[发明专利]一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法

说明书

本发明公开了一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法，相比起之前的收发匹配系统，本发明在前人工作的基础上，提出了基于自适应累加区间、自适应步长、自适应调整方向的自动收发匹配算法来替代主观判断。因此本方案具备自动化、智能化的技术特点，可以实现快速收发匹配。

技术领域

本发明涉及中高层大气激光雷达领域，更具体地说，涉及一种自适应的激光雷达自动 收发匹配方法。

背景技术

中高层大气激光雷达是一种主动式的光学遥感探测系统，具备高时空分辨率，被广泛 地应用在临近空间各大气参数的探测。激光雷达主要由激光发射系统和信号接收系统组成， 结构示意图如图1所示，发射系统主要由激光器系统1、光束整形系统2、光束偏转系统3 组成；接收系统主要由望远镜接收系统4、选频系统5、光电转换系统6、信号采集系统7 组成。由激光器系统1产生的特定频率(波长)的高能脉冲激光束经光束整形系统2和光束偏转系统3发射到高空，特定频率的光子与中高层大气中的特定成分作用后的产生的散射信号或者荧光信号被望远镜接收系统4中的望远镜聚焦，经选频系统5抑制背景噪声后，通过光电转换系统6转换为电信号，经工作在光子计数器模式下的信号采集系统7，生成 激光雷达数据。

中高层大气激光雷达的探测区间通常在30～90km，如果发射光路发生了微小变化，就 会对探测的结果造成很大的偏差，因此对激光雷达的发射系统和接收系统的光学元件稳定 性，光轴的平行度要求比较髙。激光雷达发射系统的结构较为复杂，系统中的一些光学器 件，如分光镜、导向镜、调整架、准直镜等在实验室条件下无法避免微小的机械振动，同 时由于部分器件(望远镜接收系统4、光束偏转系统3等)必须工作在自然环境下，环境 温度的变化会造成光学性能发生微小变化，影响发射光束的方向，降低探测信号的一致性， 从而引起激光雷达的探测误差。因此激光束和望远镜视场的收发匹配状态严重影响了中高 层大气激光雷达长期业务化运行。

中高层大气激光雷达的收发匹配是使发射激光束在探测区间内完全进入接收望远镜的 视场区域(FOV)。当前中高层大气激光雷达多采用旁轴系统，使用“固定望远镜，调节激 光束角度”的设计思路，实现激光雷达的收发匹配。匹配过程原理图如图2所示，以激光光 束轴线与望远镜视场轴线之间的角度为θ，激光光束与望远镜视场之间的重合的体积为V。 当激光束以视场轴线为原点，从视场外偏转进入视场，再从视场中偏转出来时，重合体积 的变化呈梯形的平台状。在“台顶”上，重合的体积最大，是激光雷达的最优观测区域。

当前主流的科研机构和实验室大多采用人工或者简单机械方式来进行收发匹配，人工 收发匹配需要由具备较强光学专业知识和对仪器熟练操作能力的工作人员在每次开机之前， 根据示波器信号廓线，以及个人的经验调节光束偏转系统，改变发射激光束方向，实现收 发匹配。并且在激光雷达观测过程中，需要定时巡检，如果发现匹配状态变差，需要及时 进行手动调整。这个过程完全依赖操作人员的个人经验和操作技巧，不同的实验员调整后 的结果也各不相同，造成了探测结果一致性差，因此人工收发匹配主观性和盲目性较大， 耗时费力，且很难达到实验预期的效果，这将大大降低激光雷达系统的探测性能。特别当 发射激光束偏离视场较远的情况下，人工调节很可能无法完成收发匹配。当前机械收发匹 配过程通过计算机控制光束偏转系统，采用十字光束扫描法或者螺旋扫描法，遍历激光雷 达的信号场，最终在最佳位置停止。这种方式需要耗费大量的时间才能达到观测的精度， 工作效率低。因此，当前人工或者传统机械收发匹配方式既不利于激光雷达的推广，又制 约了激光雷达的自动化发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有人工或者机械收发匹配过程中既不利于激光 雷达的推广，又制约了激光雷达的自动化发展的技术缺陷，提供了一种中高层大气激光雷 达自动收发匹配方法，用于提高中高层大气激光雷达的工作效率、探测精度和稳定性。

本发明为解决其技术问题，提供了一种自适应的激光雷达自动收发匹配方法，具体包 含如下步骤：