一种大气探测激光雷达CCD成像自动对光方法与流程

本发明涉及一种大气探测激光雷达CCD成像自动对光方法。

背景技术：

在激光雷达自动对光过程中，一般采用回波信号强度法。这种方法要先设定一个参考高度，该参考高度设定在充满区内。当激光发射光束进行一个方向的扫描时，发射光束会逐渐地从望远镜视场外进入到视场中，如果继续扫描，光束又逐渐远离望远镜光轴，在参考高度以上的回波信号会逐渐离开视场。这时接收望远镜采集到的回波信号的强度会随着发射光束指向角不断变化，变化关系近似为梯形函数。将接收到的回波信号的强度最强的位置作为这个方向激光雷达对光的最佳位置，并记录。然后以同样的方法在其正交方向上，进行扫描，以此来确定另一个方向的最佳位置。这两个位置，决定了激光束的最佳发射位置。这种方法需要在两个方向上进行扫描和迭代，耗时长，效率低。

使用CCD相机对激光雷达后向散射信号成像进行自动对光，通过在计算最远点成像与视场中心的偏差，同时获得两个正交方向上的位置信息，将该偏差转换为二维电动调整架的调整步数，可以一步将发射激光调节到指定位置，无迭代过程，对光效率高。

技术实现要素：

本发明专利的目的在于提供一种大气探测激光雷达CCD成像自动对光方法，本发明采用如下技术方案

一种大气探测激光雷达CCD成像自动对光方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一，先由激光器(1)发射激光脉冲，进过扩束镜(2)改善发散角，再通过反射镜(3)将光导给发射调整镜(4)，激光脉冲最终通过发射调整镜(4)发射到大气中去，所述发射调整镜(4)安装在二维调整架(5)上，二维调整架(5)由步进电机(6)控制；

步骤二，发射到大气中的激光脉冲和大气中的物质发生相互作用，其中的后向散射光，由接收望远镜(7)接收，通过小孔光阑(8)限制接收视场，再经过目镜(9)变成平行光，经过分光镜(10)分成两部分，反射光用于大气信号探测，透射光用于自动对光；

步骤三，分光镜(10)将大部分反射光，经过滤光片(11)压制背景光，再导入到PMT探测器(12)，进行大气探测；少量的透射光进入CCD相机(13)，进行后向散射的光的成像，用于自动对光。

所述激光器(1)和步进电机(6)与控制计算机(14)相连，由控制计算机(14)控制激光器(1)和步进电机(6)的运行；所述控制计算机(14)通过识别、判断和调整步进电机两个方向的步长，从而调整发射调整镜(4)的二维方位，来实现激光发射光轴和接收望远镜光轴的平行，达到对光的目的，从而保证获得大气回波信号的正确性。

所述PMT探测器(12)和CCD相机(13)与控制计算机(14)相连，可分别与控制计算机(14)进行数据交换。

有益效果：

激光雷达作为目前最常用、最重要的大气探测手段之一，在探测大气气溶胶和云、边界层，水汽、温度、三维风场，二氧化硫、二氧化氮、臭氧等污染气体，以及二氧化碳、甲烷等温室气体方面发挥着重要的作用。为保证探测数据的准确性与可靠性，激光雷达工作之前进行发射系统光轴与接收系统光轴的平行调整(对光)工作尤为重要。激光雷达实现自动对光，能够有效地提高激光雷达自动化程度与工作效率，还是保障机载和星载激光雷达数据可靠性的唯一途径。

本发明实现了基于CCD成像的激光雷达自动对光，通过原理仿真和利用CCD接收回波信号成像的实际观测对该技术进行验证。利用计算机对CCD采集的图像进行自动识别和判断，将处理结果转换为对二维电动调整架的步长控制，从而实现了自动对光。

使用CCD相机对激光雷达后向散射信号成像进行自动对光，克服了采用回波信号强度法进行自动对光迭代时间长和效率低的难题，通过在计算最远点成像与视场中心的偏差，将该偏差转换为二维电动调整架的调整步数，可以一步将发射激光调节到指定位置，无迭代过程，对光效率高。

附图说明

图1大气探测激光雷达CCD成像自动对光示意图；

图2接收望远镜等效光学成像原理；

图3发射调整镜不同方位得到的CCD成像理论结果；

图4(a)回波信号刚进入望远镜视场时的廓线图；

图4(b)回波信号刚刚进入视场时CCD采集图像；

图5(a)自动对光完成时信号廓线图

图5(b)自动对光完成CCD采集图像；

图6(a)发射光束偏向望远镜视场时信号廓线图；

图6(b)发射光束偏向望远镜视场时CCD采集图像.

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

一种大气探测激光雷达CCD成像自动对光方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一，先由激光器(1)发射激光脉冲，进过扩束镜(2)改善发散角，再通过反射镜(3)将光导给发射调整镜(4)，激光脉冲最终通过发射调整镜(4)发射到大气中去，所述发射调整镜(4)安装在二维调整架(5)上，二维调整架(5)由步进电机(6)控制；

步骤二，发射到大气中的激光脉冲和大气中的物质发生相互作用，其中的后向散射光，由接收望远镜(7)接收，通过小孔光阑(8)限制接收视场，再经过目镜(9)变成平行光，经过分光镜(10)分成两部分，反射光用于大气信号探测，透射光用于自动对光；

步骤三，分光镜(10)将大部分反射光，经过滤光片(11)压制背景光，再导入到PMT探测器(12)，进行大气探测；少量的透射光进入CCD相机(13)，进行后向散射的光的成像，用于自动对光。

所述激光器(1)和步进电机(6)与控制计算机(14)相连，由控制计算机(14)控制激光器(1)和步进电机(6)的运行；所述控制计算机(14)通过识别、判断和调整步进电机两个方向的步长，从而调整发射调整镜(4)的二维方位，来实现激光发射光轴和接收望远镜光轴的平行，达到对光的目的，从而保证获得大气回波信号的正确性。

所述PMT探测器(12)和CCD相机(13)与控制计算机(14)相连，可分别与控制计算机(14)进行数据交换。

大气探测激光雷达作为一种高精密机械光学探测系统，激光脉冲的发射与信号的接收对元器件的稳定性、激光光束的质量以及光轴的平行度有非常严格的要求。如果光束传输路径发生了偏移，系统的几何因子以及探测性能的作用距离等都会受到影响，此时的激光雷达探测结果有较大的测量误差甚至导致探测数据不可用。

为了保证激光雷达测量数据的精度和可靠性，实验开始之前必须进行接收光路与发射光路的调整，使收发光路平行。

在通常情况下，激光雷达对光大多是人工手动完成，这无疑需要操作人员具有扎实的专业知识，对系统足够了解，还需要能够相当熟练的使用这些仪器。在对光操作过程中，对光结果的好坏和操作者的经验密不可分，对于不同的情况、不同的场合、不同操作者对光的结果会各不相同，甚至有较大差异，这在一定程度上造成了系统的误差。在有些情况下，发射光轴偏离较大，此时接收系统采集不到任何回波信号，人工手动对光过程会有一定的盲目性，人工手动对光过程会花费相当长的时间，还不一定能得到理想的结果，这样不利于实验观测，降低了激光雷达系统的工作效率。

激光雷达自动对光通常采用回波信号强度法。这种方法要先设定一个参考高度，该参考高度设定在充满区内。当激光发射光束进行一个方向的扫描时，发射光束会逐渐地从望远镜视场外进入到视场中，如果继续扫描，光束又逐渐远离望远镜光轴，在参考高度以上的回波信号会逐渐离开视场。这时接收望远镜采集到的回波信号的强度会随着发射光束指向角不断变化，变化关系近似为梯形函数。将接收到的回波信号的强度最强的位置作为这个方向激光雷达对光的最佳位置，并记录。然后以同样的方法在其正交方向上，进行扫描，以此来确定另一个方向的最佳位置。这两个位置，决定了激光束的最佳发射位置。这种方法需要在两个方向上进行扫描和迭代，耗时长，效率低。

本发明采用CCD相机对激光雷达后向散射信号成像进行自动对光，通过在计算最远点成像与视场中心的偏差，同时获得两个正交方向上的位置信息，将该偏差转换为二维步进电动的调整步数，从而控制发射调整镜的偏移位置，仅需一步即可将发射激光调节到指定位置，无迭代过程，对光效率高。

大气探测激光雷达CCD成像自动对光原理如图1所示。实对光过程中，先由激光器(1)发射激光脉冲，进过扩束镜(2)改善发散角，再通过反射镜(3)将光导给发射调整镜(4)，激光脉冲最终通过发射调整镜(4)发射到大气中去。其中发射调整镜(4)安装在二维调整架(5)上，二维调整架(5)由步进电机(6)控制。发射到大气中的激光脉冲和大气中额物质发射相互作用，其中后向散射光，由接收望远镜(7)接收，通过小孔光阑(8)限制接收视场，再经过目镜(9)变成平行光，经过分光镜(10)导入相应的大气探测通道和对光通道。其中分光镜(10)将大部分反射光，经过滤光片(11)压制背景光，再导入到PMT探测器(12)，进行大气探测。少量的透射光进入CCD相机(13)，进行后向散射的光的成像，用于自动对光。整个过程由控制计算机(14)自动完成，通过自动对光控制程序，来识别和判断调整两个正交方向的步长，调整发射调整镜(4)的二维方位，来实现激光发射光轴和接收望远镜光轴的平行，达到对光的目的，从而保证获得大气回波信号的正确性。

大气探测激光雷达CCD成像自动对光的光学原理如下。从几何光学成像分析，得出发射激光与大气散射作用之后的成像结果。望远镜可以等效为一个凸透镜，望远镜的后向散射信号的成像可以等效为近轴光学的成像。望远镜等效光学成像的示意图如图2所示。

在图2中可以看出，无穷远处的成像在透镜的中轴线上，10km和5km处的成像都会偏离中轴线，探测距离越近越靠近中轴线。所以在利用CCD探测后向散射信号成像进行激光雷达的自动对光的实验过程中，要求CCD接收到的成像距离尽可能的远。理论结果如图3所示。

图3(a)是刚刚有信号进入到望远镜接收视场的情况，此时只有一小段回波信号的成像光柱；图3(b)是对光完成时的理想情况，此时成像光柱从视场的边界点到视场的中心，视场中心的成像是无穷远处回波信号的成像；图3(c)是对光完成时继续调整发射激光，发射激光偏向望远镜视场的情况，此时成像光柱在视场中成为视场圆的一条“割线”，光柱中间部位可能会被望远镜的次镜挡光(次镜对成像挡光则发射激光在收发光轴中心连线方向上或者附近调节时出现)。

实际对光过程可以根据实际的探测信号准确性来判断是否完成对光过程。发射激光刚刚进入到接收望远镜视场时，将接收到的原始数据进行分析处理画出的廓线如图4(a)所示。回波信号太弱没有被探测器采集到，与模拟信号差别显著(模拟信号是根据激光雷达方程和大气模式得到的)，因而没有回波信号进入到接收望远镜视场。此时CCD采集到了回波信号的成像结果如图4(b)所示。图中白色“+”标示为视场的中心，视场的左下角是后向散射信号刚刚进入视场时的成像，可以看出，CCD上的成像比较微弱，只有一小段成像光柱。

对光完成时，对探测器接收到的数据进行处理分析，得到回波信号图如图5(a)所示。在大约2km以下部分信号比较强，变化趋势与模拟信号变化一致，在2km以上，由于气溶胶含量减少，回拨信号弱，信噪比较差。此时CCD采集到的图像如图5(b)所示。图中白色“+”标示为视场的中心，光柱的左下角是望远镜的视场边缘，对光完成时，探测的最远距离处的成像在视场中心。

如果继续调节，发射激光会偏向望远镜视场，此时对探测器接收到的数据进行处理分析，得到回波信号图如图6(a)所示。由于发射光束偏向望远镜视场，所以在2km以上回波信号极速衰减甚至没有信号。此时CCD采集到的回波信号的成像结果如图6(b)所示。在视场中的成像是一条“割线”，中间由于次镜的遮挡，会导致“割线”成为两段线段。

由三种情况下的回波信号的反演结果与CCD成像结果比较可以得出，对光完成时，CCD能够探测到的最远点的成像在视场的中心(与图2所示原理相一致)。当发射激光的光轴与接收望远镜中心轴不平行时，最远点成像不在视场中心。因此可以利用CCD探测到的成像位置作为对光是否完成的判断依据。

在利用CCD探测回波信号成像进行对光实验时，可以对图5(b)进行图像处理，求取图像的最远点的坐标位置和望远镜标准轴中心坐标位置，计算二者之间位置的偏差，该偏差可以转化为在坐标轴两轴上的偏移量，将偏移量转化为二维电动调整架的调节步数，仅需一次调节，按照两个方向上的调节步数，直接将发射激光调节到指定的位置，使收发光轴平行。这一过程是控制计算机自动完成的。

因而本发明采用CCD对回波信号进行成像，实现了高效、高精度的激光雷达自动对光。该方法可以有效地实现激光雷达收发光路的平行校准，不需要过多的依赖实验操作者，减少了实验人员的工作量，是激光雷达实现无人值守、连续观测的主要关键技术之一。极大地提高激光雷达的自动化程度，对于在车载、机载、星载激光雷达系统中的应用，也具有重大的意义。

应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。