一种激光雷达近场饱和问题的判别及优化方法技术

本发明专利技术公开一种激光雷达近场饱和问题的判别及优化方法，该判断包括以下步骤：步骤一、获取参考线相关系数；步骤二、计算大气透气率和高消光值空间范围；步骤三、获得线性相关系数，并判断该值是否超标；水平探测模式下，采集数据并保存，几何重叠因子修正后，绘制出ln(P(r)*r

【技术实现步骤摘要】
一种激光雷达近场饱和问题的判别及优化方法
本专利技术涉及一种激光雷达近场饱和问题的判别及优化方法，尤其是一种具有判别探测器是否进入非正常的饱和状态，通过控制算法，解决近场饱和问题，提高激光雷达相关产品的数据准确性能力强的激光雷达近场饱和问题的判别及优化方法。
技术介绍
激光雷达在实际应用中，由于受到不同天气的影响，其向后散射信号，特别是近场散射信号会显著增强，激光雷达的向后散射光信号一般由光电探测器接收并转换为电信号，在转换过程中，光电探测器存在正常工作线性区，一旦探测器接收的后向散射信号强度超过探测器最高容限，探测器即会进入饱和区，输出信号失真，最终导致激光雷达反演得到的诸如气溶胶消光系数、退偏比、臭氧浓度以及水汽混合比等大气参数(大气成分)误差增大，严重引起激光雷达的性能。申请号2018106201271的专利公开了一种防止信号饱和的激光雷达，通过调整激光器的输出光功率、探测器供电高压等方式可以粗略地改善这一问题，但就如何判别近场散射光信号是否饱和、硬件相关参量的调整量值、硬件调整的先后顺序和逻辑关系、调整后的效果评估等该专利并未有相关具体实施方案。另外，专利提到采用调整激光器输出功率的方法，虽然可以改善近场饱和问题，但也相应的改变了激光雷达的系统参数，比如几何重叠因子的改变；因此，反演后的数据还需要进一步的修正，增加了工作量。激光雷达原则上可以探测数十米至数千米高度的大气参数；在实际应用中，一般环保部门特别关注近地面至3km高度范围的气溶胶消光系数，反映污染物浓度；激光雷达参数优化调试时，均选择天气较为洁净、污染较轻的天气状况；当污染加重、低云以及湿度较大时，由于近场光散射回波信号增强，会导致探测器进入饱和区，此时，探测器输出的电信号不能正确反映光信号强度信息，引起雷达反演结果误差增大甚至出现意想不到的数据，大大降低激光雷达的基本性能，不能满足环保等部门的使用需求；解决如何实现探测器是否饱和的判别，并自动调整参数，优化激光雷达参数，始终使探测器工作在线性区的问题，具有重要的工程实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有判别探测器是否进入非正常的饱和状态，通过控制算法，解决近场饱和问题，提高激光雷达相关产品的数据准确性能力强的激光雷达近场饱和问题的判别及优化方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：一种激光雷达近场饱和问题的判别，判别包括以下步骤：步骤一、获取参考线相关系数；绘制出ln(P(r)*r2)与r的关系曲线，选取0～3km高度范围内的该相关曲线，并采用最小二乘法对该曲线进行线性拟合，并得到参考线性相关系数；其中，P(r)为激光雷达后向散射回波信号光功率，r为检测点到激光雷达的距离；步骤二、计算大气透气率和高消光值空间范围；激光雷达正常使用时，分析软件实时计算0～3km范围内大气透过率，同时计算消光系数处于90％最大消光值以上的距离范围；步骤三、获得线性相关系数，并判断该值是否超标；水平探测模式下，采集数据并保存，几何重叠因子修正后，绘制出ln(P(r)*r2)与r的关系曲线，选取0～3km高度范围内，采用最小二乘法对该曲线进行线性拟合，并得到线性相关系数；如果得到的线性相关系数低于80％，或者低于参考线性相关系数的90％，则认为光电探测器进入非正常的饱和区；所述步骤一中，绘制出ln(P(r)*r2)与r的关系曲线的方法为：选定良好天气状况，激光雷达设置为水平探测模式，采集数据并保存，几何重叠因子修正后，绘制出ln(P(r)*r2)与r的关系曲线；所述步骤二中，激光雷达采取水平探测或垂直探测中的一种；若激光雷达探测方式垂直探测，满足大气透过率低于某个设定值，或者消光系数处于90％最大消光值以上的距离范围为1km；随后将雷达设置为水平状态，再进行计算，判断，调整，修正；所述步骤二中，激光雷达探测器饱和区判别的前提条件为：如果大气透过率低于某个设定值，或者消光系数处于90％最大消光值以上的距离范围为1km，需要将雷达设置为水平探测模式，随后进行探测器饱和区判别；一种激光雷达近场饱和问题的优化方法，该优化方法包括以下步骤：步骤S1、获取参考线相关系数；步骤S2、计算大气透气率和高消光值空间范围；步骤S3、获得线性相关系数，并判断该值是否超标；水平探测模式下，采集数据并保存，几何重叠因子修正后，绘制出ln(P(r)*r2)与r的关系曲线，选取0～3km高度范围内，采用最小二乘法对该曲线进行线性拟合，并得到线性相关系数，如果得到的线性相关系数低于80％，或者低于参考线性相关系数的90％，则认为光电探测器进入非正常的饱和区；步骤S4、光电探测器通过工程机连接电压调节器，电压调节器通过高压供电电压与光电探测器连接；工程机内设置有数据采集器、采集软件、分析软件、电压调节算法，数据采集器连接到光电探测器上，数据采集器由采集软件控制，采集软件与分析软件数据连接，分析软件内置反演算法和饱和判别，饱和判别输出到电压调节算法上；电压调节算法输出到电压调节控制器上；电压调节控制器调节激光雷达的高压供电电压，激光经过大气时与大气中的分子和粒子发生散射和吸收等物理作用，粒子和分子散射的光信号一部分沿着激光传播相反的方向返回，光电探测器接收光信号转换为电信号，被工程机中的数据采集器采集并经二进制数据储存；存储的二进制数据通过分析软件内的反演算法，达到饱和判别，最终变成想要的大气参数；饱和判别通过电压调节算法控制电压调节控制器；工程机通过采集软件、分析软件、电压调节算法，利用RS232接口连接电压调节控制器，小范围地降低光电探测器的供电高压，重复步骤S4的操作，反复迭代，直到满足步骤S4中设定的判断条件为止；降低光电探测器的供电电压时，调节的幅值按优化算法调节；步骤S5、光电探测器的线性工作区优化完成，进入激光雷达正常使用模式；所述优化算法包括：步骤S41、计算当前拟合线性相关系数与参考相关系数的初始差值；步骤S42、在满足光电探测器正常线性工作电压区内，引入经典的比例积分微分PID算法。本专利技术提供了一种激光雷达近场饱和问题的判别及优化方法，具有判别探测器是否进入非正常的饱和状态，通过控制算法，解决近场饱和问题，提高激光雷达相关产品的数据准确性的特点。本专利技术的有益效果：通过对雷达公式两边取对数，再求导；展示了ln(P(r)*r2)随距离r的变化关系，理想情况下，两者呈很好的线性关系，直线为理想状态，方块点表示实际探测数据；采用对ln(P(r)*r2)与r线性拟合，以线性相关系数为重要指标，判别探测器是否进入非正常的饱和状态；利用降低光电探测器供电高压的方式，在光输入光增强的情况下，保证探测器工作在线性区，保证激光雷达的固有参数，如几何重叠因子，不会发生变化，在探测器供电电压调整时，引入PID算法，实现快速稳定的目的；采用0～3km大气透过率，以及90％最大消光值的距离范围作为重要指标，判断激光雷达在工作过程中，是否需要进行探测器饱和优化。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光雷达近场饱和问题的判别，其特征在于，该判别包括以下步骤；/n步骤一、获取参考线相关系数；绘制出ln(P(r)*r

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达近场饱和问题的判别，其特征在于，该判别包括以下步骤；
步骤一、获取参考线相关系数；绘制出ln(P(r)*r2)与r的关系曲线，选取0～3km高度范围内的该相关曲线，并采用最小二乘法对该曲线进行线性拟合，并得到参考线性相关系数；其中，P(r)为激光雷达后向散射回波信号光功率，r为检测点到激光雷达的距离；
步骤二、计算大气透气率和高消光值空间范围；激光雷达正常使用时，分析软件实时计算0～3km范围内大气透过率，同时计算消光系数处于90％最大消光值以上的距离范围；
步骤三、获得线性相关系数，并判断该值是否超标；水平探测模式下，采集数据并保存，几何重叠因子修正后，绘制出ln(P(r)*r2)与r的关系曲线，选取0～3km高度范围内，采用最小二乘法对该曲线进行线性拟合，并得到线性相关系数；如果得到的线性相关系数低于80％，或者低于参考线性相关系数的90％，则认为光电探测器进入非正常的饱和区；
所述步骤一中，绘制出ln(P(r)*r2)与r的关系曲线的方法为：选定良好天气状况，激光雷达设置为水平探测模式，采集数据并保存，几何重叠因子修正后，绘制出ln(P(r)*r2)与r的关系曲线。


2.根据权利要求1所述的一种激光雷达近场饱和问题的判别，其特征在于，所述步骤二中，激光雷达采取水平探测或垂直探测中的一种；若激光雷达探测方式垂直探测，满足大气透过率低于某个设定值，或者消光系数处于90％最大消光值以上的距离范围为1km；随后将雷达设置为水平状态，再进行计算，判断，调整，修正。


3.根据权利要求1所述的一种激光雷达近场饱和问题的判别，其特征在于，所述步骤二中，激光雷达探测器饱和区判别的前提条件为：如果大气透过率低于某个设定值，或者消光系数处于90％最大消光值以上的距离范围为1km，需要将雷达设置为水平探测模式，随后进行探测器饱和区判别。


4.一种激光雷达近场饱和问题的优化方法，其特征在于，该优化方法包括以下步骤：
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵读亮，王燕飞，余龙宝，
申请(专利权)人：合肥师范学院，
类型：发明
国别省市：安徽;34