[发明专利]一种天文定位的激光雷达的视场匹配装置及方法

说明书

本发明公开了提供一种天文定位的激光雷达的视场匹配装置，包括计算机，还包括驱动器、角度调节架、激光器、反射镜、接收望远镜、分光镜、CCD相机、接收光纤和信号检测系统，还公开了一种天文定位的激光雷达的视场匹配方法，本发明通过激光光束方位的监测和调整，有利于提高激光雷达的数据反演精度，有效提高激光雷达数据连贯性，可适用于同轴或者离轴激光雷达系统，为激光雷达精准调节提供有效方案。

技术领域

本发明涉及激光雷达自动化控制领域，具体涉及一种天文定位的激光雷达的视场匹配装置，还涉及一种天文定位的激光雷达的视场匹配方法，用于大气探测激光雷达和星图精确定位。

背景技术

激光具有单色性好、亮度高、指向性优良等特点，利用激光和大气相互作用形成的激光雷达，具有很高的空间时间分辨能力、高探测灵敏度、可辨别被探测物种等优点，被广泛应用于大气探测领域。大气探测激光雷达系统分为激光发射系统、望远镜接收系统、信号检测系统三部分组成。根据激光光轴与接收望远镜系统光轴是否重合可以将大气激光雷达系统分为同轴和离轴两类(刘巧君等，基于激光器输出模式的离轴激光雷达重叠因子计算及近场信号校正，物理学报，2009,58(10):7376～7381)。大气探测激光雷达在工作时，由于激光光束的发散角和望远镜的接收视场角都非常小，通常在毫弧度量级(1mrad＝1/17°)，要想实现发射端激光光束与望远镜接收视场的收发匹配，只有激光束完全进入望远镜接收视场也即收发匹配几何重叠因子为1时才算完全匹配，因此其收发匹配技术难度很高，否则激光雷达就不能全部接收由发射激光束激发的大气回波光信号(张改霞等，激光雷达几何重叠因子及其对气溶胶探测的影响,量子电子学报,2005,22(2):299～304；王威等，基于激光强度分布的激光雷达重叠因子计算及其敏感性分析，光学学报，2014,43(2):02280051-7)，导致信号处理和反演结果出现偏差。另一方面，在激光雷达长期工作时，由于昼夜(以及冬夏)环境温度变化、激光模式细微变化、地面微小震动引起位移等因素影响，已经调试好的激光雷达收发匹配也有可能会导致发射激光束偏离望远镜接收视场而产生测量误差。为此，现有激光雷达采用了一系列技术措施来实现视场匹配，下面将阐述三种常见的激光雷达视场匹配方法，它们各有不足之处：

第一种是手动调节方法。在实际观测中，往往是由熟练程度高、有专业知识的激光雷达操作人员根据激光雷达回波信号的各种指标和实际操作经验进行调节。此种方法在实际调节的过程中，往往费时费力，并且不同情况下不同人员的调试结果也会各不相同，很容易产生偶然误差。激光雷达系统在该方法下工作效率低，不利于常规观测运行。

第二种是回波信号强度法。通过激光雷达回波信号的强弱来调整激光光束的方向，从而实现视场匹配(Xuan Wang,et.al.Self-aligning lidar system and itsapplication.SPIE，1998，3504：31～40；Bo Liu,et.al.Methods for optical adjustmentin lidar systems.Appl.Opt.,44(8):1480～1484；沈法华等，激光雷达系统快速准直的方法和光学装置，强激光和粒子束，2009,21(3):335～340)。该方法利用高精度的角度电动调整架改变激光光束方向，使它做螺旋式扫描或十字形扫描，利用反馈得到的同一高度回波信号强度和光束指向角满足的梯形函数关系，实现收发视场匹配。回波信号强度法需要多点扫描发射激光束并同步获得激光雷达回波信号，扫描一个周期通常需要较长时间(通常为几分钟到半个小时)，因此回波信号强度法需假定在这一段时间内，大气状态保持恒定不变。而实际上大气受到云、气溶胶、水汽等影响，很难保持长时间稳定，这将会严重影响回波信号强度法的可信度。其次，回波信号强度法进行扫描的过程中，由于扫描会使得发射激光偏离出接收望远镜视场，因此在收发匹配的过程中激光雷达回波数据无效的，这会引起激光雷达数据的短时间中断。