一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法及测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法及测量系统。该测量方法，包括以下步骤：（1）测定微型激光雷达的几何重叠因子；（2）运用对比法，由微型激光雷达的几何重叠因子估算待测中大型激光雷达的几何重叠因子。利用本发明专利技术能有效提高中、大型激光雷达几何重叠因子的测量准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法及测量系统
本专利技术涉及一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法及测量系统。
技术介绍
激光雷达是一种主动遥感的探测工具，目前已广泛应用于大气气溶胶研究、大气光学研究、大气环境监测、全球气候预测等领域。米散射激光雷达用于测量边界层气溶胶分布情况。将激光雷达系统连接计算机后，根据计算机软件输出的数据，得到气溶胶垂直分布廓线；根据Fernald、Klett、斜率法等方法，反演大气气溶胶消光系数、后向散射系数等光学特性数值利用激光雷达进行大气探测，雷达系统本身的限制会给测量结果造成无法避免的系统误差。系统误差可以通过分析激光雷达系统的工作特性订正，如激光雷达的几何重叠因子，当激光雷达激光的发散角与望远镜的接收视场角部分重合时，发射激光仅有一部分被有效利用，由这种视场角部分重叠的几何关系确定的用于订正的物理量称为激光雷达的几何重叠因子。激光雷达的发射系统与接收系统的轴线相互平行或重合，称为平行轴系统或共轴系统。米散射激光雷达发射系统的激光束有一定的发散角。原则上，当望远镜接收视场角略大于激光束发散角时，回波信号可以完全进入视场角。但是在距离地面约1000m高度内，激光的发散角与望远镜的视场角部分重合，发射激光仅仅部分被有效接收，由这种部分重叠的几何关系确定的因子称为激光雷达的几何重叠因子。如图1所示，近地面发射系统14和接收系统15的视场无重叠部分；随着高度升高，重叠部分增多，几何重叠因子逐渐增大；到达某一高度，激光发散区域完全落入望远镜视场角内，几何重叠因子为1；此临界高度以上的探测数据没有由几何重叠因子造成的误差。几何重叠因子是大于等0、小于或等于1的无量纲数，反映了发射激光的利用效率，它造成近地面测量的回波功率小于实际大气的回波功率，导致测量结果的误差，因而必须对激光雷达进行几何重叠因子的修正。几何重叠因子的计算，主要依靠实验的方法，包括水平发射法、均匀大气垂直测量法、其他通道协助测量法。水平探测法在大气分布均匀的晴朗夜空进行，要求激光雷达系统的发射系统水平发射。对于望远镜固定的激光雷达系统或是无法移动的大型激光雷达系统，水平探测无法实现，因此采用水平探测法直接求得大激光雷达几何重叠因子的方法不可用。均匀大气垂直测量法对发射方向要求较低，一般激光雷达均可进行垂直发射，假设不同高度处大气气溶胶光学参数相同，计算方法类似于水平方法。此实验方法必须选择大风、晴朗、干燥的天气，大气边界层的气溶胶垂直分布十分均匀时进行，条件严苛。满足天气条件后测量出的几何重叠因子还是有很大的误差，即使大气分子运动速度十分快，还是会因为重力作用使大气上下分布密度不均，因此大气气溶胶浓度垂直分布也不完全均匀。该方法假设大气垂直方向均匀，但往往与事实相悖。其他通道协助的方法，是指负责的激光雷达系统包含拉曼通道，可以使用拉曼通道，得到几何重叠因子。该方法要求系统内有其他通道可以比较、借鉴。但一般激光雷达并不具有这些通道。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的上述缺陷，提供一种能有效提高中、大型激光雷达几何重叠因子的测量准确性的方法。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法，包括以下步骤：(1)测定微型激光雷达的几何重叠因子；(2)运用对比法，由微型激光雷达的几何重叠因子估算待测中大型激光雷达的几何重叠因子。其中，步骤(1)中微型激光雷达的几何重叠因子采用水平探测法进行测定。步骤(2)中具体估算方法为：a、将待测中大型激光雷达与微型激光雷达在相同条件下垂直探测，分别得到待测雷达回波功率曲线和微型雷达回波功率曲线；利用步骤(1)中测得的几何重叠因子修正微型雷达回波功率曲线，得到实际回波功率曲线；b、在待测中大型激光雷达的几何重叠因子修正待测雷达回波功率曲线后所得待测雷达修正回波功率曲线与实际大气功率曲线十分接近的假设条件下，限定待测中大型激光雷达几何重叠因子的范围，运用二分法，使得待测雷达修正回波功率曲线反演所得消光系数与实际回波功率曲线反演所得消光系数接近，从而求解待测中大型激光雷达的几何重叠因子。步骤b中待测中大型激光雷达几何重叠因子的具体求解方法如下：根据实际回波功率曲线得到某高度z0处的实际回波功率，通过Fernald法反演出高度z0处的实际消光系数α(z0)；赋予待测中大型激光雷达在高度z0处的几何重叠因子η(z0)一个0、1之间的假定值，利用该值对待测雷达回波功率曲线进行修正，得到高度z0处的回波功率，通过Fernald法反演出高度z0处的新消光系数α″(z0)，在α″(z0)与α(z0)接近的前提下，利用二分法，不断缩小η(z0)的精确值范围，从而确定待测中大型激光雷达在高度z0处的几何重叠因子值。本专利技术测量方法还包括以下步骤：根据待测中大型激光雷达系统的空间分辨率δ，将地面到高度H0处均分为[H0/δ]份，取[H0/δ]+1个采样点，其中，“[]”表示对括号内表达式取整数；每一个采样点通过步骤(2)计算一个几何重叠因子，运算时从H0循环到距地面最近的点，由此得到待测中大型激光雷达的几何重叠因子随高度的分布曲线。本专利技术还提供了一种中大型激光雷达几何重叠因子测量系统，包括上述微型激光雷达，该微型激光雷达采用米散射激光雷达，包括：发射系统，用于发射准直激光脉冲；接收系统，用于接收与大气气溶胶分子发生相互作用后返回的激光信号；信息采集系统，用于将接收系统接收的光信号转换成电信号；本专利技术测量系统还包括信息处理系统，用于接收微型激光雷达和待测中大型激光雷达输出的信号，并进行分析处理。本专利技术测量系统还包括外部支架；接收系统设于外部支架上，包括望远镜镜筒、望远镜主镜片、准直装置；望远镜主镜片设于望远镜镜筒顶部；激光信号依次经过望远镜主镜片和准直装置后进入信息采集系统；望远镜镜筒的左侧和下部分别安装有水平仪。上述准直装置包括用于阻挡经过所述望远镜主镜片焦点的激光信号的小孔光阑、准直镜和滤光片；激光信号通过望远镜主镜片后，依次通过小孔光阑、准直镜和滤光片进入信息采集系统。上述外部支架包括底座、竖直支架和水平支架；竖直支架为两个，分别左右垂直设于底座上；水平支架可上下移动地设于竖直支架之间；望远镜镜筒可转动地设于水平支架上。上述发射系统采用微型二极管泵浦Nd:YAG固体激光器；信息采集系统采用光电倍增管。本专利技术相比现有技术具有以下优点：1、利用本专利技术测量方法能精确测量任意未知几何重叠因子的激光雷达系统的几何重叠因子，这克服了一些接收系统固定的大型激光雷达几何重叠因子测量的困难，使得由激光雷达的几何重叠因子带来的较大误差可以订正，提高了测量的准确性。2、本专利技术所涉及的微型米散射激光雷达系统结构清晰简单，组装的过程简便快捷，体型小易于携带、转移，成本节省；且对望远镜镜筒可调的小型激光雷达进行改装就可实现本微型激光雷达系统的制作，有利于推广和应用。3、利用本专利技术测量方法只需进行一次水平探测求解微型激光雷达系统的几何重叠因子，然后再利用该微型激光雷达系统求解待测系统的几何重叠因子，不需要再重复测量，省时省力，可行性很大。附图说明图1为几何重叠因子的原理图；图2为本专利技术测量系统中微型激光雷达的结构示意图；图3为图2中微型激光雷达的内部光路结构图；图4为图2中微型激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)测定微型激光雷达的几何重叠因子；(2)运用对比法，由微型激光雷达的几何重叠因子估算待测中大型激光雷达的几何重叠因子。

【技术特征摘要】
1.一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）测定微型激光雷达的几何重叠因子；（2）运用对比法，由微型激光雷达的几何重叠因子估算待测中大型激光雷达的几何重叠因子；所述步骤（2）中具体估算方法为：a、将待测中大型激光雷达与微型激光雷达在相同条件下垂直探测，分别得到待测雷达回波功率曲线和微型雷达回波功率曲线；利用步骤（1）中测得的几何重叠因子修正微型雷达回波功率曲线，得到实际回波功率曲线；b、在待测中大型激光雷达的几何重叠因子修正待测雷达回波功率曲线后所得待测雷达修正回波功率曲线与实际大气功率曲线十分接近的假设条件下，限定待测中大型激光雷达几何重叠因子的范围，运用二分法，使得待测雷达修正回波功率曲线反演所得消光系数与实际回波功率曲线反演所得消光系数接近，从而求解待测中大型激光雷达的几何重叠因子。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤b中待测中大型激光雷达几何重叠因子的具体求解方法如下：根据实际回波功率曲线得到某高度处的实际回波功率，通过Fernald法反演出高度处的实际消光系数；赋予待测中大型激光雷达在高度处的几何重叠因子一个0、1之间的假定值，利用该值对待测雷达回波功率曲线进行修正，得到高度处的回波功率，通过Fernald法反演出高度处的新消光系数，在与接近的前提下，利用二分法，不断缩小的精确值范围，从而确定待测中大型激光雷达在高度处的几何重叠因子值。3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括以下步骤：根据待测中大型激光雷达系统的空间分辨率，将地面到高度处均分为份，取个采样点，其中，“”表示对括号内表达式取整数；每一个采样点通过步骤（2）计算一个几何重叠因子，运算时从循环到...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜令兵，马宁堃，黄兴友，郜海洋，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32