[发明专利]基于几何因子判断的激光雷达视场匹配方法

说明书

本发明公开了基于几何因子判断的激光雷达视场匹配方法，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不同探测大气高度条件下的几何因子比值库，计算几何因子测量比值，再由几何因子测量比值和几何因子比值库对当前激光发射方向进行确定，进行视场锁定。本发明受天气影响较小、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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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)：344-348)。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。

发明内容

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。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：