專利名稱：激光雷達幾何重疊因子自動調(diào)整系統(tǒng)及調(diào)整方法
技術領域：
本發(fā)明屬于大氣環(huán)境觀測技術領域，具體涉及一種激光雷達幾何重疊因子自動調(diào) 整系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及利用該系統(tǒng)進行調(diào)整的方法。
背景技術：
激光雷達作為一種主動遙感探測工具已廣泛用于激光大氣傳輸、全球氣候預測、 氣溶膠輻射效應及大氣環(huán)境等研究領域。在激光雷達系統(tǒng)中，望遠鏡的視場角應稍大于激光束的發(fā)散角。對于同軸激光雷 達，出射激光束軸線要與望遠鏡軸線重合；對于非同軸激光雷達，出射激光束軸線要與望遠 鏡軸線平行。理想情況下從地面開始回波信號就可以完全進入望遠鏡視場。但是，在實際中這兩條軸線之間的共軸或平行往往很難實現(xiàn)。另外，由于望遠鏡輔 鏡和相關機械機構等遮擋物的遮擋，在低空激光雷達往往不能完全接收回波信號，此時存 在一個幾何重疊區(qū)，在該重疊區(qū)內(nèi)，發(fā)射激光束與望遠鏡的視場部分重合，隨著高度的不斷 增加，重疊區(qū)域面積與光斑面積的比值逐漸增大，最終達到某一峰值，幾何重疊因子此時也 達到最大值。而在高空，由于兩光軸的夾角存在，望遠鏡視場與激光光斑之間的距離會很快 增加，這可能導致幾何因子迅速衰減。因此，幾何因子的存在是使激光雷達的探測范圍減小 的一個重要因素。目前，人們主要采用手動調(diào)節(jié)的方式，盡量使這兩條軸線同軸或平行，從而增大雷 達的有效探測距離；此外，人們還采用實驗、或者程序校正的方法減小幾何重疊因子對低層 大氣的回波信號的影響。但是，這些方式都只能在一定程度上減少幾何重疊因子的影響，而 不能從根本上消除該問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種激光雷達幾何重疊因子自動調(diào)整系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有采用 手動調(diào)節(jié)的方式，或者采用實驗、程序校正的方法減小幾何重疊因子對低層大氣的回波信 號的影響，效果不理想，自動化程度不高的問題。本發(fā)明的另一目的是提供一種利用上述系統(tǒng)進行調(diào)整的方法。本發(fā)明所采用的技術方案是，一種激光雷達幾何重疊因子自動調(diào)整系統(tǒng)，包括出 射光路、接收光路和數(shù)據(jù)采集與控制部分，出射光路包括脈沖激光器，脈沖激光器的出射光 側(cè)依次設置有準直擴束系統(tǒng)、可旋轉(zhuǎn)反射鏡、固定反射鏡；接收光路包括望遠鏡，望遠鏡的 出射光側(cè)依次設置有小孔光闌、透鏡、濾光片、光電檢測器件；數(shù)據(jù)采集與控制部分包括數(shù) 據(jù)采集與控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的輸入端設置為所述的光電檢測器件，數(shù)據(jù)采集 與控制系統(tǒng)的輸出端設置有兩條支路，一條支路依次設置有X軸執(zhí)行機構驅(qū)動器、X軸執(zhí)行 機構，另一條支路上依次設置有Y軸執(zhí)行機構驅(qū)動器、Y軸執(zhí)行機構，X軸執(zhí)行機構及Y軸執(zhí) 行機構的輸出端設置為所述的可旋轉(zhuǎn)反射鏡。本發(fā)明所采用的另一技術方案是，一種激光雷達幾何重疊因子自動調(diào)整方法，采用激光雷達幾何重疊因子自動調(diào)整系統(tǒng)，該系統(tǒng)的結(jié)構為包括出射光路、接收光路和數(shù)據(jù) 采集與控制部分，出射光路包括脈沖激光器，脈沖激光器的出射光側(cè)依次設置有準直擴束 系統(tǒng)、可旋轉(zhuǎn)反射鏡、固定反射鏡；接收光路包括望遠鏡，望遠鏡的出射光側(cè)依次設置有小 孔光闌、透鏡、濾光片、光電檢測器件；數(shù)據(jù)采集與控制部分包括數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù) 采集與控制系統(tǒng)的輸入端設置為所述的光電檢測器件，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的輸出端設置 有兩條支路，一條支路依次設置有X軸執(zhí)行機構驅(qū)動器、X軸執(zhí)行機構，另一條支路上依次 設置有Y軸執(zhí)行機構驅(qū)動器、Y軸執(zhí)行機構，X軸執(zhí)行機構及Y軸執(zhí)行機構的輸出端設置為 所述的可旋轉(zhuǎn)反射鏡，具體按照以下步驟實施步驟1 脈沖激光器發(fā)出脈沖激光束，經(jīng)準直擴束系統(tǒng)準直擴束后，依次通過可旋 轉(zhuǎn)反射鏡、固定反射鏡轉(zhuǎn)向后射向大氣，產(chǎn)生回波信號，望遠鏡接收回波信號，回波信號依 次通過小孔光闌、透鏡、濾光片，傳遞給光電檢測器件及數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；步驟2 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)根據(jù)等價判據(jù)及優(yōu)化算法對回波信號進行處理，得 到控制信號，通過X軸執(zhí)行機構驅(qū)動器及Y軸執(zhí)行機構驅(qū)動器控制X軸執(zhí)行機構和Y軸執(zhí) 行機構調(diào)節(jié)可旋轉(zhuǎn)反射鏡的角度，使得經(jīng)過固定反射鏡反射后的出射激光束軸線與望遠鏡 軸線重合。本發(fā)明的特點還在于，其中的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)根據(jù)等價判據(jù)及優(yōu)化算法對回波信號進行處理，具體 按照以下步驟實施a.將可旋轉(zhuǎn)反射鏡的當前位置記為Wtl，檢測回波信號強度P(Z)，在0到Z2距離范 圍內(nèi)對回波信號P(Z)進行積分，即求取回波信號(Z)與時間軸從O到Z2所包圍的面積
權利要求
一種激光雷達幾何重疊因子自動調(diào)整系統(tǒng)，其特征在于，包括出射光路、接收光路和數(shù)據(jù)采集與控制部分，出射光路包括脈沖激光器(1)，脈沖激光器(1)的出射光側(cè)依次設置有準直擴束系統(tǒng)(2)、可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)、固定反射鏡(4)；接收光路包括望遠鏡(5)，望遠鏡(5)的出射光側(cè)依次設置有小孔光闌(6)、透鏡(7)、濾光片(8)、光電檢測器件(9)；數(shù)據(jù)采集與控制部分包括數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(10)，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(10)的輸入端設置為所述的光電檢測器件(9)，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(10)的輸出端設置有兩條支路，一條支路依次設置有X軸執(zhí)行機構驅(qū)動器(11)、X軸執(zhí)行機構(12)，另一條支路上依次設置有Y軸執(zhí)行機構驅(qū)動器(13)、Y軸執(zhí)行機構(14)，X軸執(zhí)行機構(12)及Y軸執(zhí)行機構(14)的輸出端設置為所述的可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)。
2.一種激光雷達幾何重疊因子自動調(diào)整方法，其特征在于，采用激光雷達幾何重疊因 子自動調(diào)整系統(tǒng)，該系統(tǒng)的結(jié)構為包括出射光路、接收光路和數(shù)據(jù)采集與控制部分，出射 光路包括脈沖激光器(1)，脈沖激光器(1)的出射光側(cè)依次設置有準直擴束系統(tǒng)(2)、可旋 轉(zhuǎn)反射鏡(3)、固定反射鏡(4)；接收光路包括望遠鏡(5)，望遠鏡(5)的出射光側(cè)依次設置 有小孔光闌(6)、透鏡(7)、濾光片(8)、光電檢測器件(9)；數(shù)據(jù)采集與控制部分包括數(shù)據(jù)采 集與控制系統(tǒng)(10)，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(10)的輸入端設置為所述的光電檢測器件(9)， 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(10)的輸出端設置有兩條支路，一條支路依次設置有X軸執(zhí)行機構驅(qū) 動器(11)、X軸執(zhí)行機構(12)，另一條支路上依次設置有Y軸執(zhí)行機構驅(qū)動器(13)、Y軸執(zhí) 行機構(14)，X軸執(zhí)行機構(12)及Y軸執(zhí)行機構(14)的輸出端設置為所述的可旋轉(zhuǎn)反射 鏡⑶，具體按照以下步驟實施步驟1 脈沖激光器(1)發(fā)出脈沖激光束，經(jīng)準直擴束系統(tǒng)(2)準直擴束后，依次通過 可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)、固定反射鏡(4)轉(zhuǎn)向后射向大氣，產(chǎn)生回波信號，望遠鏡(5)接收回波信 號，回波信號依次通過小孔光闌(6)、透鏡(7)、濾光片(8)，傳遞給光電檢測器件(9)及數(shù)據(jù) 采集與控制系統(tǒng)(10)；步驟2 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(10)根據(jù)等價判據(jù)及優(yōu)化算法對回波信號進行處理，得 到控制信號，通過X軸執(zhí)行機構驅(qū)動器(11)及Y軸執(zhí)行機構驅(qū)動器(13)控制X軸執(zhí)行機 構(12)和Y軸執(zhí)行機構(14)調(diào)節(jié)可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)的角度，使得經(jīng)過固定反射鏡(4)反 射后的出射激光束軸線與望遠鏡(5)軸線重合。
3.根據(jù)權利要求2所述的調(diào)整方法，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(10)根 據(jù)等價判據(jù)及優(yōu)化算法對回波信號進行處理，具體按照以下步驟實施a.將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)的當前位置記為Wtl，檢測回波信號強度P(Z)，在0到Z2距離范 圍內(nèi)對回波信號P(Z)進行積分，即求取回波信號P(Z)與時間軸從0到Z2所包圍的面積C= J[2P(z)ife,式中，Z2 SP(Z)在一定誤差范圍內(nèi)接近P(⑴)的距離，記為Cci;b.將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)向負方向旋轉(zhuǎn)，檢測回波信號強度P(Z)，在0到Z2距離范圍內(nèi) 對回波信號P(Z)進行積分，即求取回波信號P(Z)與時間軸從0到Z2所包圍的面積C= ^2 P(z)dz,式中，Z2為P(Z)在一定誤差范圍內(nèi)接近P (-)的距離，記為C1,當前位置記為W1 ；c.將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)向正方向旋轉(zhuǎn)，檢測回波信號強度P(Z)，在0到Z2距離范圍內(nèi) 對回波信號P(Z)進行積分，即求取回波信號P(Z)與時間軸從O到Z2所包圍的面積C= j^P(z)dz,式中，Z2為P(Z)在一定誤差范圍內(nèi)接近P (-)的距離，記為C2,當前位置記為W2 ；d.比較等價判據(jù)值CpC1以及C2的大小，判斷Wtl是否處于最佳位置當C1, C2的值均 小于Ctl時，表明此時Wtl處于最佳位置，將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)重新調(diào)回到Wtl，調(diào)節(jié)結(jié)束；當C1, C2的值均不小于Ctl時，表明此時Wtl不處于最佳位 置，根據(jù)C1以及C2的大小，控制X軸執(zhí)行機構(12)或Y軸執(zhí)行機構(14)將可旋轉(zhuǎn)反射鏡 (3)旋轉(zhuǎn)到上述W1或W2位置；e.將當前位置記為，檢測大氣回波信號強度P(Z)，在0到Z2距離范圍內(nèi)對回波信 號P(Z)進行積分，即求取回波信號P(Z)與時間軸從O到Z2所包圍的面積C= ￡p(z)dz,式中，Z2 SP(Z)在一定誤差范圍內(nèi)接近P(⑴)的距離，記為CTtl;f.相對于當前位置向正方向或負方向旋轉(zhuǎn)θ角度，檢測大氣回波信號強度P(Z)，在0 到Z2距離范圍內(nèi)對回波信號P (Z)進行積分，即求取回波信號P (Z)與時間軸從0到Z2所包 圍的面積C= [2P(z)dz,式中，Z2為P (Z)在一定誤差范圍內(nèi)接近P (⑴)的距離，記為CT 此時位置記為，旋 轉(zhuǎn)角度值為上次調(diào)節(jié)角度值的1. 618倍；此次調(diào)節(jié)后，如果等價判據(jù)值CT1 > CT^，則返回步 驟e繼續(xù)執(zhí)行；如果等價判據(jù)值CT1 < CT ^，則進入步驟g繼續(xù)執(zhí)行；g.重新將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)調(diào)回到Wtl位置，返回步驟a執(zhí)行。
4.根據(jù)權利要求2所述的調(diào)整方法，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(10)根 據(jù)等價判據(jù)及優(yōu)化算法對回波信號進行處理，具體按照以下步驟實施a.將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)的當前位置記為Wtl，檢測回波信號強度P(Z)，定義距離平方校 正信號如下S(z) = P(z)z2，等價判據(jù)定義如下 C= J[2S(z)ife,式中，Z2 SP(Z)在一定誤差范圍內(nèi)接近P(⑴)的距離，記為Cci;b.將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)向負方向旋轉(zhuǎn)，檢測回波信號強度P(z)，定義距離平方校正信 號如下S(z) = P(z)z2，等價判據(jù)定義如下C= [2S(z)dz,式中，Z2為P(Z)在一定誤差范圍內(nèi)接近P (-)的距離，記為C1,當前位置記為W1 ；c.將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)向正方向旋轉(zhuǎn)，檢測回波信號強度P(z)，定義距離平方校正信 號如下S(z) = P(z)z2，等價判據(jù)定義如下 C= J[2 S{z)dz,式中，ζ2為Ρ(ζ)在一定誤差范圍內(nèi)接近P (-)的距離，記為C2,當前位置記為W2 ；d.比較等價判據(jù)值Q、C1以及C2的大小，判斷Wtl是否處于最佳位置當C1,C2的值均 小于Ctl時，表明此時Wtl處于最佳位置，將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)重新調(diào)回到Wtl，調(diào)節(jié)結(jié)束；當C” C2的值均不小于Ctl時，表明此時Wtl不處于最佳位置，根據(jù)C1以及C2的大小，控制X軸執(zhí)行 機構(12)或Y軸執(zhí)行機構(14)將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)旋轉(zhuǎn)到上述W1或W2位置；e.將當前位置記為1\，檢測大氣回波信號強度P(Z)，定義距離平方校正信號如下S(z) = P(z)z2，等價判據(jù)定義如下C= ^S(z)dz,式中，Z2 SP(Z)在一定誤差范圍內(nèi)接近P(⑴)的距離，記為CTtl;f.相對于當前位置向正方向或負方向旋轉(zhuǎn)θ角度，檢測大氣回波信號強度P(Z)，定義 距離平方校正信號如下S(z) = P(Z)Z2,等價判據(jù)定義如下C= ￡s(z)dz,式中，Z2為P (Z)在一定誤差范圍內(nèi)接近P (⑴)的距離，記為CT 此時位置記為，旋 轉(zhuǎn)角度值為上次調(diào)節(jié)角度值的1. 618倍；此次調(diào)節(jié)后，如果等價判據(jù)值CT1 > CT^，則返回步 驟e繼續(xù)執(zhí)行；如果等價判據(jù)值CT1 < CT ^，則進入步驟g繼續(xù)執(zhí)行；g.重新將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)調(diào)回到WcT位置，返回步驟a執(zhí)行。
5.根據(jù)權利要求2所述的調(diào)整方法，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(10)根 據(jù)等價判據(jù)及優(yōu)化算法對回波信號進行處理，具體按照以下步驟實施a.將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)的當前位置記為Wtl，檢測回波信號強度P(Z)，尋找到強度最大 值Pmax ；其次，進行歸一化處理，將每個點的強度值除以該最大值，即P(Z)/Pmax(ζ)；然后，以 距離ζ2作為權值，對歸一化值P(z)/Pmax進行積分，即采取以下判據(jù)C: C2型辦max式中，Z2 SP(Z)在一定誤差范圍內(nèi)接近P(⑴)的距離，記為Cci;b.將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)向負方向旋轉(zhuǎn)，檢測回波信號強度P(z)，尋找到強度最大值 Pfflax ；其次，進行歸一化處理，將每個點的強度值除以該最大值，即P(Z)/Pmax(Z)；然后，以距 離Z2作為權值，對歸一化值P(Z)/Pmax進行積分，即采取以下判據(jù)C= t ^ckJb P9max式中，Z2為P(Z)在一定誤差范圍內(nèi)接近P (-)的距離，記為C1,當前位置記為W1 ；c.將可旋轉(zhuǎn)反射鏡(3)向正方向旋轉(zhuǎn)，檢測回波信號強度P(z)，尋找到強度最大值Pfflax ；其次，進行歸一化處理，將每個點的強度值除以該最大值，即P(Z)/Pmax (ζ)；然后，以距 離Z2作為權值，對歸一化值P (z)/Pmax進行積分，即采取以下判據(jù)
全文摘要
本發(fā)明公開的一種激光雷達幾何重疊因子自動調(diào)整系統(tǒng)，包括出射光路、接收光路和數(shù)據(jù)采集與控制部分，調(diào)整方法為脈沖激光器發(fā)出脈沖激光束，經(jīng)準直擴束系統(tǒng)準直擴束后，通過可旋轉(zhuǎn)反射鏡、固定反射鏡轉(zhuǎn)向后射向大氣，產(chǎn)生回波信號，望遠鏡接收回波信號，回波信號依次通過小孔光闌、透鏡、濾光片，傳遞給光電檢測器件及數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；根據(jù)等價判據(jù)及優(yōu)化算法對回波信號進行處理，得到控制信號，控制X軸執(zhí)行機構和Y軸執(zhí)行機構調(diào)節(jié)可旋轉(zhuǎn)反射鏡的角度，使得經(jīng)過固定反射鏡反射后的出射激光束軸線與望遠鏡軸線重合。本發(fā)明調(diào)整系統(tǒng)及調(diào)整方法可以自動調(diào)節(jié)出射激光束的角度，減小幾何因子對大氣回波信號的影響，增大激光雷達的有效探測范圍。
文檔編號G01S17/95GK101963665SQ20101026023
公開日2011年2月2日 申請日期2010年8月23日 優(yōu)先權日2010年8月23日
發(fā)明者華燈鑫, 周智榮, 宋躍輝, 毛建東, 王鳴 申請人:西安理工大學