[發明專利]一種焦點位置可調細粒子激光雷達系統及自標定方法

有效

• 申請號: 201410773030.6
• 申請日: 2014-12-14
• 公開（公告）號: CN104391291A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 劉洋;張天舒;范廣強;趙雪松;董云生;劉吉瑞
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01S7/497
• 分類號: G01S7/497
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;賈玉忠

技術領域

本發明涉及細粒子激光雷達系統中的焦點位置可調及高精度標定方法，屬于激光雷達領域。

背景技術

細粒子激光雷達可以實時對大氣氣溶膠后向散射系數、大氣消光系數、大氣顆粒物質量濃度、大氣邊界層高度等參數在線立體監測，隨著大氣污染檢測任務的加重，激光雷達在開展大氣科學、大氣氣候學以及大氣環境科學研究中發揮著越來越重要的作用。

為了減少盲區對雷達測量距離的影響，現在大多出都采用同軸式發射和接收裝置及同心的發射和接收裝置。而接收裝置中望遠系統是其重要的組成部分，接收光學系統的指標也主要是以望遠系統的指標來制定。目前的激光雷達系統的接收光學系統多采用卡塞格林望遠鏡系統，其中望遠鏡的焦平面的位置根據不同的雷達要求可置于望遠鏡主鏡的前方和后方。本專利提出一種方法，即主鏡位置可調進而達到焦點位置可以按照需求進行調解，實現儀器通用性的同時，也可通過解整主鏡方向來實現主次鏡平行即焦點位置按照要求調整到小孔光闌中心位置。此外對于目前監測大氣參數的高精密儀器細粒子激光雷達來說，測量的精度和測量高度是十分重要的。接收光學系統中的視場大小直接影響儀器的測量距離，激光雷達系統中發射光學系統中的發散小如果太小則影響近場信號的飽和及測量數值的代表性。發散角太大則直接儀器的測量高度，激光雷達的發射光學發散角大于本身接收光學系統，則視場外的信號完全不會被接收光學系統所接受，從而導致測量參數的限制。本專利提出的焦平面位置可調則直接可以改變接收光學系統的視場角，避免回波信號的損失增強測量數值的代表性。

對于高精密的測量儀器而言，自身標定的精度高低直接影響測量參數的真實性及精度。當前多采用人為的標定方法及CCD圖像進行標定，二維標定本身存在的人為誤差和不可控誤差因素比較多，因此調節精度低，自動化程度差等缺點。而目前所采用的CCD標定方法，雖然取代了人為標定，較少了人為誤差，但是由于缺少標定點而帶來的標定精度并不是很高。本專利采用更換小孔光闌并用成像CCD來進行標定，這樣不僅節省成本方法也簡單明了，同時靶標可以在CCD中成像而作為標定的標定點，我們只需要對靶圖像進行標定即可，這樣不僅提高了自身標定的精度也減少人為調試帶來的誤差。

發明內容

本發明是為了提供一種高精度細粒子激光雷達標定方法，此方法取代人為標定及無目標圖像作為參考點，精度提高的同時更消除人為操作所帶來的人為誤差。此發明也提出的接收光學系統中主鏡位置的調整來實現焦平面和焦點位置可調節的一種結構形式，并用上述標定方法實現一整套從粗調到精調的細粒子激光雷達系統的調試過程。

本發明采用的技術方案為：一種焦點位置可調細粒子激光雷達系統，包括激光器，成像CCD，控制計算機，擴束鏡，第一直角反射棱鏡，角反射器，平面反射鏡，準直鏡和第二直角反射棱鏡；其中接收光學系統包括接收系統次鏡、接收系統主體、主鏡、調節頂絲、可調小孔光闌、拉緊拉簧和主鏡固定座；主鏡固定在主鏡固定座上，主鏡的調節靠調節頂絲的前后旋進旋出來調節主鏡的前后位置及一定角度的調節，實現焦平面位置和焦點位置同時可調；6處的拉緊拉簧固定在接收光學主體及主鏡固定座上面，保證調節頂絲能夠正常的調節狀態；可調小孔光闌與接收系統主體采用細牙螺紋進行連接，按照接收光學系統要求通過前后旋轉可調小孔光闌螺母來尋找焦平面的位置，從而匹配到合適的細粒子激光雷達視場；激光器發出的激光依次經過擴束鏡、第一直角反射棱鏡、平面反射鏡、角反射器、接收光學系統、準直鏡、第二直角反射棱鏡后到達成像CCD，成像CCD連接控制計算機，控制計算機控制激光器。

本發明另外提供一種焦點位置可調細粒子激光雷達系統的自標定方法，利用上述的焦點位置可調細粒子激光雷達系統，打開激光器，激光器發出的激光經過擴束鏡擴束后再經第一直角反射棱鏡反射到接收光學系統的上方，并在接收光學系統的上方放置平面反射鏡，平面反射鏡反射后再經過角反射器，調節角反射器下方的二維轉臺，使反射的光斑能夠進入接收光學系統中。接收光學系統出射光經過準直鏡后經第二直角反射棱鏡反射到成像CCD中，成像CCD和主控計算機連接，主控計算機能夠控制激光器；具體的，成像CCD前方安裝可調二維精密轉臺的第二直角反射棱鏡，此時調節第二直角反射棱鏡下方的調解旋鈕，使接收的成像CCD中能夠找到完成的靶標圖像；記下標定尺寸的靶標刻度值a，此刻在成像CCD中所成的像應該是模糊的，這事就需要前后調整標定的靶標位置，同時觀察CCD中靶標圖像的清晰度，找到最清楚的成像點并記下此時的標定尺寸的靶標刻度值b，則前后的差值就是小孔光闌焦平面前后偏移的數值；