激光雷达几何重叠因子自校正技术研究

【摘要】：激光雷达是一种主动式光学遥感技术,近年来在大气遥感、气候和环境监测领域取得了广泛的应用。米散射激光雷达、偏振激光雷达、拉曼散射激光雷达、差分吸收激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、瑞利散射激光雷达、共振荧光激光雷达以及多普勒激光雷达是大气探测激光雷达的主要形式,在大气温度、湿度、汽溶胶、云、沙尘、霾等气候和环境监测领域中发挥着越来越重要的作用。几何重叠因子是大气探测激光雷达的重要参数指标,严重影响着激光雷达系统的探测性能,其能够表征激光发射子系统和望远镜接收子系统之间的视场匹配情况。当发射、接收子系统之间的光轴处于平行状态时,激光雷达可以获得高性能和高精度的探测结果;当发射、接收子系统之间的光轴处于不平行状态时,激光雷达的探测精度和探测能力受到限制。因此,开展激光雷达几何重叠因子校正技术研究是提升激光雷达探测性能的重要环节。本论文基于非同轴激光雷达系统开展激光雷达几何重叠因子的自校正技术研究,以实现激光雷达系统性能的自校正和自动提升性能。论文首先对非同轴激光雷达几何重叠因子的影响因素进行了分析,分析了激光雷达光束发散角、望远镜接收视场角、发射系统和接收系统的光轴分离距离、发射系统和接收系统的光轴倾角四个系统参数对几何重叠因子的影响情况,尤其是发射系统和接收系统光轴分别处于平行和不平行状态时系统几何重叠因子的分布情况。仿真了几何重叠因子变化对激光雷达系统探测性能的影响。论文在仿真分析的基础上,搭建激光雷达几何重叠因子的自校正硬件系统,并采用回波信号强度法实现对激光雷达系统性能的自动判定,并利用粗扫描和细扫描相结合的方法对发射系统的光轴倾角进行调整。激光雷达几何重叠因子自校正硬件系统除包含激光雷达发射与接收子系统、光电监测与数据采集子系统外,还包括一个二维倾角调节平台以及一个激光强度校正子系统。其中激光强度校正子系统主要消除激光器脉冲抖动所造成的光轴校正判据的误差来源,而二维倾角调节平台采用蜗轮蜗杆进行传动和力矩转换,并由两台二相步进电机在电机驱动控制器SR2的信号驱动控制下进行最小倾角0.0025mrad/step的角度调节。二维倾角调节平台可使得激光发射光轴以粗扫描和细扫描两种时序进行光轴方向调整,其中粗扫描采用环形扫描时序,调节步距角为0.4mrad,细扫描采用S形扫描和折半法扫描两种时序以提高调整速度,调节步距角为0.02 mrad。激光雷达几何重叠因子自校正软件系统分别采用Lab VIEW平台和Quartus Ⅱ平台进行设计,其中Lab VIEW平台主要设计大气回波信号处理软件和光轴倾角调节平台控制软件,以同时实现激光雷达数据的实时采集、显示和存储以及二维倾角调节平台的手动/自动控制;Quartus Ⅱ平台实现激光发射光轴的粗扫描和细扫描的逻辑控制设计。基于大气回波信号强度法,软件分别设计了大气回波信号积分、极限探测距离、信噪比等三种最佳位置判据方法,以实现对激光雷达几何重叠因子的自校正功能。在完成激光雷达几何重叠因子自校正软硬件系统的搭建之后,开展了激光雷达几何重叠因子自校正系统的实验验证。实验结果表明,二维倾角平台的粗扫描可在16min1s内完成,并将最佳校正范围锁定在0.4 mrad×0.4 mrad倾角范围内;细扫描可在7min21s内完成,并实现0.0025 mrad倾角精度的调节。二维倾角平台的蜗轮蜗杆可实现系统自锁,长时间保持激光雷达发射光轴的稳定性,为精确反演大气状态信息提供可靠的系统保障。