[發(fā)明專利]基于幾何因子判斷的激光雷達(dá)視場匹配方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011406060.5
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112558108B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林鑫;楊勇;季凱俊;閆文兵;陳振威;王積勤;劉林美;程學(xué)武;李發(fā)泉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01S7/48
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務(wù)所(普通合伙) 42001
• 代理人: 李鵬;王敏鋒

本發(fā)明公開了基于幾何因子判斷的激光雷達(dá)視場匹配方法，根據(jù)發(fā)射激光處于接收視場的不同位置，利用完整回波信號得到不同探測大氣高度條件下的幾何因子比值庫，計算幾何因子測量比值，再由幾何因子測量比值和幾何因子比值庫對當(dāng)前激光發(fā)射方向進(jìn)行確定，進(jìn)行視場鎖定。本發(fā)明受天氣影響較小、可快速自動完成視場匹配，并且在硬件上無需增加額外設(shè)備和器件，對于多個發(fā)射光束的應(yīng)用也有較好的兼容性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于幾何因子判斷的激光雷達(dá)視場匹配方法。

背景技術(shù)

激光雷達(dá)作為一種主動遙感技術(shù)，已成為大氣探測的重要手段。激光雷達(dá)采用后向散射的原理進(jìn)行遙感探測，接收激光與大氣相互作用后的回波信號，根據(jù)不同探測機(jī)制(米散射、瑞利散射、拉曼散射、吸收、共振等)對大氣分子的密度、溫度、風(fēng)場和濃度含量等參數(shù)進(jìn)行測量。

隨著激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用各種探測機(jī)制的激光雷達(dá)種類繁多，對于不同的應(yīng)用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異，但激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)仍可分為發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)控制與采集三大部分。涉及多個學(xué)科和領(lǐng)域，包括精密機(jī)械、光電探測、弱信號檢測以及軟件算法等。要使這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運(yùn)行，并保證所采集的數(shù)據(jù)長期穩(wěn)定可靠，關(guān)聯(lián)到激光雷達(dá)系統(tǒng)各個單元的控制部分就顯得尤為重要。激光雷達(dá)是一種高精密的光學(xué)探測系統(tǒng)，激光發(fā)射和信號接收對于系統(tǒng)穩(wěn)定性、光束質(zhì)量、平行度等有較高的要求，如果光路發(fā)生偏移，探測結(jié)果則會有較大誤差甚至導(dǎo)致探測數(shù)據(jù)無效。引起這種偏移的原因主要分為兩類，第一種光源輸出光路不穩(wěn)定，通常由于激光器本身工作狀態(tài)的變化引起；第二種為收發(fā)光路上經(jīng)過的各個光學(xué)元件不穩(wěn)定產(chǎn)生的光路偏移，并且工作環(huán)境的變化也會引起光路產(chǎn)生偏差。為了保證激光雷達(dá)探測結(jié)果的可靠，通常在觀測前需要對發(fā)射和接收光路進(jìn)行準(zhǔn)直，即視場調(diào)節(jié)。

一般最直接的調(diào)節(jié)方式則是人工調(diào)節(jié)，由具有專業(yè)知識和儀器操作經(jīng)驗的操作人員根據(jù)個人經(jīng)驗進(jìn)行判斷調(diào)節(jié)視場，而操作人員的不同則會有不同的調(diào)節(jié)效果，并且難以進(jìn)行定量的判斷，從而引起系統(tǒng)誤差。

因此，為了避免由人的判斷引起的誤差和不確定因素，研究人員提出了一種通過回波信號強(qiáng)度來判斷視場調(diào)節(jié)狀態(tài)的方法(劉小勤，吳毅，胡順星等，激光

雷達(dá)光束自動準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，中國激光，Vol.36，No.9,2009；Liu B，F(xiàn)an Y，Chang M Y.Methods for optical adjustment in lidarsystems[J].Appl.Opt.,44(8):1480-1484)。用此種方法進(jìn)行激光雷達(dá)準(zhǔn)直過程中，需要設(shè)定一個參考高度Z₀，并且在此高度上望遠(yuǎn)鏡視場大于激光發(fā)散區(qū)域。掃描時，發(fā)射光束首先進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡視場，之后逐漸重合，繼續(xù)掃描時再逐漸離開視場。在這個過程中，接收望遠(yuǎn)鏡收到的回波信號強(qiáng)度與發(fā)射光束角度滿足梯形函數(shù)關(guān)系，調(diào)節(jié)發(fā)射激光角度使回波信號強(qiáng)度在梯形曲線上邊的中心位置，即可實現(xiàn)強(qiáng)度最大，完成自動準(zhǔn)直。上述判斷方法依賴回波信號強(qiáng)度，受大氣狀態(tài)影響較大；在實際掃描過程中回波信號強(qiáng)度并非標(biāo)準(zhǔn)梯形函數(shù)，不易準(zhǔn)確判斷。另外，在往復(fù)掃描過程中電機(jī)的回差也會引起調(diào)整誤差，并且用時較長。

除根據(jù)回波信號強(qiáng)度判斷發(fā)射激光方向以外，通過發(fā)射光束的光斑位置進(jìn)行調(diào)節(jié)也是激光雷達(dá)自動準(zhǔn)直的一種方案(譚錕，邵石生.一種車載激光雷達(dá)自動準(zhǔn)直系統(tǒng).大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報，2008，3(5)：344-348)。此方案中，在接收端用成像探測器件獲取接收光斑位置，根據(jù)準(zhǔn)直情況預(yù)先設(shè)定光斑的標(biāo)準(zhǔn)位置判斷發(fā)射激光方向，實現(xiàn)自動準(zhǔn)直。利用光斑準(zhǔn)直的方法不受大氣狀態(tài)影響，有較好的調(diào)整精度，但需要增加額外的接收光路的探測裝置，對于多個發(fā)射光束的應(yīng)用場合使用不便。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供基于幾何因子判斷的激光雷達(dá)視場匹配方法，本發(fā)明利用了完整探測回波信號進(jìn)行視場判斷和匹配，受天氣影響較小、可快速自動完成視場匹配，并且在硬件上無需增加額外設(shè)備和器件，對于多個發(fā)射光束的應(yīng)用也有較好的兼容性。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：