CN101963665B - 激光雷达几何重叠因子自动调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的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，调整方法为：脉冲激光器发出脉冲激光束，经准直扩束系统准直扩束后，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；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，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。本发明调整系统及调整方法可以自动调节出射激光束的角度，减小几何因子对大气回波信号的影响，增大激光雷达的有效探测范围。

Description

激光雷达几何重叠因子自动调整方法

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P(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积： 

$C={\∫}_0^{z_2}P\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C₀； 

b.将可旋转反射镜向负方向旋转，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P(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积： 

$C={\∫}_0^{z_2}P\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C₁，当前位置记为W₁； 

c.将可旋转反射镜向正方向旋转，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P(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积： 

$C={\∫}_0^{z_2}P\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C₂，当前位置记为W₂； 

d.比较等价判据值C₀、C₁以及C₂的大小，判断W₀是否处于最佳位置：当C₁、C₂的值均小于C₀时，表明此时W₀处于最佳位置，将可旋转反射镜重新调回到W₀，调节结束；当C₁、C₂的值均不小于C₀时，表明此时W₀不处于最佳位置，根据C₁以及C₂的大小，控制X轴执行机构或Y轴执行机构将可旋转反射镜旋转到上述W₁或W₂位置； 

e.将当前位置记为W`₀，检测大气回波信号强度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P(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积： 

$C={\∫}_0^{z_2}P\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判 据值记为C`₀； 

f.相对于当前位置向正方向或负方向旋转θ角度，检测大气回波信号强度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P(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积： 

$C={\∫}_0^{z_2}P\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C`<sub>1</sub>，此时位置记为W`₁，旋转角度值为上次调节角度值的1.618倍；此次调节后，如果等价判据值C`<sub>1</sub>>C`₀，则返回步骤e继续执行；如果等价判据值C`<sub>1</sub><C`₀，则进入步骤g继续执行； 

g.重新将可旋转反射镜调回到W₀`位置，返回步骤a执行。 

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)，定义距离平方校正信号如下： 

S(z)＝P(z)z²， 

等价判据定义如下： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}S\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C₀； 

b.将可旋转反射镜向负方向旋转，检测回波信号强度P(z)，定义距离平方校正信号如下： 

S(z)＝P(z)z²， 

等价判据定义如下： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}S\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C₁，当前位置记为W₁； 

c.将可旋转反射镜向正方向旋转，检测回波信号强度P(z)，定义距离平方校正信号如下： 

S(z)＝P(z)z²， 

等价判据定义如下： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}S\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C₂，当前位置记为W₂； 

d.比较等价判据值C₀、C₁以及C₂的大小，判断W₀是否处于最佳位置：当C₁、C₂的值均小于C₀时，表明此时W₀处于最佳位置，将可旋转反射镜重新调回到W₀，调节结束；当C₁、C₂的值均不小于C₀时，表明此时W₀不处于最佳位置，根据C₁以及C₂的大小，控制X轴执行机构或Y轴执行机构将可旋转反射镜旋转到上述W₁或W₂位置； 

e.将当前位置记为W`₀，检测大气回波信号强度P(z)，定义距离平方校正信号如下： 

S(z)＝P(z)z²， 

等价判据定义如下： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}S\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判 据值记为C`₀； 

f.相对于当前位置向正方向或负方向旋转θ角度，检测大气回波信号强度P(z)，定义距离平方校正信号如下： 

S(z)＝P(z)z²， 

等价判据定义如下： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}S\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C`<sub>1</sub>，此时位置记为W`₁，旋转角度值为上次调节角度值的1.618倍；此次调节后，如果等价判据值C`<sub>1</sub>>C`₀，则返回步骤e继续执行；如果等价判据值C`<sub>1</sub><C`₀，则进入步骤g继续执行； 

g.重新将可旋转反射镜调回到W₀`位置，返回步骤a执行。 

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)，寻找到强度最大值P_max；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(z)/P_max(z)；然后，以距离z²作为权值，对归一化值P(z)/P_max进行积分，即采取以下判据： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}\frac{P\left(z\right)}{P_{\max }}{z}^2\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C₀； 

b.将可旋转反射镜向负方向旋转，检测回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值P_max；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值， 即P(z)/P_max(z)；然后，以距离z²作为权值，对归一化值P(z)/P_max进行积分，即采取以下判据： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}\frac{P\left(z\right)}{P_{\max }}{z}^2\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C₁，当前位置记为W₁； 

c.将可旋转反射镜向正方向旋转，检测回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值P_max；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(z)/P_max(z)；然后，以距离z²作为权值，对归一化值P(z)/P_max进行积分，即采取以下判据： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}\frac{P\left(z\right)}{P_{\max }}{z}^2\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C₂，当前位置记为W₂； 

d.比较等价判据值C₀、C₁以及C₂的大小，判断W₀是否处于最佳位置：当C₁、C₂的值均小于C₀时，表明此时W₀处于最佳位置，将可旋转反射镜重新调回到W₀，调节结束；当C₁、C₂的值均不小于C₀时，表明此时W₀不处于最佳位置，根据C₁以及C₁的大小，控制X轴执行机构或Y轴执行机构将可旋转反射镜旋转到上述W₁或W₂位置； 

e.将当前位置记为W`₀，检测大气回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值P_max；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(z)/P_max(z)；然后，以距离z²作为权值，对归一化值P(z)/P_max进行积分，即采取以下判据： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}\frac{P\left(z\right)}{P_{\max }}{z}^2\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C`₀； 

f.相对于当前位置向正方向或负方向旋转θ角度，检测大气回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值P_max；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(z)/P_max(z)；然后，以距离z²作为权值，对归一化值P(z)/P_max进行积分，即采取以下判据： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}\frac{P\left(z\right)}{P_{\max }}{z}^2\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，计算出的等价判据值记为C`<sub>1</sub>，此时位置记为W`₁，旋转角度值为上次调节角度值的1.618倍；此次调节后，如果等价判据值C`<sub>1</sub>>C`₀，则返回步骤e继续执行；如果等价判据值C`<sub>1</sub><C`₀，则进入步骤g继续执行； 

g.重新将可旋转反射镜调回到W₀`位置，返回步骤a执行。 

本发明的有益效果是，提出一种大气遥测用激光雷达的几何因子自动调整系统、相应的等价判据以及优化调整方法。该系统可以自动调节出射激光束的角度，并根据一定的优化算法，自动实现对几何因子的调整，尽量使发射激光束轴线与望远镜的轴线之间同轴或平行，减小几何因子对大气回波信号的影响，从而增大激光雷达的有效探测范围。该系统可广泛应用于各类雷达系统中，因此，具有十分重要的实际应用价值。 

附图说明

图1是本发明激光雷达几何重叠因子自动调整系统的结构示意图； 

图2是本发明激光雷达几何重叠因子自动调整系统的算法流程图； 

图3是本发明激光雷达几何重叠因子自动调整系统的控制原理图； 

图4是本发明激光雷达几何重叠因子自动调整系统中激光雷达回波信号与距离的关系图； 

图5是本发明激光雷达几何重叠因子自动调整系统中发射系统与接收系统光路示意图。 

图中，1.脉冲激光器，2.准直扩束系统，3.可旋转反射镜，4.固定反射镜，5.望远镜，6.小孔光阑，7.透镜，8.滤光片，9.光电检测器件，10.数据采集与控制系统，11.X轴执行机构驱动器，12.X轴执行机构，13.Y轴执行机构驱动器，14.Y轴执行机构，15.光电探测器件接收区域，16.可旋转反射镜上的光斑，17.目标平面，18.激光束轴线，19.望远镜轴线。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 

本发明激光雷达几何重叠因子自动调整系统的结构，如图1所示，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1，脉冲激光器1的出射光侧依次设置有准直扩束系统2、可旋转反射镜3、固定反射镜4；接收光路包括望远镜5，望远镜5的出射光侧依次设置有小孔光阑6、透镜7、滤光片8、光电检测器件9；数据采集与控制部分包括数据采集与控制系统10，数据采集与控制系统10的输入端设置为上述光电检测器件9，数据采集与控制系统10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11、X轴执行机构12，另一条支路上依次设置有Y轴执行机构驱动器13、Y轴执行机构14，X轴执行机构12及Y轴执行机构14的输出端设置为上述可旋转反射镜3。 

采用上述激光雷达几何重叠因子自动调整系统进行调整的方法，具体按 照以下步骤实施： 

步骤1：脉冲激光器1发出固定波长的脉冲激光束，经准直扩束系统2准直扩束后，依次通过可旋转反射镜3、固定反射镜4转向后射向大气，脉冲激光束与大气中的分子和粒子相互作用后产生大气后向光散射回波信号，该回波信号被望远镜5接收后，依次通过小孔光阑6、透镜7、滤光片8，被放置于望远镜焦点附近的光电检测器件9接收，随后送入数据采集与控制系统10中进行分析处理。 

步骤2：数据采集与控制系统10将接收到的回波信号，根据等价判据和优化算法进行处理，得到包含可旋转反射镜3位置信息的控制信号，通过X轴执行机构驱动器11及Y轴执行机构驱动器13控制X轴执行机构12和Y轴执行机构14调节可旋转反射镜3的角度，最终使经过固定反射镜4反射后的出射激光束轴线与望远镜5轴线重合。 

在数据采集与控制系统10中，等价判据和优化算法采取分步寻优的策略，即先对X轴寻优，再对Y轴寻优；或者先对Y轴寻优，再对X轴寻优。在单独对两轴的寻优过程中，采用的等价判据和优化算法一样。 

在实际应用中，由于很难直接判断望远镜4轴线与出射激光束轴线是否重合，因此需要引入能间接反映可旋转反射镜3位置信息的判断依据。可以通过调节可旋转反射镜3的旋转角度，使等价判据值达到最大值，就可以使出射激光束轴线与望远镜轴线重合程度越好。本发明引入了如下几种等价判据： 

（1）对回波信号进行积分 

检测大气回波信号强度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P(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}P\left(z\right)d---\left(1\right)$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离。 

（2）对距离平方校正信号进行积分 

检测大气回波信号强度P(z)，并定义距离平方校正信号如下： 

S(z)＝P(z²)        （2） 

因此，等价判据可以定义如下： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}S\left(z\right)\mathrm{dz}---\left(3\right)$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离。 

（3）对归一化信号进行积分 

检测大气回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值P_max其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(z)/P_max(z)；然后，以距离z²作为权值，对归一化值P(z)/P_max进行积分，即采取以下判据： 

$C={\&Integral;}_0^{z_2}\frac{P\left(z\right)}{P_{\max }}{z}^2\mathrm{dz}---\left(4\right)$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离。 

如图2所示，优化算法具体按照以下步骤实施： 

a.将可旋转反射镜3的当前位置记为W₀，检测回波信号强度P(z)，根据式（1）、或式（3）、或式（4）计算出等价判据值，记为C₀。 

b.将可旋转反射镜3向负方向旋转一个小角度，检测回波信号强度P(z)，根据式（1）、或式（3）、或式（4）计算出等价判据值，记为C₁，当前位置记为W₁。 

c.将可旋转反射镜3向正方向旋转一个小角度，检测回波信号强度P(z)，根据式（1）、或式（3）、或式（4）计算出等价判据值，记为C₂，当前 位置记为W₂。 

d.比较等价判据值C₀、C₁以及C₂的大小，判断W₀是否处于最佳位置：当C₁、C₂的值均小于C₀时，表明此时W₀处于最佳位置，则将可旋转反射镜3重新调回到W₀，调节结束；当C₁、C₂的值均不小于C₀时，表明此时W₀不处于最佳位置，那么根据C₁以及C₂的大小，控制X轴执行机构12或Y轴执行机构14将可旋转反射镜3旋转到上述W₁或W₂位置。 

e.将当前位置记为W`<sub>0</sub>，并计算等价判据值C`₀； 

f.相对于当前位置向正方向或负方向旋转θ角度，计算此时的判据C`<sub>1</sub>，此时位置记为W`₁，但旋转角度值变为上次调节角度值的1.618倍；此次调节后，如果等价判据值C`<sub>1</sub>>C`₀，则返回步骤e继续执行；如果等价判据值C`<sub>1</sub><C`₀，则进入步骤g继续执行。 

g.重新将可旋转反射镜3调回到W₀`位置，返回步骤a执行。 

通过以上分析可知，这是一个最值优化问题，在实际中，可以通过调节可旋转反射镜3的旋转角度，使等价判据值达到最大值。该几何重叠因子自动调节的控制系统结构如图3所示。 

以下从原理方面对本发明自动调整系统及调整方法进行说明： 

通常，大气遥测用激光雷达方程如下： 

$P\left(z\right)=P_o{C}_1\frac{A_r}{z^2}\mathrm{\&beta;}\left(z\right)\mathrm{\&epsiv;}\left(z\right)e^{-{\&Integral;}_0^{z}2a\left(z\right)\mathrm{dz}}---\left(5\right)$

式中，P(z)为激光雷达接收到的回波信号功率（W）；P₀为激光器的发射功率（W）；z表示探测高度(m)，在式中，探测高度z是以1/z²的形式出现的，表明了激光雷达信号将随着高度的增加以高度的平方进行衰减；A_r为望远镜的接收面积（m²）；ε(z)为几何重叠因子，其表示发射的激光束与接收望远镜 视场的重合程度，在不完全重合时，其值小于1，当达到完全重合时，其值为1；C₁为系统校正常数，包括探测器的效率以及系统的光路透射率；β(z)是大气中某种被探测组分的后向散射系数（m^-1sr^-1）；α(z)为大气总的消光系数，通常由大气分子和气溶胶消光系数两部分组成，即α(z)=α_M(z)+α_A(z)。 

大气遥测用激光雷达的回波信号波形如图4所示，在该图中： 

（1）从0到z_a，回波信号逐渐增强，这主要是由于近场几何因子逐渐增大引起的。 

（2）从z_a到z_b，信号逐渐减小，这主要是由于距离平方因子、传输因子、散射系数因子和远场几何因子的作用引起的。 

（3）从z_b到无穷远，信号保持恒定，该信号可认为是系统噪声。 

同轴激光雷达几何因子示意图如图5所示。图5中，R_d为光电检测器件接收区域15的半径，f为望远镜5的等效焦距，R₀为望远镜5的有效接收半径，R`<sub>0</sub>为出射光束在可旋转反射镜上的光斑16半径，A为出射激光束轴线18和望远镜5的轴线19之间的夹角，A<sub>1</sub>为望远镜5的半视场角，A<sub>2</sub>为出射光束的发散角，z为探测距离，R(z)为望远镜在距离z处目标平面17处的视场半径，R`(z)为目标平面17处的光斑半径，d(z)为目标平面17处望远镜5光轴线和激光束轴线18之间的距离。 

对可旋转反射镜3的调节需要同时调节X轴和Y轴，而X轴相对于最佳位置的旋转角度θ_x以及Y轴相对于最佳位置的旋转角度θ_y与夹角A之间是一个单调的函数关系，该函数关系经过推导可以表示为： 

A＝arccos(cos（θ_x）cos（θ_y）)       （6） 

实际上，夹角A的调节将直接决定远场几何重叠因子ε(z)的调节。显然， 在其他参数相同的情况下，几何重叠因子ε(z)的值越大，z高度处的校正回波信号S(z)的值就越大。而ε(z)与探测高度和两轴夹角A有一定的关系：在近场范围内，由于固定反射镜等遮挡物的遮挡，几何因子在开始一小段范围始终为0，然后逐渐增大到最大值；在这段距离范围内，激光雷达回波信号随着探测高度的增加而逐渐增加到一峰值。此高度可认为遮挡物不再对几何因子起较大作用的最低高度。当A在小范围内变化时，此最低高度变化不大，主要取决于望远镜视场角和遮挡物的半径。 

在远场范围内，几何重叠因子不再受遮挡物的影响；在其它参数相同的情况下，A的值越小，相同高度处望远镜视场中心点和光斑中心点的距离就越小，望远镜视场与光斑的重叠区域就越大，几何因子的值也就越大。另外A的值越小，激光雷达的有效测量范围也会增大。而当A在小范围内变化时，β(z)、α(z)的变化也相对较小，可认为保持不变。 

实际上，在前述第（2）、（3）种判据中，z²可以看作是权值，因此这两种方法可以有效地消除近场回波信号过强的问题，增加远场信号在判据中的比重，从而提高出射激光束轴线与望远镜轴线的重合度，增加激光雷达的有效探测距离。显然两轴的夹角A越大，等价判据值越小；两轴的夹角越小，等价判据值越大；两轴重合时，等价判据将达到最大值。因此，通过自动调节角度A，获取C的最大值，就可以使出射激光束轴线与望远镜轴线重合程度越好。此时，问题也转化为最值优化。该方法考虑了实际回波信号的幅值以及探测距离，与激光雷达的实际探测结合紧密，因此更具有实用性和可操作性。 

Claims (3)

1.一种激光雷达几何重叠因子自动调整方法，其特征在于，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（1），脉冲激光器（1）的出射光侧依次设置有准直扩束系统（2）、可旋转反射镜（3）、固定反射镜（4）；接收光路包括望远镜（5），望远镜（5）的出射光侧依次设置有小孔光阑（6）、透镜（7）、滤光片（8）、光电检测器件（9）；数据采集与控制部分包括数据采集与控制系统（10），数据采集与控制系统（10）的输入端设置为所述的光电检测器件（9），数据采集与控制系统（10）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（11）、X轴执行机构（12），另一条支路上依次设置有Y轴执行机构驱动器（13）、Y轴执行机构（14），X轴执行机构（12）及Y轴执行机构（14）的输出端设置为所述的可旋转反射镜（3），

具体按照以下步骤实施：

步骤1：脉冲激光器（1）发出脉冲激光束，经准直扩束系统（2）准直扩束后，依次通过可旋转反射镜（3）、固定反射镜（4）转向后射向大气，产生回波信号，望远镜（5）接收回波信号，回波信号依次通过小孔光阑（6）、透镜（7）、滤光片（8），传递给光电检测器件（9）及数据采集与控制系统（10）；

步骤2：数据采集与控制系统（10）根据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，具体的处理方法为：

a.将可旋转反射镜（3）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P(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}P\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C₀；

b.将可旋转反射镜（3）向负方向旋转，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P(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}P\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C₁，当前位置记为W₁；

c.将可旋转反射镜（3）向正方向旋转，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P(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}P\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C₂，当前位置记为W₂；

d.比较等价判据值C₀、C₁以及C₂的大小，判断W₀是否处于最佳位置：当C₁、C₂的值均小于C₀时，表明此时W₀处于最佳位置，将可旋转反射镜（3）重新调回到W₀，调节结束；当C₁、C₂的值均不小于C₀时，表明此时W₀不处于最佳位置，根据C₁以及C₂的大小，控制X轴执行机构（12）或Y轴执行机构（14）将可旋转反射镜（3）旋转到上述W₁或W₂位置；

e.将当前位置记为W`₀，检测大气回波信号强度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P(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}P\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C`₀；

f.相对于当前位置向正方向或负方向旋转θ角度，检测大气回波信号强度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P(z)与时间轴从0到z₂所包围的面积：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}P\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C`<sub>1</sub>，此时位置记为W`₁，旋转角度值为上次调节角度值的1.618倍；此次调节后，如果等价判据值C`<sub>1</sub>>C`₀，则返回步骤e继续执行；如果等价判据值C`<sub>1</sub><C`₀，则进入步骤g继续执行；

g.重新将可旋转反射镜（3）调回到W₀`位置，返回步骤a执行；

步骤3：将经步骤2处理后得到控制信号，通过X轴执行机构驱动器（11）及Y轴执行机构驱动器（13）控制X轴执行机构（12）和Y轴执行机构（14）调节可旋转反射镜（3）的角度，使得经过固定反射镜（4）反射后的出射激光束轴线与望远镜（5）轴线重合。

2.一种激光雷达几何重叠因子自动调整方法，其特征在于，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（1），脉冲激光器（1）的出射光侧依次设置有准直扩束系统（2）、可旋转反射镜（3）、固定反射镜（4）；接收光路包括望远镜（5），望远镜（5）的出射光侧依次设置有小孔光阑（6）、透镜（7）、滤光片（8）、光电检测器件（9）；数据采集与控制部分包括数据采集与控制系统（10），数据采集与控制系统（10）的输入端设置为所述的光电检测器件（9），数据采集与控制系统（10）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（11）、X轴执行机构（12），另一条支路上依次设置有Y轴执行机构驱动器（13）、Y轴执行机构（14），X轴执行机构（12）及Y轴执行机构（14）的输出端设置为所述的可旋转反射镜（3），

具体按照以下步骤实施：

步骤1：脉冲激光器（1）发出脉冲激光束，经准直扩束系统（2）准直扩束后，依次通过可旋转反射镜（3）、固定反射镜（4）转向后射向大气，产生回波信号，望远镜（5）接收回波信号，回波信号依次通过小孔光阑（6）、透镜（7）、滤光片（8），传递给光电检测器件（9）及数据采集与控制系统（10）；

步骤2：数据采集与控制系统（10）根据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，具体的处理方法为：

a.将可旋转反射镜（3）的当前位置记为W₀，检测回波信号强度P(z)，定义距离平方校正信号如下：

S(z)＝P(z)z²，

等价判据定义如下：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}S\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C₀；

b.将可旋转反射镜（3）向负方向旋转，检测回波信号强度P(z)，定义距离平方校正信号如下：

S(z)＝P(z)z²，

等价判据定义如下：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}S\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C₁，当前位置记为W₁；

c.将可旋转反射镜（3）向正方向旋转，检测回波信号强度P(z)，定义距离平方校正信号如下：

S(z)＝P(z)z²，

等价判据定义如下：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}S\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C₂，当前位置记为W₂；

d.比较等价判据值C₀、C₁以及C₂的大小，判断W₀是否处于最佳位置：当C₁、C₂的值均小于C₀时，表明此时W₀处于最佳位置，将可旋转反射镜（3）重新调回到W₀，调节结束；当C₁、C₂的值均不小于C₀时，表明此时W₀不处于最佳位置，根据C₁以及C₂的大小，控制X轴执行机构（12）或Y轴执行机构（14）将可旋转反射镜（3）旋转到上述W₁或W₂位置；

e.将当前位置记为W`₀，检测大气回波信号强度P(z)，定义距离平方校正信号如下：

S(z)＝P(z)z²，

等价判据定义如下：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}S\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C`₀；

f.相对于当前位置向正方向或负方向旋转θ角度，检测大气回波信号强度P(z)，定义距离平方校正信号如下：

S(z)＝P(z)z²，

等价判据定义如下：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}S\left(z\right)\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C`<sub>1</sub>，此时位置记为W`₁，旋转角度值为上次调节角度值的1.618倍；此次调节后，如果等价判据值C`<sub>1</sub>>C`₀，则返回步骤e继续执行；如果等价判据值C`<sub>1</sub><C`₀，则进入步骤g继续执行；

g.重新将可旋转反射镜（3）调回到W₀`位置，返回步骤a执行；

步骤3：将经步骤2处理后得到控制信号，通过X轴执行机构驱动器（11）及Y轴执行机构驱动器（13）控制X轴执行机构（12）和Y轴执行机构（14）调节可旋转反射镜（3）的角度，使得经过固定反射镜（4）反射后的出射激光束轴线与望远镜（5）轴线重合。

3.一种激光雷达几何重叠因子自动调整方法，其特征在于，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（1），脉冲激光器（1）的出射光侧依次设置有准直扩束系统（2）、可旋转反射镜（3）、固定反射镜（4）；接收光路包括望远镜（5），望远镜（5）的出射光侧依次设置有小孔光阑（6）、透镜（7）、滤光片（8）、光电检测器件（9）；数据采集与控制部分包括数据采集与控制系统（10），数据采集与控制系统（10）的输入端设置为所述的光电检测器件（9），数据采集与控制系统（10）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（11）、X轴执行机构（12），另一条支路上依次设置有Y轴执行机构驱动器（13）、Y轴执行机构（14），X轴执行机构（12）及Y轴执行机构（14）的输出端设置为所述的可旋转反射镜（3），

具体按照以下步骤实施：

步骤1：脉冲激光器（1）发出脉冲激光束，经准直扩束系统（2）准直扩束后，依次通过可旋转反射镜（3）、固定反射镜（4）转向后射向大气，产生回波信号，望远镜（5）接收回波信号，回波信号依次通过小孔光阑（6）、透镜（7）、滤光片（8），传递给光电检测器件（9）及数据采集与控制系统（10）；

步骤2：数据采集与控制系统（10）根据等价判据及优化算法对回波信号进行处理，具体的处理方法为：

a.将可旋转反射镜（3）的当前位置记为W₀，检测回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值P_max；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(z)/P_max(z)；然后，以距离z²作为权值，对归一化值P(z)/P_max进行积分，即采取以下判据：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}\frac{P\left(z\right)}{P_{\max }}{z}^2\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C₀；

b.将可旋转反射镜（3）向负方向旋转，检测回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值P_max；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(z)/P_max(z)；然后，以距离z²作为权值，对归一化值P(z)/P_max进行积分，即采取以下判据：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}\frac{P\left(z\right)}{P_{\max }}{z}^2\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C₁，当前位置记为W₁；

c.将可旋转反射镜（3）向正方向旋转，检测回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值P_max；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(z)/P_max(z)；然后，以距离z²作为权值，对归一化值P(z)/P_max进行积分，即采取以下判据：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}\frac{P\left(z\right)}{P_{\max }}{z}^2\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C₂，当前位置记为W₂；

d.比较等价判据值C₀、C₁以及C₂的大小，判断W₀是否处于最佳位置：当C₁、C₂的值均小于C₀时，表明此时W₀处于最佳位置，将可旋转反射镜（3）重新调回到W₀，调节结束；当C₁、C₂的值均不小于C₀时，表明此时W₀不处于最佳位置，根据C₁以及C₂的大小，控制X轴执行机构（12）或Y轴执行机构（14）将可旋转反射镜（3）旋转到上述W₁或W₂位置；

e.将当前位置记为W`₀，检测大气回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值P_max；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(z)/P_max(z)；然后，以距离z²作为权值，对归一化值P(z)/P_max进行积分，即采取以下判据：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}\frac{P\left(z\right)}{P_{\max }}{z}^2\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C`₀；

f.相对于当前位置向正方向或负方向旋转θ角度，检测大气回波信号强度P(z)，寻找到强度最大值P_max；其次，进行归一化处理，将每个点的强度值除以该最大值，即P(z)/P_max(z)；然后，以距离z²作为权值，对归一化值P(z)/P_max进行积分，即采取以下判据：

$C={\&Integral;}_0^{z_2}\frac{P\left(z\right)}{P_{\max }}{z}^2\mathrm{dz},$

式中，z₂为P(z)在一定误差范围内接近P(∞)的距离，通过该式计算出的等价判据值记为C`<sub>1</sub>，此时位置记为W`₁，旋转角度值为上次调节角度值的1.618倍；此次调节后，如果等价判据值C`<sub>1</sub>>C`₀，则返回步骤e继续执行；如果等价判据值C`<sub>1</sub><C`₀，则进入步骤g继续执行；

g.重新将可旋转反射镜（3）调回到W₀`位置，返回步骤a执行；

步骤3：将经步骤2处理后得到控制信号，通过X轴执行机构驱动器（11）及Y轴执行机构驱动器（13）控制X轴执行机构（12）和Y轴执行机构（14）调节可旋转反射镜（3）的角度，使得经过固定反射镜（4）反射后的出射激光束轴线与望远镜（5）轴线重合。

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