基于几何因子判断的激光雷达视场匹配方法与流程

1.本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及基于几何因子判断的激光雷达视场匹配方法。


背景技术：

2.激光雷达作为一种主动遥感技术，已成为大气探测的重要手段。激光雷达采用后向散射的原理进行遥感探测，接收激光与大气相互作用后的回波信号，根据不同探测机制(米散射、瑞利散射、拉曼散射、吸收、共振等)对大气分子的密度、温度、风场和浓度含量等参数进行测量。
3.随着激光雷达技术的不断发展，应用各种探测机制的激光雷达种类繁多，对于不同的应用，系统结构各异，但激光雷达的基本结构仍可分为发射系统、接收系统控制与采集三大部分。涉及多个学科和领域，包括精密机械、光电探测、弱信号检测以及软件算法等。要使这样一个复杂系统稳定高效的运行，并保证所采集的数据长期稳定可靠，关联到激光雷达系统各个单元的控制部分就显得尤为重要。激光雷达是一种高精密的光学探测系统，激光发射和信号接收对于系统稳定性、光束质量、平行度等有较高的要求，如果光路发生偏移，探测结果则会有较大误差甚至导致探测数据无效。引起这种偏移的原因主要分为两类，第一种光源输出光路不稳定，通常由于激光器本身工作状态的变化引起；第二种为收发光路上经过的各个光学元件不稳定产生的光路偏移，并且工作环境的变化也会引起光路产生偏差。为了保证激光雷达探测结果的可靠，通常在观测前需要对发射和接收光路进行准直，即视场调节。
4.一般最直接的调节方式则是人工调节，由具有专业知识和仪器操作经验的操作人员根据个人经验进行判断调节视场，而操作人员的不同则会有不同的调节效果，并且难以进行定量的判断，从而引起系统误差。
5.因此，为了避免由人的判断引起的误差和不确定因素，研究人员提出了一种通过回波信号强度来判断视场调节状态的方法(刘小勤，吴毅，胡顺星等，激光
6.雷达光束自动准直系统设计与实现，中国激光，vol.36，no.9,2009；liu b，fan y，chang m y.methods for optical adjustment in lidarsystems[j].appl.opt.,44(8):1480
‑
1484)。用此种方法进行激光雷达准直过程中，需要设定一个参考高度z0，并且在此高度上望远镜视场大于激光发散区域。扫描时，发射光束首先进入望远镜视场，之后逐渐重合，继续扫描时再逐渐离开视场。在这个过程中，接收望远镜收到的回波信号强度与发射光束角度满足梯形函数关系，调节发射激光角度使回波信号强度在梯形曲线上边的中心位置，即可实现强度最大，完成自动准直。上述判断方法依赖回波信号强度，受大气状态影响较大；在实际扫描过程中回波信号强度并非标准梯形函数，不易准确判断。另外，在往复扫描过程中电机的回差也会引起调整误差，并且用时较长。
[0007]
除根据回波信号强度判断发射激光方向以外，通过发射光束的光斑位置进行调节也是激光雷达自动准直的一种方案(谭锟，邵石生.一种车载激光雷达自动准直系统.大气
与环境光学学报，2008，3(5)：344
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348)。此方案中，在接收端用成像探测器件获取接收光斑位置，根据准直情况预先设定光斑的标准位置判断发射激光方向，实现自动准直。利用光斑准直的方法不受大气状态影响，有较好的调整精度，但需要增加额外的接收光路的探测装置，对于多个发射光束的应用场合使用不便。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供基于几何因子判断的激光雷达视场匹配方法，本发明利用了完整探测回波信号进行视场判断和匹配，受天气影响较小、可快速自动完成视场匹配，并且在硬件上无需增加额外设备和器件，对于多个发射光束的应用也有较好的兼容性。
[0009]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010]
基于几何因子判断的激光雷达视场匹配方法，包括以下步骤：
[0011]
步骤1、根据入射大气的激光的激光发射方向与接收望远镜的接收视场计算各个入射大气的激光的激光发射方向在各个探测大气高度的对应几何因子，计算同一探测大气高度下的不同发射激光方向之间几何因子比值，建立不同探测大气高度条件下的几何因子比值库；
[0012]
步骤2、发射激光至大气中，通过接收望远镜和光电探测器进行探测采集，得到激光的回波信号；
[0013]
步骤3、调节激光发射方向，继续采集回波信号，获得激光发射方向变化后对应的回波信号；
[0014]
步骤4、计算设定探测大气高度下的激光发射方向变化后的回波信号相对于变化前的回波信号的比值，作为几何因子测量比值；
[0015]
步骤5、将步骤1的几何因子比值库中满足步骤4的几何因子测量比值的激光发射方向的组合建立第一激光发射方向变化集合，将第一激光发射方向变化集合中的对应变化后的激光发射方向组成第一集合；
[0016]
步骤6、对第一集合中的激光发射方向进行判断，如果第一集合中的激光发射方向之间夹角的最大值小于或等于设定角度阈值，则对第一集合中的激光发射方向取平均，得到的激光发射方向均值即为当前激光发射方向，进入步骤9；如果第一集合中的激光发射方向之间夹角的最大值大于阈值，则认为变化后的激光发射方向较为分散，不能确定当前激光发射方向，进入步骤7；
[0017]
步骤7、重复步骤3
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5，获得变化前的激光发射方向和变化后的激光发射方向构成的第二激光发射方向变化集合，将第二激光发射方向变化集合中的对应变化前的激光发射方向组成第二集合，对第一集合与第二集合取交集为第三集合，将第三集合在第二激光发射方向变化集合中对应的变化后的激光发射方向组成第四集合；
[0018]
步骤8、将第四集合赋值给第一集合，如果第一集合中各激光发射方向之间夹角的最大值小于或等于阈值，则对第一集合中各激光发射方向取平均，得到的激光发射均值即为当前激光发射方向，完成激光发射方向定位，进入步骤9；如果第一集合中各激光发射方向之间夹角的最大值大于设定角度阈值，则进入步骤7；
[0019]
步骤9、确定当前激光发射方向后，通过计算机调节二维调节架，进而调节入射大
气的激光的激光发射方向在设定探测大气高度下进入接收望远镜的接收视场中心位置。
[0020]
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0021]
本发明采用基于几何因子进行当前激光发射方向的定位，利用完整激光雷达回波信号进行匹配，受天气影响较小，无需进行多次往复扫描，可自动确定视场中心位置，匹配准确快速。
附图说明
[0022]
图1为本发明利用的激光雷达视场匹配装置的结构示意图。
[0023]
图中：1
‑
视场重叠区；2
‑
激光发射区域；3
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扩束镜；4
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二维调节架；5
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计算机；6
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接收望远镜；7
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接收望远镜焦面；8
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光电探测器；9
‑
接收视场。
具体实施方式
[0024]
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]
如图1所示，激光发射光束与接收望远镜间有一定距离，激光发射光束发射一段距离后开始进入接收望远镜视场，随着高度增加重叠区域逐渐增大，最终完全进入接收望远镜视场。在接收望远镜焦面上放置光电探测器，接收探测回波信号。激光雷达的几何因子表示了发射激光光束与接收望远镜视场的重合程度，几何因子的大小随高度变化，发射激光进入接收望远镜视场前几何因子为0，完全进入接收望远镜视场后几何因子为1，几何因子不同时，回波信号强度也有相应变化。在探测过程中，需要发射激光完全进入接收望远镜视场，即几何因子为1的状态，来获得最佳信号；本发明根据发射激光处于接收视场的不同位置，利用完整回波信号得到几何因子随高度变化的曲线，计算出所选探测高度范围内的几何因子，再由几何因子计算发射激光在望远镜接收视场中的位置，通过计算机反馈调节二维调节架，实现自动视场锁定。
[0026]
本发明利用的激光雷达视场匹配装置包括扩束镜、二维调节架、光电探测器、接收望远镜和计算机。出射激光经过扩束镜扩束后入射二维调节架，扩束后的激光经过二维调节架调节反射角度之后，形成对应激光发射方向的入射大气的激光，光电探测器位于接收望远镜的接收焦面上。计算机用于接收光电探测器探测的回波信号，还用于控制二维调节架的偏转角度，进而控制二维调节架对扩束后的激光的反射角度。光电探测器、接收望远镜、计算机构成激光雷达接收系统。
[0027]
基于几何因子判断的激光雷达视场匹配方法，包括以下步骤：
[0028]
步骤1、首先根据入射大气的激光的激光发射方向与接收望远镜的接收视场计算各个入射大气的激光的激光发射方向在各个探测大气高度的对应几何因子，几何因子与探测大气高度、发射激光到达对应探测大气高度时的位置相关，将同一探测大气高度下的不同发射激光方向之间几何因子比值计算出来，建立不同探测大气高度条件下的几何因子比值库；
[0029]
步骤2、发射激光至大气中，通过接收望远镜和光电探测器进行探测采集，得到激光的回波信号，即不同探测大气高度的回波信号强度；
[0030]
步骤3、调节激光发射方向，继续采集回波信号，获得激光发射方向变化后对应的回波信号；
[0031]
步骤4、计算设定探测大气高度下的激光发射方向变化后的回波信号相对于变化前的回波信号的比值，作为几何因子测量比值；
[0032]
步骤5、将步骤1的几何因子比值库中满足步骤4的几何因子测量比值的激光发射方向的组合建立第一激光发射方向变化集合，将第一激光发射方向变化集合中的对应变化后的激光发射方向组成第一集合；
[0033]
步骤6、对第一集合中的激光发射方向进行判断，如果第一集合中的激光发射方向之间夹角的最大值小于或等于设定角度阈值，则对第一集合中的激光发射方向取平均，得到的激光发射方向均值即为当前激光发射方向，完成激光发射方向定位，即获得当前激光发射方向，进入步骤9；如果第一集合中的激光发射方向之间夹角的最大值大于阈值，则认为变化后的激光发射方向较为分散，不能确定当前激光发射方向，进入步骤7；
[0034]
步骤7、重复步骤3
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5，获得变化前的激光发射方向和变化后的激光发射方向构成的第二激光发射方向变化集合，将第二激光发射方向变化集合中的对应变化前的激光发射方向组成第二集合。对第一集合与第二集合取交集为第三集合，第三集合内的激光发射方向即为第二次方向调节过程中变化前的激光发射方向。将第三集合在第二激光发射方向变化集合对应的变化后的激光发射方向组成第四集合；
[0035]
步骤8、将第四集合赋值给第一集合。如果第一集合中各激光发射方向之间夹角的最大值小于或等于阈值，则对第一集合中各激光发射方向取平均，得到的激光发射均值即为当前激光发射方向，完成激光发射方向定位，即获得当前激光发射方向，进入步骤9；如果第一集合中各激光发射方向之间夹角的最大值大于设定角度阈值，则认为变化后的激光发射方向较为分散，不能确定当前发射方向定位，进入步骤7；
[0036]
步骤9、完成激光发射方向定位后，通过计算机调节二维调节架，进而调节入射大气的激光的激光发射方向在设定探测大气高度下进入接收望远镜的接收视场中心位置，完成视场匹配。
[0037]
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。