[发明专利]激光雷达几何重叠因子自动调整系统及调整方法

说明书

技术领域

本发明属于大气环境观测技术领域，具体涉及一种激光雷达几何重叠因子自动调整系统，本发明还涉及利用该系统进行调整的方法。

背景技术

激光雷达作为一种主动遥感探测工具已广泛用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。

在激光雷达系统中，望远镜的视场角应稍大于激光束的发散角。对于同轴激光雷达，出射激光束轴线要与望远镜轴线重合；对于非同轴激光雷达，出射激光束轴线要与望远镜轴线平行。理想情况下从地面开始回波信号就可以完全进入望远镜视场。

但是，在实际中这两条轴线之间的共轴或平行往往很难实现。另外，由于望远镜辅镜和相关机械机构等遮挡物的遮挡，在低空激光雷达往往不能完全接收回波信号，此时存在一个几何重叠区，在该重叠区内，发射激光束与望远镜的视场部分重合，随着高度的不断增加，重叠区域面积与光斑面积的比值逐渐增大，最终达到某一峰值，几何重叠因子此时也达到最大值。而在高空，由于两光轴的夹角存在，望远镜视场与激光光斑之间的距离会很快增加，这可能导致几何因子迅速衰减。因此，几何因子的存在是使激光雷达的探测范围减小的一个重要因素。

目前，人们主要采用手动调节的方式，尽量使这两条轴线同轴或平行，从而增大雷达的有效探测距离；此外，人们还采用实验、或者程序校正的方法减小几何重叠因子对低层大气的回波信号的影响。但是，这些方式都只能在一定程度上减少几何重叠因子的影响，而不能从根本上消除该问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光雷达几何重叠因子自动调整系统，解决了现有采用手动调节的方式，或者采用实验、程序校正的方法减小几何重叠因子对低层大气的回波信号的影响，效果不理想，自动化程度不高的问题。

本发明的另一目的是提供一种利用上述系统进行调整的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种激光雷达几何重叠因子自动调整系统，包括出射光路、接收光路和数据采集与控制部分，出射光路包括脉冲激光器，脉冲激光器的出射光侧依次设置有准直扩束系统、可旋转反射镜、固定反射镜；接收光路包括望远镜，望远镜的出射光侧依次设置有小孔光阑、透镜、滤光片、光电检测器件；数据采集与控制部分包括数据采集与控制系统，数据采集与控制系统的输入端设置为所述的光电检测器件，数据采集与控制系统的输出端设置有两条支路，一条支路依次设置有X轴执行机构驱动器、X轴执行机构，另一条支路上依次设置有Y轴执行机构驱动器、Y轴执行机构，X轴执行机构及Y轴执行机构的输出端设置为所述的可旋转反射镜。

本发明所采用的另一技术方案是，一种激光雷达几何重叠因子自动调整方法，采用激光雷达几何重叠因子自动调整系统，该系统的结构为：包括出射光路、接收光路和数据采集与控制部分，出射光路包括脉冲激光器，脉冲激光器的出射光侧依次设置有准直扩束系统、可旋转反射镜、固定反射镜；接收光路包括望远镜，望远镜的出射光侧依次设置有小孔光阑、透镜、滤光片、光电检测器件；数据采集与控制部分包括数据采集与控制系统，数据采集与控制系统的输入端设置为所述的光电检测器件，数据采集与控制系统的输出端设置有两条支路，一条支路依次设置有X轴执行机构驱动器、X轴执行机构，另一条支路上依次设置有Y轴执行机构驱动器、Y轴执行机构，X轴执行机构及Y轴执行机构的输出端设置为所述的可旋转反射镜，

具体按照以下步骤实施：

步骤1：脉冲激光器发出脉冲激光束，经准直扩束系统准直扩束后，依次通过可旋转反射镜、固定反射镜转向后射向大气，产生回波信号，望远镜接收回波信号，回波信号依次通过小孔光阑、透镜、滤光片，传递给光电检测器件及数据采集与控制系统；

步骤2：数据采集与控制系统根据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，得到控制信号，通过X轴执行机构驱动器及Y轴执行机构驱动器控制X轴执行机构和Y轴执行机构调节可旋转反射镜的角度，使得经过固定反射镜反射后的出射激光束轴线与望远镜轴线重合。

本发明的特点还在于，

其中的数据采集与控制系统根据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，具体按照以下步骤实施：

a.将可旋转反射镜的当前位置记为W₀，检测回波信号强度P(z)，在0到z₂距离范围内对回波信号P(z)进行积分，即求取回波信号(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积：