专利名称：激光雷达几何重叠因子自动调整系统及调整方法
技术领域：
本发明属于大气环境观测技术领域，具体涉及一种激光雷达几何重叠因子自动调 整系统，本发明还涉及利用该系统进行调整的方法。
背景技术：
激光雷达作为一种主动遥感探测工具已广泛用于激光大气传输、全球气候预测、 气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。在激光雷达系统中，望远镜的视场角应稍大于激光束的发散角。对于同轴激光雷 达，出射激光束轴线要与望远镜轴线重合；对于非同轴激光雷达，出射激光束轴线要与望远 镜轴线平行。理想情况下从地面开始回波信号就可以完全进入望远镜视场。但是，在实际中这两条轴线之间的共轴或平行往往很难实现。另外，由于望远镜辅 镜和相关机械机构等遮挡物的遮挡，在低空激光雷达往往不能完全接收回波信号，此时存 在一个几何重叠区，在该重叠区内，发射激光束与望远镜的视场部分重合，随着高度的不断 增加，重叠区域面积与光斑面积的比值逐渐增大，最终达到某一峰值，几何重叠因子此时也 达到最大值。而在高空，由于两光轴的夹角存在，望远镜视场与激光光斑之间的距离会很快 增加，这可能导致几何因子迅速衰减。因此，几何因子的存在是使激光雷达的探测范围减小 的一个重要因素。目前，人们主要采用手动调节的方式，尽量使这两条轴线同轴或平行，从而增大雷 达的有效探测距离；此外，人们还采用实验、或者程序校正的方法减小几何重叠因子对低层 大气的回波信号的影响。但是，这些方式都只能在一定程度上减少几何重叠因子的影响，而 不能从根本上消除该问题。

发明内容
本发明的目的是提供一种激光雷达几何重叠因子自动调整系统，解决了现有采用 手动调节的方式，或者采用实验、程序校正的方法减小几何重叠因子对低层大气的回波信 号的影响，效果不理想，自动化程度不高的问题。本发明的另一目的是提供一种利用上述系统进行调整的方法。本发明所采用的技术方案是，一种激光雷达几何重叠因子自动调整系统，包括出 射光路、接收光路和数据采集与控制部分，出射光路包括脉冲激光器，脉冲激光器的出射光 侧依次设置有准直扩束系统、可旋转反射镜、固定反射镜；接收光路包括望远镜，望远镜的 出射光侧依次设置有小孔光阑、透镜、滤光片、光电检测器件；数据采集与控制部分包括数 据采集与控制系统，数据采集与控制系统的输入端设置为所述的光电检测器件，数据采集 与控制系统的输出端设置有两条支路，一条支路依次设置有X轴执行机构驱动器、X轴执行 机构，另一条支路上依次设置有Y轴执行机构驱动器、Y轴执行机构，X轴执行机构及Y轴执 行机构的输出端设置为所述的可旋转反射镜。本发明所采用的另一技术方案是，一种激光雷达几何重叠因子自动调整方法，采用激光雷达几何重叠因子自动调整系统，该系统的结构为包括出射光路、接收光路和数据 采集与控制部分，出射光路包括脉冲激光器，脉冲激光器的出射光侧依次设置有准直扩束 系统、可旋转反射镜、固定反射镜；接收光路包括望远镜，望远镜的出射光侧依次设置有小 孔光阑、透镜、滤光片、光电检测器件；数据采集与控制部分包括数据采集与控制系统，数据 采集与控制系统的输入端设置为所述的光电检测器件，数据采集与控制系统的输出端设置 有两条支路，一条支路依次设置有X轴执行机构驱动器、X轴执行机构，另一条支路上依次 设置有Y轴执行机构驱动器、Y轴执行机构，X轴执行机构及Y轴执行机构的输出端设置为 所述的可旋转反射镜，具体按照以下步骤实施步骤1 脉冲激光器发出脉冲激光束，经准直扩束系统准直扩束后，依次通过可旋 转反射镜、固定反射镜转向后射向大气，产生回波信号，望远镜接收回波信号，回波信号依 次通过小孔光阑、透镜、滤光片，传递给光电检测器件及数据采集与控制系统；步骤2 数据采集与控制系统根据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，得 到控制信号，通过X轴执行机构驱动器及Y轴执行机构驱动器控制X轴执行机构和Y轴执 行机构调节可旋转反射镜的角度，使得经过固定反射镜反射后的出射激光束轴线与望远镜 轴线重合。本发明的特点还在于，其中的数据采集与控制系统根据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，具体 按照以下步骤实施a.将可旋转反射镜的当前位置记为Wtl，检测回波信号强度P(Z)，在0到Z2距离范 围内对回波信号P(Z)进行积分，即求取回波信号(Z)与时间轴从O到Z2所包围的面积
权利要求
一种激光雷达几何重叠因子自动调整系统，其特征在于，包括出射光路、接收光路和数据采集与控制部分，出射光路包括脉冲激光器(1)，脉冲激光器(1)的出射光侧依次设置有准直扩束系统(2)、可旋转反射镜(3)、固定反射镜(4)；接收光路包括望远镜(5)，望远镜(5)的出射光侧依次设置有小孔光阑(6)、透镜(7)、滤光片(8)、光电检测器件(9)；数据采集与控制部分包括数据采集与控制系统(10)，数据采集与控制系统(10)的输入端设置为所述的光电检测器件(9)，数据采集与控制系统(10)的输出端设置有两条支路，一条支路依次设置有X轴执行机构驱动器(11)、X轴执行机构(12)，另一条支路上依次设置有Y轴执行机构驱动器(13)、Y轴执行机构(14)，X轴执行机构(12)及Y轴执行机构(14)的输出端设置为所述的可旋转反射镜(3)。
2.一种激光雷达几何重叠因子自动调整方法，其特征在于，采用激光雷达几何重叠因 子自动调整系统，该系统的结构为包括出射光路、接收光路和数据采集与控制部分，出射 光路包括脉冲激光器(1)，脉冲激光器(1)的出射光侧依次设置有准直扩束系统(2)、可旋 转反射镜(3)、固定反射镜(4)；接收光路包括望远镜(5)，望远镜(5)的出射光侧依次设置 有小孔光阑(6)、透镜(7)、滤光片(8)、光电检测器件(9)；数据采集与控制部分包括数据采 集与控制系统(10)，数据采集与控制系统(10)的输入端设置为所述的光电检测器件(9)， 数据采集与控制系统(10)的输出端设置有两条支路，一条支路依次设置有X轴执行机构驱 动器(11)、X轴执行机构(12)，另一条支路上依次设置有Y轴执行机构驱动器(13)、Y轴执 行机构(14)，X轴执行机构(12)及Y轴执行机构(14)的输出端设置为所述的可旋转反射 镜⑶，具体按照以下步骤实施步骤1 脉冲激光器(1)发出脉冲激光束，经准直扩束系统(2)准直扩束后，依次通过 可旋转反射镜(3)、固定反射镜(4)转向后射向大气，产生回波信号，望远镜(5)接收回波信 号，回波信号依次通过小孔光阑(6)、透镜(7)、滤光片(8)，传递给光电检测器件(9)及数据 采集与控制系统(10)；步骤2 数据采集与控制系统(10)根据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，得 到控制信号，通过X轴执行机构驱动器(11)及Y轴执行机构驱动器(13)控制X轴执行机 构(12)和Y轴执行机构(14)调节可旋转反射镜(3)的角度，使得经过固定反射镜(4)反 射后的出射激光束轴线与望远镜(5)轴线重合。
3.根据权利要求2所述的调整方法，其特征在于，所述的数据采集与控制系统(10)根 据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，具体按照以下步骤实施a.将可旋转反射镜(3)的当前位置记为Wtl，检测回波信号强度P(Z)，在0到Z2距离范 围内对回波信号P(Z)进行积分，即求取回波信号P(Z)与时间轴从0到Z2所包围的面积C= J[2P(z)ife,式中，Z2 SP(Z)在一定误差范围内接近P(⑴)的距离，记为Cci;b.将可旋转反射镜(3)向负方向旋转，检测回波信号强度P(Z)，在0到Z2距离范围内 对回波信号P(Z)进行积分，即求取回波信号P(Z)与时间轴从0到Z2所包围的面积C= ^2 P(z)dz,式中，Z2为P(Z)在一定误差范围内接近P (-)的距离，记为C1,当前位置记为W1 ；c.将可旋转反射镜(3)向正方向旋转，检测回波信号强度P(Z)，在0到Z2距离范围内 对回波信号P(Z)进行积分，即求取回波信号P(Z)与时间轴从O到Z2所包围的面积C= j^P(z)dz,式中，Z2为P(Z)在一定误差范围内接近P (-)的距离，记为C2,当前位置记为W2 ；d.比较等价判据值CpC1以及C2的大小，判断Wtl是否处于最佳位置当C1, C2的值均 小于Ctl时，表明此时Wtl处于最佳位置，将可旋转反射镜(3)重新调回到Wtl，调节结束；当C1, C2的值均不小于Ctl时，表明此时Wtl不处于最佳位 置，根据C1以及C2的大小，控制X轴执行机构(12)或Y轴执行机构(14)将可旋转反射镜 (3)旋转到上述W1或W2位置；e.将当前位置记为，检测大气回波信号强度P(Z)，在0到Z2距离范围内对回波信 号P(Z)进行积分，即求取回波信号P(Z)与时间轴从O到Z2所包围的面积C= ￡p(z)dz,式中，Z2 SP(Z)在一定误差范围内接近P(⑴)的距离，记为CTtl;f.相对于当前位置向正方向或负方向旋转θ角度，检测大气回波信号强度P(Z)，在0 到Z2距离范围内对回波信号P (Z)进行积分，即求取回波信号P (Z)与时间轴从0到Z2所包 围的面积C= [2P(z)dz,式中，Z2为P (Z)在一定误差范围内接近P (⑴)的距离，记为CT 此时位置记为，旋 转角度值为上次调节角度值的1. 618倍；此次调节后，如果等价判据值CT1 > CT^，则返回步 骤e继续执行；如果等价判据值CT1 < CT ^，则进入步骤g继续执行；g.重新将可旋转反射镜(3)调回到Wtl位置，返回步骤a执行。
4.根据权利要求2所述的调整方法，其特征在于，所述的数据采集与控制系统(10)根 据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，具体按照以下步骤实施a.将可旋转反射镜(3)的当前位置记为Wtl，检测回波信号强度P(Z)，定义距离平方校 正信号如下S(z) = P(z)z2，等价判据定义如下 C= J[2S(z)ife,式中，Z2 SP(Z)在一定误差范围内接近P(⑴)的距离，记为Cci;b.将可旋转反射镜(3)向负方向旋转，检测回波信号强度P(z)，定义距离平方校正信 号如下S(z) = P(z)z2，等价判据定义如下C= [2S(z)dz,式中，Z2为P(Z)在一定误差范围内接近P (-)的距离，记为C1,当前位置记为W1 ；c.将可旋转反射镜(3)向正方向旋转，检测回波信号强度P(z)，定义距离平方校正信 号如下S(z) = P(z)z2，等价判据定义如下 C= J[2 S{z)dz,式中，ζ2为Ρ(ζ)在一定误差范围内接近P (-)的距离，记为C2,当前位置记为W2 ；d.比较等价判据值Q、C1以及C2的大小，判断Wtl是否处于最佳位置当C1,C2的值均 小于Ctl时，表明此时Wtl处于最佳位置，将可旋转反射镜(3)重新调回到Wtl，调节结束；当C” C2的值均不小于Ctl时，表明此时Wtl不处于最佳位置，根据C1以及C2的大小，控制X轴执行 机构(12)或Y轴执行机构(14)将可旋转反射镜(3)旋转到上述W1或W2位置；e.将当前位置记为1\，检测大气回波信号强度P(Z)，定义距离平方校正信号如下S(z) = P(z)z2，等价判据定义如下C= ^S(z)dz,式中，Z2 SP(Z)在一定误差范围内接近P(⑴)的距离，记为CTtl;f.相对于当前位置向正方向或负方向旋转θ角度，检测大气回波信号强度P(Z)，定义 距离平方校正信号如下S(z) = P(Z)Z2,等价判据定义如下C= ￡s(z)dz,式中，Z2为P (Z)在一定误差范围内接近P (⑴)的距离，记为CT 此时位置记为，旋 转角度值为上次调节角度值的1. 618倍；此次调节后，如果等价判据值CT1 > CT^，则返回步 骤e继续执行；如果等价判据值CT1 < CT ^，则进入步骤g继续执行；g.重新将可旋转反射镜(3)调回到WcT位置，返回步骤a执行。
5.根据权利要求2所述的调整方法，其特征在于，所述的数据采集与控制系统(10)根 据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，具体按照以下步骤实施a.将可旋转反射镜(3)的当前位置记为Wtl，检测回波信号强度P(Z)，寻找到强度最大 值Pmax ；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(Z)/Pmax(ζ)；然后，以 距离ζ2作为权值，对归一化值P(z)/Pmax进行积分，即采取以下判据C: C2型办max式中，Z2 SP(Z)在一定误差范围内接近P(⑴)的距离，记为Cci;b.将可旋转反射镜(3)向负方向旋转，检测回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值 Pfflax ；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(Z)/Pmax(Z)；然后，以距 离Z2作为权值，对归一化值P(Z)/Pmax进行积分，即采取以下判据C= t ^ckJb P9max式中，Z2为P(Z)在一定误差范围内接近P (-)的距离，记为C1,当前位置记为W1 ；c.将可旋转反射镜(3)向正方向旋转，检测回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值Pfflax ；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(Z)/Pmax (ζ)；然后，以距 离Z2作为权值，对归一化值P (z)/Pmax进行积分，即采取以下判据
全文摘要
本发明公开的一种激光雷达几何重叠因子自动调整系统，包括出射光路、接收光路和数据采集与控制部分，调整方法为脉冲激光器发出脉冲激光束，经准直扩束系统准直扩束后，通过可旋转反射镜、固定反射镜转向后射向大气，产生回波信号，望远镜接收回波信号，回波信号依次通过小孔光阑、透镜、滤光片，传递给光电检测器件及数据采集与控制系统；根据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，得到控制信号，控制X轴执行机构和Y轴执行机构调节可旋转反射镜的角度，使得经过固定反射镜反射后的出射激光束轴线与望远镜轴线重合。本发明调整系统及调整方法可以自动调节出射激光束的角度，减小几何因子对大气回波信号的影响，增大激光雷达的有效探测范围。
文档编号G01S17/95GK101963665SQ20101026023
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月23日 优先权日2010年8月23日
发明者华灯鑫, 周智荣, 宋跃辉, 毛建东, 王鸣 申请人:西安理工大学