如下：

①数据同化，将激光雷达的颗粒物浓度廓线，无人机测量的颗粒物浓度廓线记为/>，若二者空间分辨率不同，将无人机测量值按激光雷达空间分辨率来进行处理，得到/>；

②计算标定参数，假定连续测量m次，m次的无人机测量期望值为：

；

式中的角标i表示第i次测量，i=1,2,……,m，

选择作为激励函数，设置参数对/>作为标定参数，即：

，

采用迭代更新方法更新P和Q，可以添加上角标用以标记，具体地：

；

其中标示当前迭代的次数；

每次迭代中的误差定义如下：

；

设定误差阈值，若/>，则认为此次迭代达到预设的标定效果，则停止迭代，当前的/>，为最优化的标定参数对，若/>则认为没有达到预设的标定效果，需要继续迭代优化，在进行下一次迭代时，可以使用下述方法更新/>：

；

；

其中的为迭代参数，用于控制迭代的速度，当/>越大，理论上迭代至结束的次数越多，但每次迭代的结果更精确；

③获得最优化标定参数对后，用以激光雷达颗粒物浓度反演结果的校准；

激光雷达温度的标定过程步骤如下：

①数据同化，为方便计算，将无人机测量的温度廓线按激光雷达空间分辨率来进行处理，得到；

②计算标定参数，根据激光雷达测温反演公式：

式中，为激光雷达反演的温度廓线，/>为激光雷达测得的氮气分子转动拉曼谱线的低阶信号与高阶信号的比值，/>，/>，/>为标定参数；

为了排除氧气分子谱线附近的氧气分子的谱线的影响，利用二阶多项式的校正方法来校准温度廓线，即有：

；

为了使雷达反演的与无人机测量并同化的/>的值误差最小，必须使式中的标定参数/>，/>，/>精确化，所以有：

；

选择作为评价函数，寻找可以使得/>取到最小值的/>，/>，/>作为最优的标定系数；

③将更新的，/>，/>用于激光雷达反演温度廓线，以实现激光雷达温度的标定。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明的一种用于激光雷达标定的质控装置及其方法，采用一台无人机平台用于多台和多种不同类型激光雷达的数据标定校准，使得整个系统数据同步传输，实时共享，方便、低成本，同时颗粒物质量浓度测量值标定与温度测量值标定，使得本发明更加简单，可实现颗粒物激光雷达、测温激光雷达的本地化质控标准标定，具有成本低、精度高、操作简单的特点。

本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明流程系统图。

实施方式

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面结合附图具体描述本发明实施例的一种用于激光雷达标定的质控装置及其方法。

实施例

为了便于理解，请参阅图1，本发明提供的一种用于激光雷达标定的质控装置及其方法的一个实施例，包括无人机搭载的测试平台用于飞行标定，且测试平台固定安装在无人机的吊舱中；

所述测试平台包括传感器组、供电系统、控制系统和通讯模块，且测试平台用于实时反馈当前温湿压和地理位置信息；

所述传感器组与控制系统相连接，且控制系统用于传感器组信号通讯，进行实时数据比对和校准；

所述供电系统包括电源系统，且电源系统为控制系统和传感器系统单独供电；

所述通讯模块双向连接端连接有雷达系统，且雷达系统通过无线通信设备实现同无人机上的测试平台进行同步对接通讯；

所述传感器组包括高精度温湿度传感器、颗粒物监测传感器、海拔传感器和定位传感器，且高精度温湿度传感器探头、颗粒物监测传感器、海拔传感器和定传感器分别与控制系统相连接。

需要说明的是，该无人机采用的为四旋翼或者其他无人机，具有一定负载能力，可搭载传感器飞行；测试平台含有传感器组、供电系统、控制系统等必要组件的测试平台，能够实时反馈当前温湿压和地理位置信息，具有自己独立的供电系统，可保证长时间持续续航。测试平台固定在无人机吊舱中，保证可靠性；传感器组含有高精度温湿度传感器探头、颗粒物监测传感器、海拔传感器和定传感器。其中温度传感器精度达到0.1℃；颗粒物监测传感器可测量PM2.5和PM10的质量浓度值；定位传感器能够获取经纬度信息，可以是GPS或者北斗系统；

所采用的供电系统为控制系统和传感器系统单独供电，一般采用锂电池组，保证整个测试平台在无人机航行飞行过程中电量充足。

利用控制系统同传感器组信号通讯，并通过无法发射装置实现和地面雷达系统的实时通讯，保证测试平台测量的数据能够实时传送到地面雷达系统上面，进行实时数据比对和校准。

所采用的雷达系统通过无线通信设备实现同无人机上的测试平台进行同步对接通讯。雷达指示无人机的飞行方向和路径，保证无人机平台的运行轨迹同激光雷达系统的激光发射光束一致，通过经纬度和高度信息实时对无人机航线进行订正。同时实时获取无人机的测量值，将测温激光雷达测量得到的温度空间扩线数据同无人机测量数据进行比对从而进行准确性校准。

在一些实施例中，所述雷达系统包括若干个颗粒物激光雷达与若干个测温物激光雷达，且若干个颗粒物激光雷达与若干个测温物激光雷达分别与通讯模块双向连接；所述颗粒物激光雷达由、发射系统、接收系统、光电转化采集系统和信号处理控制系统组成；

需要说明的是，发射系统：包含激光器、整形反射镜片组，作用是将激光光束进行整形优化，压低激光发散角扩大激光光斑，将激光反射后发射进入大气中，使得激光和大气中的相关分子和粒子进行作用，收集后向散射信号。激光光束一般采用532nm绿色激光。本设计采用532nm 5K高重频激光器。

接收系统：包含主望远镜、次望远镜、准直分光镜、滤光片，作用是接收发射到大气中的激光光束的后向散射信号，并将光信号进行汇聚接收，并进行光路准直、优化并进行分光，将不同偏振态的激光分别分离到每个通道。主望远镜用于接收中远场信号，次望远镜用于近场信号。

光电转化采集系统：包含探测器、电路信号放大、去噪和采集卡采样，作用是将接收系统分光后获得的每个通道的特定波长的微弱光信号转化为电信号，并进行电路信号处理优化，满足电路采样要求后经过高速电路采样，将模拟信号转换为计算机能够识别的计算机信号。

信号处理控制系统：包含工控机，用于控制雷达各个硬件模块的协同运行，和数据计算处理，并展示结果。

扫描系统：包含水平转动装置、垂直转动装置和动力装置。作用是负载激光雷达主机进行水平方向和垂直方向的转动，实现激光光束在整个三维空间上的精准发射。

在一些实施例中，所述测温激光雷达由激光发射光路系统、光信号接收系统、分光系统、光信号转化系统、电信号处理系统和数据采集计算处理系统组成。

需要说明的是，激光发射光路系统：包含激光光源、扩束系统、反射系统，作用是引导激光光束发射进入大气，使得激光和大气中的相关分子和粒子进行作用，形成原始光信号，激光光束一般采用355nm不可见激光。本设计采用355nm 2K高重频激光器。采用10倍扩束。

光信号接收系统：包含望远镜和耦合器，用于接收激光光束在大气中形成的原始光信号，并将光信号接收汇聚，传递到后级分光系统进行进一步处理。

分光系统：包含光纤、光谱仪，用于将接收到的整束混合原始光信号进行筛选并分离出系统需要的特定波长的光信号，并滤除不需要的光信号。

光信号转化模块：包含探测器，用于将分光后获得的特定波长的光信号转化为电信号。本设计采用PMT探测器

电信号处理系统：包含电路信号处理电路板，用于对刚转化的电信号进行调理，使得降低噪声，提高信噪比，和后级数据采集计算处理系统信号匹配。

数据采集计算处理系统：包含采集卡和工控机，用于对调理后的电信号进行采集、处理和计算。

另外雷达还配有光学天窗，保证雷达光信号传输通道的正常。

其中，一种用于激光雷达标定的质控装置的方法，包括激光雷达颗粒物浓度的标定过程和激光雷达温度的标定过程；

激光雷达颗粒物浓度的标定过程步骤如下：

①数据同化，将激光雷达的颗粒物浓度廓线，无人机测量的颗粒物浓度廓线记为/>，若二者空间分辨率不同，将无人机测量值按激光雷达空间分辨率来进行处理，得到/>；

②计算标定参数，假定连续测量m次，m次的无人机测量期望值为：

；

式中的角标i表示第i次测量，i=1,2,……,m，

选择作为激励函数，设置参数对/>作为标定参数，即：

，；

采用迭代更新方法更新P和Q，可以添加上角标用以标记，具体地：

；

其中标示当前迭代的次数；

每次迭代中的误差定义如下：

；

设定误差阈值，若/>，则认为此次迭代达到预设的标定效果，则停止迭代，当前的/>，为最优化的标定参数对，若/>则认为没有达到预设的标定效果，需要继续迭代优化，在进行下一次迭代时，可以使用下述方法更新/>：

；

；

其中的为迭代参数，用于控制迭代的速度，当/>越大，理论上迭代至结束的次数越多，但每次迭代的结果更精确；

③获得最优化标定参数对后，用以激光雷达颗粒物浓度反演结果的校准；

激光雷达温度的标定过程步骤如下：

①数据同化，为方便计算，将无人机测量的温度廓线按激光雷达空间分辨率来进行处理，得到；

②计算标定参数，根据激光雷达测温反演公式：

；

式中，为激光雷达反演的温度廓线，/>为激光雷达测得的氮气分子转动拉曼谱线的低阶信号与高阶信号的比值，/>，/>，/>为标定参数；

为了排除氧气分子谱线附近的氧气分子的谱线的影响，利用二阶多项式的校正方法来校准温度廓线，即有：

；

为了使雷达反演的与无人机测量并同化的/>的值误差最小，必须使式中的标定参数/>，/>，/>精确化，所以有：

；

选择作为评价函数，寻找可以使得/>取到最小值的/>，/>，/>作为最优的标定系数；

其中，采用迭代更新方法更新，可以添加上角标用以标记，具体地：

第一、初次迭代变化的步长λ，评价函数精度（/>是一个非常小的正数，用于控制结束迭代过程)。使用随机赋值的方式给定初始值，记为/>，/>，/> .

第二、给定迭代的最大次数Num，当k<Num时，k为当前的迭代次数，初始值为1。

第三、随机生成，/>，/>且有/>（i=1,2,3）,并进行如下操作：

；

第四、若</>,即认为当前迭代比上一次的效果好，那么k重新置为1，则设置/>，并返回到第2.2步；否则k=k+1，进行到第2.3步。

第五、若当前的迭代次数k≥Num时，仍然找不到更优的值，则认为，当前的为最优参数。此时，若λ</>，则计算结束；否则，强制λ=0.5*λ，回到第2.1步，开始新一轮迭代；

③将更新的，/>，/>用于激光雷达反演温度廓线，以实现激光雷达温度的标定。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于激光雷达标定的质控装置，其特征在于：包括无人机搭载的测试平台用于飞行标定，且测试平台固定安装在无人机的吊舱中；

所述测试平台包括传感器组、供电系统、控制系统和通讯模块，且测试平台用于实时反馈当前温湿压和地理位置信息；

所述传感器组与控制系统相连接，且控制系统用于传感器组信号通讯，进行实时数据比对和校准；

所述供电系统包括电源系统，且电源系统为控制系统和传感器系统单独供电；

所述通讯模块双向连接端连接有雷达系统，且雷达系统通过无线通信设备实现同无人机上的测试平台进行同步对接通讯。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光雷达标定的质控装置，其特征在于：所述传感器组包括高精度温湿度传感器、颗粒物监测传感器、海拔传感器和定位传感器，且高精度温湿度传感器探头、颗粒物监测传感器、海拔传感器和定传感器分别与控制系统相连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于激光雷达标定的质控装置，其特征在于：所述雷达系统包括若干个颗粒物激光雷达与若干个测温物激光雷达，且若干个颗粒物激光雷达与若干个测温物激光雷达分别与通讯模块双向连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于激光雷达标定的质控装置，其特征在于：所述颗粒物激光雷达由、发射系统、接收系统、光电转化采集系统和信号处理控制系统组成。

5.根据权利要求1所述的一种用于激光雷达标定的质控装置，其特征在于：所述测温激光雷达由激光发射光路系统、光信号接收系统、分光系统、光信号转化系统、电信号处理系统和数据采集计算处理系统组成。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于激光雷达标定的质控装置的方法，其特征在于，包括激光雷达颗粒物浓度的标定过程和激光雷达温度的标定过程；

激光雷达颗粒物浓度的标定过程步骤如下：

①数据同化，将激光雷达的颗粒物浓度廓线，无人机测量的颗粒物浓度廓线记为，若二者空间分辨率不同，将无人机测量值按激光雷达空间分辨率来进行处理，得到/>；

②计算标定参数，假定连续测量m次，m次的无人机测量期望值为：

；

式中的角标i表示第i次测量，i=1,2,……,m；

选择作为激励函数，设置参数对/>作为标定参数，即：

，

采用迭代更新方法更新P和Q，可以添加上角标用以标记，具体地：

；

其中标示当前迭代的次数；

每次迭代中的误差定义如下：

；

设定误差阈值，若/>，则认为此次迭代达到预设的标定效果，则停止迭代，当前的/>，为最优化的标定参数对，若/>则认为没有达到预设的标定效果，需要继续迭代优化，在进行下一次迭代时，可以使用下述方法更新/>：

；

；

其中的为迭代参数，用于控制迭代的速度，当/>越大，理论上迭代至结束的次数越多，但每次迭代的结果更精确；

③获得最优化标定参数对后，用以激光雷达颗粒物浓度反演结果的校准；

激光雷达温度的标定过程步骤如下：

①数据同化，为方便计算，将无人机测量的温度廓线按激光雷达空间分辨率来进行处理，得到；

②计算标定参数，根据激光雷达测温反演公式：

；

式中，为激光雷达反演的温度廓线，/>为激光雷达测得的氮气分子转动拉曼谱线的低阶信号与高阶信号的比值，/>，/>，/>为标定参数；

为了排除氧气分子谱线附近的氧气分子的谱线的影响，利用二阶多项式的校正方法来校准温度廓线，即有：

；

为了使雷达反演的与无人机测量并同化的/>值误差最小，必须使式中的标定参数/>，/>，/>精确化，所以有：

；

选择作为评价函数，寻找可以使得/>取到最小值的/>，/>，/>作为最优的标定系数；

③将更新的，/>，/>用于激光雷达反演温度廓线，以实现激光雷达温度的标定。