一种共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制装置及控制方法，方法包括，获取被探测金属层的共振荧光激发饱和激光功率阈值P

【技术实现步骤摘要】
一种共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制装置及控制方法
本专利技术涉及激光雷达大气探测技术，具体涉及一种共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制装置及控制方法。
技术介绍
共振荧光散射激光雷达是开展高层大气金属层高时空分辨探测的重要手段。随着激光技术的进步，使得获得大功率高性能的荧光激光雷达发射激光源日趋便捷。采用较大激光发射功率进行探测可以获得较高的回波信号信噪比，有助于开展高时空分辨的大气金属层快速变化过程研究。然而，大气透射率是影响激光雷达回波信号最重要的不确定因素，而低空存在的云、气溶胶是影响大气透射率的重要来源。低空大气条件变化时，激光发射功率被衰减的程度不同，激发高空金属层的激光功率也会产生变化，如在低空云、气溶胶较少时，此时大气透射率高，过高的激光发射功率易导致金属层荧光激发饱和效应，给探测结果带来较大的误差甚至使结果失真；在低空云、气溶胶较多时，此时大气透射率低，使得穿透低层大气到达高空金属层的激光功率被大大衰减，探测信噪比降低，导致探测结果的随机误差增大，甚至使得数据不可用，降低了探测结果的连续性。目前，金属层荧光激光雷达均采用恒定激光功率发射，在低空有间接性云层等情况下时，激发金属层的激光功率降低，回波信号信噪比大大降低，而采用较强的单脉冲激光发射能量时需要使用较大的激光发散角来避免饱和效应的产生，而在不改变接收视场的前提下采用大的激光发散角容易使发射和接收视场不完全匹配，导致高空或者低空信号部分损失，对探测结果产生较大误差。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的一个目的是提供一种共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制装置。本专利技术的另一个目的是提供一种可以根据低空大气对激光发射功率的不同衰减情况，控制最佳激光发射功率，能够实现高效、准确的金属层探测的共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制方法。技术方案：本专利技术的共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制装置，包括光子计数卡、工控机、激光器控制模块和工作激光器，光子计数卡的输入端一方面接收激光雷达回波信号，另一方面接收激光器控制模块输出的同步时序信号，光子计数卡输出端与工控机连接，使光子计数数据实时读取并保存到工控机上，工控机与激光器控制模块的输入端连接，激光器控制模块接收工控机发出的控制信号，然后输出激光器功率控制信号至工作激光器，控制工作激光器的激光发射功率。优选的，激光器控制模块是由高性能的DSP芯片构成，用于接受工控机发出的控制信号，并对接受的信号进行数模转换和放大，输出信号用于控制工作激光器的工作电流，进一步控制工作激光器的激光发射功率。一种共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制方法，包括以下步骤：S1、获取被探测金属层的共振荧光激发饱和激光功率阈值P0，并采集晴空时激光雷达在激光发射功率为P0时对应的回波信号，获得低空不受气溶胶影响的参考高度Z0上单脉冲光子计数信号临界值PC0；S2、利用光子计数卡实时采集激光雷达工作时的回波信号并存储到工控机，工控机将实时采集的回波信号在参考高度Z0上的单脉冲光子计数值PC1与临界值PC0进行比较，判断当前天气条件下激光发射功率是否会引起金属层荧光激发饱和效应或者低激发效率；S3、根据步骤S2激光发射功率是否引起金属层荧光激发饱和效应或者低激发效率的判断结果，工控机输出激光发射功率控制信号给激光器控制模块，实时控制工作激光器的激光发射功率。进一步的，步骤S1中参考高度Z0设定为不受低空气溶胶散射影响且激光雷达回波信号信噪比较高的30～35km高度段。进一步的，步骤S1中获得参考高度Z0上单脉冲光子计数信号临界值PC0的计算方法为：S11、计算步骤S1中采集的晴空时激光雷达在激光发射功率为P0时对应的回波信号150～160km高度段的平均光子数作为第一背景本底噪声N0；S12、将步骤S1中采集的晴空时激光雷达在激光发射功率为P0时对应的回波信号减去第一背景本底噪声N0，以扣除第一背景本底噪声；S13、计算扣除背景本底噪声后的回波信号在参考高度Z0范围内光子计数值的单脉冲平均值，即为临界值PC0。进一步的，步骤S2中获得实时采集的参考高度Z0上单脉冲光子计数值PC1的计算方法为：S21、计算步骤S2中获得的激光雷达回波信号150～160km高度段的平均光子数作为第二背景本底噪声N1；S22、将步骤S2中获得的激光雷达回波信号减去第二背景本底噪声N1，以扣除第二背景本底噪声；S23、计算扣除第二背景本底噪声后的激光雷达回波信号在参考高度Z0范围内光子计数值的单脉冲平均值，即为PC1。进一步的，步骤S2中判断当前天气条件下激光发射功率是否引起金属层荧光激发饱和效应或者低激发效率的方法为：当PC1/PC0＞1.1时，则判定此时激光发射功率经过低层大气衰减后激发高空金属层时会产生显著的饱和效应；当PC1/PC0＜0.7时，则判定此时激光发射功率经过低层大气衰减后激发高空金属层时没有产生饱和效应的风险，但激发功率偏低；当0.7≤PC1/PC0≤1.1时，则判定此时激光发射功率经过低层大气衰减后激发高空金属层不会产生严重的饱和效应，且激发效率较高，能保证较好的回波信号探测信噪比。进一步的，步骤S3中输出激光发射功率控制信号的方法为：当PC1/PC0＞1.1或PC1/PC0＜0.7时，工控机向激光器控制模块发出指令，将工作激光器的控制电流调整为当前值的PC0/PC1倍；当0.7≤PC1/PC0≤1.1时，工控机不输出激光发射功率控制信号，维持当前工作激光器输出功率不变。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)可以根据低空大气环境的实时变化实现金属层激光雷达在最佳激光发射功率下工作，可获得较高的探测信号信噪比，提高观测数据的连续性，同时避免金属层饱和效应对探测产生的误差；(2)采用激光发射功率的动态控制，还可以避免激光器长时间在较大功耗下工作，延长激光器寿命的同时降低了能耗；(3)在现有的激光雷达系统上进行改造，实现简单方便，成本低。附图说明图1是本专利技术控制装置的结构示意图；图2是本专利技术控制方法中激光雷达回波信号随高度变化及选取的参考高度和背景噪声范围示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术。为了高效精确的探测大气金属层，需要根据低空大气条件对激光发射功率进行优化调节，在低空云、气溶胶较多导致激光发射功率衰减较大的情况下，适当提高发射功率，改善探测信号的信噪比，而在低空云、气溶胶较少，激光发射功率衰减较小的情况下，适当降低发射功率，避免金属层荧光激发产生饱和效应。如图1所示，本专利技术的共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制装置，包括光子计数卡1、工控机2、激光器控制模块3和工作激光器4，所述光子计数卡1的输入端一方面接收激光雷达回波信号5，另一方面接收激光器控制模块3输出的同步时序信号，光子计数卡1输出端与所述工控机2连接，使光子计数数据实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制装置，其特征在于，包括光子计数卡(1)、工控机(2)、激光器控制模块(3)和工作激光器(4)，光子计数卡(1)的输入端一方面接收激光雷达回波信号，另一方面接收激光器控制模块(3)输出的同步时序信号，光子计数卡(1)输出端与工控机(2)连接，使光子计数数据实时读取并保存到工控机(2)上，工控机(2)与激光器控制模块(3)的输入端连接，激光器控制模块(3)接收工控机(2)发出的控制信号，然后输出激光器功率控制信号至工作激光器(4)，控制工作激光器(4)的激光发射功率。/n

【技术特征摘要】
1.一种共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制装置，其特征在于，包括光子计数卡(1)、工控机(2)、激光器控制模块(3)和工作激光器(4)，光子计数卡(1)的输入端一方面接收激光雷达回波信号，另一方面接收激光器控制模块(3)输出的同步时序信号，光子计数卡(1)输出端与工控机(2)连接，使光子计数数据实时读取并保存到工控机(2)上，工控机(2)与激光器控制模块(3)的输入端连接，激光器控制模块(3)接收工控机(2)发出的控制信号，然后输出激光器功率控制信号至工作激光器(4)，控制工作激光器(4)的激光发射功率。


2.根据权利要求1所述的共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制装置，其特征在于，激光器控制模块(3)是由高性能的DSP芯片构成，用于接受工控机(2)发出的控制信号，并对接受的信号进行数模转换和放大，输出信号用于控制工作激光器(4)的工作电流，进一步控制工作激光器(4)的激光发射功率。


3.一种共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取被探测金属层的共振荧光激发饱和激光功率阈值P0，并利用光子计数卡采集晴空时激光雷达在激光发射功率为P0时对应的回波信号实时存储到工控机，获得低空不受气溶胶影响的参考高度Z0上单脉冲光子计数信号临界值PC0；
S2、利用光子计数卡实时采集激光雷达回波信号并存储到工控机，工控机将回波信号在参考高度Z0上的单脉冲光子计数值PC1与临界值PC0进行比较，判断当前天气条件下激光发射功率是否会引起金属层荧光激发饱和效应或者低激发效率；
S3、根据步骤S2激光发射功率是否引起金属层荧光激发饱和效应或者低激发效率的判断结果，工控机输出激光发射功率控制信号给激光器控制模块，实时控制工作激光器的激光发射功率。


4.根据权利要求3所述的共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制方法，其特征在于，步骤S1中参考高度Z0设定为不受低空气溶胶散射影响且激光雷达回波信号信噪比较高的30～35km高度段。


5.根据权利要求3所述的共振荧光散射激光雷达激光发射功率优化控制方法，其特征在于，步骤S1中获得参考高度Z0上单脉冲光子计...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏媛，李亚娟，张磊，
申请(专利权)人：南京晓庄学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32