CN113917473A - 一种适用于雨雾环境的脉冲式偏振激光测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于雨雾环境的脉冲式偏振激光测距方法，激光经过起偏器后变成竖直方向的发射线偏振光，线偏振光在典型干扰环境中传输时由于粒子的多次散射效应使线偏振光发生退偏，回波变成部分偏振光，以线偏振光为主并且保持原线偏振方向；经过探测目标表面后向散射的偏振光几乎完全退偏，该回波的水平分量和竖直分量几乎相等，并且水平分量要远大于典型干扰环境回波的水平分量，4个检偏器分别在位置0°、45°、90°和135°，根据大气光强A计算部分偏振光的偏振度，只有当偏振度P<P0时，才把探测光强视为目标反射光，准确区分典型干扰环境的反射回波和目标表面的反射回波，通过判断探测目标反射回来的回波进行测量距离。
Description
技术领域
本发明涉及激光测距测量技术领域，具体为一种适用于雨雾环境的脉冲式偏振激光测距方法。
背景技术
激光测距作为一种测量距离的手段，测距精度是一个重要的指标。现有的激光测距方法有脉冲法，相位法，三角法。脉冲式激光测距的一般原理是，激光测距仪发射一束测距激光，测距激光照射到目标物之后，反射一个目标回波信号并由激光测距仪接收，激光测距仪计算激光飞行的时间差，根据时间差和光在空气中的传播速度计算出激光发射点到达目标表面的距离。
脉冲激光测距主要难点在于得到发送光信号到接收光信号的时长差，而时长差是由接收到激光信号时刻减去发射激光信号时刻得到的，发射激光信号的时间是确定已知的，关键在于能否从接收到的激光回波信号中找到反射回来的脉冲信号，找到了回波信号就可以确定反射时刻，激光脉冲信号在大气中传播时有衰减，受环境、天气等等因素影响，所以准确的区分回波信号，降低虚警概率，可以提高测量精度和综合性能。
因此，以脉冲激光测距仪简单易行的工作原理为基础,本文提出了一种适用于雨雾环境的脉冲式偏振激光测距方法,提高了测量精度和系统的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于雨雾环境的脉冲式偏振激光测距方法，解决了现有技术中复杂环境干扰下，脉冲激光测距存在散射回波误判率高的问题，准确找到探测目标的回波信号，提高测量精度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：偏振脉冲激光在典型干扰环境(云、雨、雾、雪、沙尘)下，到达探测器的光强主要包括两部分：一是探测目标的反射光，包含了探测目标的强度信息，该部分光强以自然光为主；二是典型大气干扰环境下粒子散射导致的杂散光，也称大气光，它是典型大气干扰环境下激光探测的主要干扰因素，该部分光强以部分偏振光为主，该偏振光会被误认为是探测目标反射光，会导致测距虚警。
为了降低虚警率，本发明采用一种四接收式偏振激光测距的方法，激光经过起偏器(假设竖直方向)后变成竖直方向的发射线偏振光，线偏振光在典型干扰环境中传输时由于粒子的多次散射效应使线偏振光发生退偏，回波变成部分偏振光，以线偏振光为主并且保持原线偏振方向；经过探测目标表面后向散射的偏振光几乎完全退偏(近似为自然光)，该回波的水平分量和竖直分量几乎相等，并且水平分量要远大于典型干扰环境回波(仅部分退偏)的水平分量，在接收端有1至4个检偏器，4个检偏器分别在位置0°、45°、90°和135°，到达探测器接收端的总光强是目标反射光强D(自然光)和大气光强A(部分偏振光)的非相干叠加，表示为I＝D+A。根据大气光强A计算部分偏振光的偏振度，并设置最小偏振度作为阈值P0，只有当偏振度P<P0时，才把探测光强视为目标反射光，准确区分典型干扰环境的反射回波和目标表面的反射回波，通过判断探测目标反射回来的回波进行测量距离。
有益效果
本发明提供了一种适用于雨雾环境的脉冲式偏振激光测距方法，具备以下有益效果：
本发明在接收端采用1到4接收式检偏器，通过偏振比例确定探测目标的回波，对回波信号退偏度的判断，舍弃回波信号过弱或过强的测量信号，来获得更准确的目标表面回波信号，提高激光测距的测量精度。
附图说明
图1是本发明的激光测距结构示意图；
图2是本发明的4个接收式偏振脉冲激光接收系统原理图；
图3是本发明的2个接收式偏振脉冲激光接收系统原理图；
图4是本发明的1个接收式偏振脉冲激光接收系统原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种适用于雨雾环境的脉冲式偏振激光测距方法，包括如下步骤：
步骤1：首先由激光发射端发射一个标准激光脉冲，经过竖直方向的起偏器后变成线偏振光，该线偏振光经过分光器分为两束，一束直接入射接收系统作为起始信号，相当于发射脉冲，另一束将发射的标准激光脉冲作为参考脉冲送入主波采样器，经过光电探测器转换为电脉冲后，作为提供计时起始信号；
步骤2：由于粒子的多次散射会使线偏振光发生退偏，经过典型干扰环境后的线偏振光退偏一部分成为部分偏振光，而经过探测目标表面后的偏振光几乎完全退偏成为自然光，发生退偏的偏振光将回波反射回接收光学系统，根于工程和实际需要，接收光学系统分为三种接收方式:一是四个检偏器接收，二是两个检偏器接收，三是单个检偏器接收，三种方式具体工作流程如下：
四个检偏器接收：结合图2在接收端有四个检偏器，每个检偏器相差45°,接收的总光强是探测目标反射光强和大气光强的非相干叠加，接收的偏振光的偏振态程度的量化值用偏振度P表示：
其中，I表示光的总强度；Q表示0°与90°线偏振光分量之差；U表示45°与135°线偏振光分量之差；V表示右旋与左旋圆偏振光分量之差，采用斯托克斯参量I、Q、U、V；当偏振度P等于0时为完全非偏振光；当偏振度的值越接近1，表示光线的偏振化程度就越高，即完全偏振；P0为偏振度1时的探测目标表面回波信号，结合实际情况能量集中在95％，因此P0设置为0.95，此时只要设定P0为0.95的阈值即可区分典型干扰环境的回波和探测目标表面的回波，通过阈值的设定过滤掉环境干扰信号和噪声信号，此方法计算最精确但成本也越高；
两个检偏器接收：结合图3接收端是两个检偏器，两个检偏器相互垂直，线偏振光入射的退偏度为与入射光偏振方向相垂直的方向上的散射光的强度I⊥与相平行的方向的散射光的强度I||，之间的比值:
其中，I||为平行方向的光强，I⊥为垂直方向的光强。
若I⊥＝I||，此时Dep＝1，散射光为自然光，该检测的为探测目标回波，若I⊥＝0，则此时Dep＝0，散射光仍为线偏振光，没有发生退偏。若0＜I⊥＜I||，则0<Dep<1，此时散射光为部分偏振光这两种情况均为典型环境干扰产生的回波。此时只要在水平检偏器与竖直检偏器设定Dep为1的阈值即可区分典型干扰环境的回波和目标表面的回波。
单个检偏器接收：结合图4接收端1个检偏器，对于经过探测目标表面后的偏振光几乎完全退偏成为自然光，该回波的水平分量和竖直分量几乎相等，并且水平分量要远大于典型干扰环境回波(仅部分退偏)的水平分量，此时只要检偏器检测水平分量大的就预判为探测目标回波即可区分典型干扰环境的回波和目标表面的回波。此方法精确度不高，但成本小。
三种方法均可以区分探测目标回波与典型环境干扰回波，降低虚警率，滤除典型环境干扰信号和噪声信号，可以根据工程需要合理选择。
步骤3：在进行信号处理和计算时，无法直接使用光电信号，因此需要将光信号进行光电转换，转换为与光信号波形相对应的电信号形式的回波波形，将回波经过APD光电探测器进行光电转换，将探测目标反射回来的回波脉冲信号通过回波接收光学系统的汇聚之后，经过放大后，高速采样板对回波信号进行高速采样。
步骤4：通过判断探测目标反射回来的回波峰值位置计数器停止计数；利用初始时刻鉴别法，根据计时模块测脉冲所需要的时间t，计算距离，并通过上位机控制器读取和保存数据，单次高频测距结束；若将信号再继续通过脉冲半导体激光驱动器可以进行连续高频测距。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种适用于雨雾环境的脉冲式偏振激光测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：首先由激光发射端发射一个标准激光脉冲，经过竖直方向的起偏器后变成线偏振光，该线偏振光经过分光器分为两束，一束直接入射接收系统作为起始信号，相当于发射脉冲，另一束将发射的标准激光脉冲作为参考脉冲送入主波采样器，经过光电探测器转换为电脉冲后，作为提供计时起始信号；
步骤2：由于粒子的多次散射会使线偏振光发生退偏，经过典型干扰环境后的偏振光退偏一部分成为部分偏振光，而经过探测目标表面后的偏振光几乎完全退偏成为自然光，发生退偏的偏振光将回波反射回接收光学系统；
步骤3：在进行信号处理和计算时，无法直接使用光电信号，因此需要将光信号进行光电转换，转换为与光信号波形相对应的电信号形式的回波波形，将回波经过APD光电探测器进行光电转换，将探测目标反射回来的回波脉冲信号通过回波接收光学系统的汇聚之后，经过放大后，高速采样板对回波信号进行高速采样；
步骤4：通过判断探测目标反射回来的回波峰值位置计数器停止计数；利用初始时刻鉴别法，根据计时模块测脉冲所需要的时间t，计算距离，并通过上位机控制器读取和保存数据，单次高频测距结束；若将信号再继续通过脉冲半导体激光驱动器可以进行连续高频测距。
2.根据权利要求1所述的一种适用于雨雾环境的脉冲式偏振激光测距方法，其特征在于，接收光学系统分为三种接收方式:一是四个检偏器接收，二是两个检偏器接收，三是单个检偏器接收，三种方式具体工作流程如下：
四个检偏器接收：在接收端有四个检偏器，每个检偏器相差45°,接收的总光强是探测目标反射光强和大气光强的非相干叠加，接收的偏振光的偏振态程度的量化值用偏振度P表示：
其中，I表示光的总强度；Q表示0°与90°线偏振光分量之差；U表示45°与135°线偏振光分量之差；V表示右旋与左旋圆偏振光分量之差，采用斯托克斯参量I、Q、U、V；当偏振度P等于0时为完全非偏振光；当偏振度的值越接近1，表示光线的偏振化程度就越高，即完全偏振；P0为偏振度1时的探测目标表面回波信号，结合实际情况能量集中在95％，因此P0设置为0.95，此时只要设定P0为0.95的阈值即可区分典型干扰环境的回波和探测目标表面的回波，通过阈值的设定过滤掉环境干扰信号和噪声信号，此方法计算最精确但成本也越大；
两个检偏器接收：接收端是两个检偏器，两个检偏器相互垂直，线偏振光入射的退偏度为与入射光偏振方向相垂直的方向上的散射光的强度I⊥与相平行的方向的散射光的强度I||，之间的比值:
其中，I||为平行方向的光强，I⊥为垂直方向的光强；
若I⊥＝I||，此时Dep＝1，散射光为自然光，该检测的为探测目标回波，若I⊥＝0，则此时Dep＝0，散射光仍为线偏振光，没有发生退偏；若0＜I⊥＜I||，则0<Dep<1，此时散射光为部分偏振光这两种情况均为典型环境干扰产生的回波。此时只要在水平检偏器与竖直检偏器设定Dep为1的阈值即可区分典型干扰环境的回波和目标表面的回波；
单个检偏器接收：接收端为1个检偏器，对于经过探测目标表面后的偏振光几乎完全退偏成为自然光，该回波的水平分量和竖直分量几乎相等，并且水平分量要远大于典型干扰环境回波的水平分量，此时只要检偏器检测水平分量大的就预判为探测目标回波即可区分典型干扰环境的回波和目标表面的回波。
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