一种激光雷达的校准系统和方法与流程

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及拉曼雷达校准米散射激光雷达的系统和方法。

背景技术：

大气气溶胶是指悬浮于大气中的固体和液体颗粒，气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射以及地球长波辐射影响天气和气候的变化。由于自然因素和人为因素,气溶胶属性在时间和空间上都有很大的变动性,基于全球气象变化以及环境保护方面研究的需要,对气溶胶的观测包括对气溶胶垂直分布的研究需要不断加强。

激光雷达通过向大气发射激光束，利用大气中的气溶胶为媒介，进行大气遥感探测。由于激光波长较短以及脉冲宽度很窄，因而可以实现大气层内高精度高时空分辨率探测。

激光在大气介质中传输时，会产生分子和小尺度大气气溶胶粒子的瑞利(rayleigh)散射、大尺度大气气溶胶粒子的米(mie)散射、非球形粒子的退偏振(depolarization)散射、散射频率发生变化的喇曼(raman)散射以及散射强度比分子瑞利散射大好几个数量级的共振荧光(resonancefluorescence)散射等多种散射过程。

米散射是散射波长与入射波长相同的一种弹性散射过程与其他散射放式相比，米散射具有较大的散射截面，使米散射雷达回波信号通常较大，因而成为探测大气气溶胶分布的有效工具。

拉曼散射是大气分子对激光的非弹性散射，在散射过程中，大气分子和激光光子进行能量交换，使散射波长发生改变。拉曼散射与分子本身的振动，转动密切相关，不同大气分子对应着不同的拉曼散射频移，因此可以利用反射光波长区分不同的大气分子。大气中含量最多的分子为氮分子，其含量在大气中相对稳定，可以利用氮气分子的拉曼散射信号作为基准反演大气中其它分子或气溶胶的空间分布。

当一个激光脉冲发射到大气中时，在传播路径上激光脉冲被大气气溶胶粒子和云粒子散射和消光，不同高度(距离)的后向散射光的大小与此高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的散射特性有关，其后向散射光强度由激光雷达探测，通过求解激光雷达方程就可以反演相对应高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的消光系数。

米散射激光雷达的回波方程为

p(z)为接受距离z处的大气后向散射回波信号，p0为发射光功率，c为系统常数，α(z)和β(z)分别为大气消光系数和后向散射系数。

fernald方法是气溶胶消光系数反演算法中最成熟，最具代表性的一种，它的正确性已经被大量的探测和广泛的应用所证实。fernald方法将空气分子和大气气溶胶粒子的消光加以区别。激光雷达方程改写为

βa(z)和βm(z)为距离z处的大气气溶胶粒子和空气分子后向散射系数，αm(z)和αa(z)为距离z处的大气气溶胶和空气分子的消光系数。空气分子的后向散射系数和消光系数利用美国标准大气模型并通过瑞利散射理论可以得到精确值：

sa＝σa(r)/βa(r)是大气气溶胶消光后向散射比，fernald法假设其为常数，若已知某参考高度rm的气溶胶后向散射系数，则参考高度以下的气溶胶后向散射系数可通过激光雷达方程得出

大气气溶胶消光后向散射比依赖于入射的激光波长，气溶胶粒子的尺度分布和化学组成，假定其为常数则意味着假定大气气溶胶粒子的尺度和化学组成不随高度变化，因此这影响了米散射激光雷达的测量准确性。拉曼激光雷达方程为：

λl为激光出射波长，λx为经气体分子x拉曼散射后的波长，p(λx，r)为raman散射后向回波信号，p0(λl)为激光发射功率，c为与探测距离无关的系统常数，ε(r)为几何重叠因子，σx为气体x的后向散射截面，nx(r)为气体x的分子数密度，αmol(λl，r)和αmol(λx，r)为大气分子对波长λl和λx的消光系数，αaer(λl，r)和αaer(λx，r)为气溶胶对波长λl和λx的消光系数。

气溶胶对激光出射波长λl的消光系数为

由上式可知，拉曼雷达可以直接求解消光系数。

由angstorm法则，气溶胶消光系数与波长的关系为

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中米散射激光雷达的测量准确性差问题，从而提供一种以拉曼雷达提供稳定数据校准源的激光雷达校准系统。

本发明的另一目的是在于提供一种激光雷达校准方法，以提高米散射激光雷达的测量精度。

本发明提供的一种激光雷达校准系统，包括：拉曼雷达和与所述拉曼雷达通过网络连接的米散射激光雷达。

可选地，定位拉曼雷达和米散射激光雷达的位置信息，所述米散射激光雷达通过网络获取拉曼雷达位置信息，并计算其与自身的直线距离，使用距离最近的拉曼雷达数据为校准源。

可选地，定位拉曼雷达和米散射激光雷达的位置信息，所述拉曼雷达通过网络获取米散射激光雷达的位置信息，并计算其与自身的直线距离，将自身的拉曼雷达数据作为校准源发送至预设范围内的米散射激光雷达。

可选地，所述拉曼雷达设有计算模块和/或定位模块，所述米散射激光雷达设有计算模块和/或定位模块。

可选地，所述定位模块为gps，每一个gps对应一个雷达ip地址。

本发明还提供了一种激光雷达系统的校准方法，包括以下步骤：

米散射激光雷达采集数据的同时，实时获得一定范围内的拉曼雷达采集数据；

拉曼雷达波长与米散射激光雷达波长，根据angstorm法则，米散射雷达消光系数换算为：

根据米散射激光雷达方程，可直接得米散射激光雷达的后向散射系统数，米散射后向散射系数表示为：

其中，由于对流层顶气溶胶消光远小于大气分子消光，cp0可由下

式确定

在雷达稳定工作的情况下，cp0视为常数；

已知后向散射系数后，则不同高度米散射激光雷达的消光后向散射比表示为：

保存校准后的消光后向散射比。

所述米散射激光雷达在后续消光系数的计算中使用校准后的消光后向散射比，直至下一次校准。

本发明技术方案，具有如下优点：

拉曼雷达是利用空气中含量最多且稳定的氮气分子作为拉曼散射信号，并将其作为基准反演大气中其它分子或气溶胶的空间分布，其测量精度高，但成本极高，本发明将米散射激光雷达与拉曼雷达结合，使用拉曼雷达测量数据作为校准源校准若干米散射激光雷达，一方面，利用了米散射激光雷达具有较强的回波信号特点，同时又通过拉曼雷达数据的准确性和稳定性提高了米散射激光雷达的测量精度，避免了使用fernald法假设sa＝σa(r)/βa(r)为常数而认为大气气溶胶粒子的尺度和化学组成随高度是不变的，另一方面，使用拉曼雷达来校准一定范围内的米散射激光雷达，极大程度上节约了成本，提高了测量效率。拉曼雷达与米散射激光雷达接入同一网络，该网络可以是使用ip地址进行访问的互联网，也可以是局域网或其它专用网络，利用网络传输数据，实现了异体远程校准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的校准系统整体结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的激光雷达系统的校准流程图；

图3为本发明实施例二提供的激光雷达系统的校准流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明提供了一种激光雷达校准系统，参见图1所示，具体包括拉曼雷达和与拉曼雷达通过网络连接的米散射激光雷达，拉曼雷达和米散射激光雷达接入同一网络，这里的网络不限于使用ip地址进行访问的互联网，也可以是局域网或其它专用网络。拉曼雷达和米散射激光雷达均为若干个，本实施例中，设置第一拉曼雷达2、第二拉曼雷达3和第三拉曼雷达4和米散射激光雷达1，第二米散射激光雷达5，记录上述所有拉曼雷达ip地址并形成ip地址列表，拉曼雷达上装设有gps，所有拉曼雷达gps位置与其ip地址一一对应，将ip地址及gps列表存入米散射激光雷达控制电脑。

参见图2所示，拉曼雷达和米散射激光雷达同步采集数据，米散射激光雷达以一定时间间隔查询拉曼雷达gps列表，并通过计算模块计算其与自身gps位置的直线距离，查询时间间隔可以根据需要设置，本实施例设置为2小时；若在预设距离范围内存在距离最近的数据校准源，则使用其数据作为校准源进行米散射激光雷达的数据校准，若在该预设距离内不存在拉曼雷达则结束后续校准。

若在预设范围内确定拉曼雷达数据源后，米散射激光雷达控制软件通过ip地址与确定的拉曼雷达控制软件连接，米散射雷达通过数据接口获取实时拉曼雷达消光系数。若拉曼激光雷达波长与米散射激光雷达波长不一致，根据angstorm法则，米散射雷达消光系数可以换算为：

若已知米散射消光系数，根据米散射激光雷达方程，可直接求解米散激光射雷达后向散射系数。米散射后向散射系数可表示为：

由于对流层顶气溶胶消光远小于大气分子消光，则cp0可由下式确定

在雷达稳定工作的情况下，cp0可视为常数。

已知后向散射系数后，则不同高度米散射激光雷达的消光后向散射比可以表示为：

保存校准后的消光后向散射比，米散射激光雷达在后续消光系数的计算中使用校准后的消光后向散射比，直至下一次校准。

实施例2

计算模块和定位模块的设置除上述实施方式外，参见图3所示，也可以在拉曼雷达上设置计算模块和定位模块，米散射激光雷达设置定位模块，拉曼雷达和米散射激光雷达同步采集数据，拉曼雷达以每2小时间隔查询米散射激光雷达gps列表，拉曼雷达获取米散射激光雷达的位置信息，并计算其与自身的直线距离，将自身的拉曼雷达数据作为校准源发送至预设范围内的米散射激光雷达。若在预设距离范围内存在米散射激光雷达，则将其数据作为校准源发送至米散射激光雷达，若在该预设距离内不存在米散射激光雷达则结束后续校准。具体校准方法同实施例1，在此不再敖述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。