[發明專利]基于CCD成像技術的側向激光雷達測量氣溶膠參數的方法

有效

• 申請號: 201310299334.9
• 申請日: 2013-07-16
• 公開（公告）號: CN103344611A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 陶宗明;麻曉敏;陳向春;張清澤;陳宇;儲德林
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍軍官學院
• 主分類號: G01N21/49
• 分類號: G01N21/49
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 任崗生

技術領域

本發明涉及一種激光雷達測量氣溶膠參數的方法，尤其是一種基于CCD成像技術的側向激光雷達測量氣溶膠參數的方法。

背景技術

CCD成像側向激光雷達是國際上正在研究的一種新技術，它是將發射裝置與接收裝置分兩處放置，用CCD相機中不同像素上的信號強度記錄發射光束上不同距離處的側向散射光強度。CCD相機到發射光束的垂直距離一般在5～200m，CCD相機的張角可達成90度。這樣，CCD相機可探測到的光束范圍可從0到5km。

這一原理及裝置與普通激光雷達——后向散射激光雷達是不同的。普通激光雷達接收的是后向散射光，而CCD成像側向激光雷達接收的是側向散射光且側向角度隨距離而變化；普通激光雷達用望遠鏡來接收后向散射光，而CCD成像側向激光雷達是用CCD相機接收側向散射光。它避免了后向散射激光雷達中幾何因子的影響，同時由于使用的是側向技術，其空間分辨率在近距離段很高，在結構上又簡單得多。這些優點很適合用來探測近地層的大氣氣溶膠空間分布。

目前，這一新技術在國內外還處于研究之中，主要存在兩個技術難點：一是如何準確確定CCD中像素與發射光束的對應關系；二是探索合適的側向激光雷達的反演方法。為此，人們做出了不懈的努力，如中國發明專利申請CN103149560A于2013年6月12日公布的本申請人的一種“CCD成像側向激光雷達的標定方法”。該發明專利申請文獻中公開的標定方法為先依次使用CCD相機獲取定標表格的CCD圖像，由定標表格的CCD圖像中表格的編號和該表格中與表格編號增量同一維像素的編號計算出各像素的偏角和角寬度，再將CCD相機置于激光雷達發射光束的側近處之后，采用三點定位法確定CCD相機與激光雷達發射光束的垂直距離，將各像素的偏角、角寬度和CCD相機與激光雷達發射光束的垂直距離代入側向激光雷達方程之中，由其反演計算出大氣參數。它雖然很好地解決了如何準確確定CCD中像素與發射光束的對應關系的難題，卻未能有效地探索出合適的側向激光雷達的反演方法。

發明內容

本發明要解決的技術問題為克服現有技術中的缺憾之處，提供一種合理、可行、與實際相符的基于CCD成像技術的側向激光雷達測量氣溶膠參數的方法。

為解決本發明的技術問題，所采用的技術方案為：基于CCD成像技術的側向激光雷達測量氣溶膠參數的方法包括CCD相機的標定和利用CCD成像技術獲取激光在大氣中的散射光信號，特別是主要組成步驟為：

步驟1，先將CCD側向激光雷達工作在大氣較均勻時間段內的水平方向上，選定散射角為179～180度處為參考點的氣溶膠比相函數值和大氣分子比相函數值皆為1，再測得參考點上的氣溶膠后向散射系數值，并認定此值與水平方向上各散射角處的氣溶膠后向散射系數值皆相等，之后，

步驟1.1，將參考點上的氣溶膠后向散射系數值和氣溶膠比相函數值與CCD相機各像素的偏角θ、角寬度dθ、CCD相機和激光雷達發射光束的垂直距離D一起代入側向激光雷達方程式中，方程中的P(θ)為θ偏角方向上對應像素接收到的信號強度，P₀為激光雷達發射光束的功率，K為接收系統的光學透過率，A為光學系統的有效面積，T_i、T_r分別為激光豎直方向和斜方向上的透過率，β(θ)為氣溶膠側向散射系數，其由β(θ)=β₁(θ)f₁(θ)+β₂(θ)f₂(θ)構成，式中的β₁(θ)為氣溶膠后向散射系數、β₂(θ)為大氣分子后向散射系數、f₁(θ)為氣溶膠比相函數、f₂(θ)為大氣分子比相函數，按以下方法反演計算出參考點相鄰點上的氣溶膠比相函數值，

設參考點散射角為θ_c，氣溶膠后向散射系數為β₁(θ_c)，大氣的光學厚度為τ_c，取常數則帶衰減的側向激光雷達信號β′(θ)定義為