一種中大型激光雷達(dá)幾何重疊因子的測量方法及測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種中大型激光雷達(dá)幾何重疊因子的測量方法及測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光雷達(dá)是一種主動遙感的探測工具，目前已廣泛應(yīng)用于大氣氣溶膠研究、大氣 光學(xué)研究、大氣環(huán)境監(jiān)測、全球氣候預(yù)測等領(lǐng)域。米散射激光雷達(dá)用于測量邊界層氣溶膠分 布情況。將激光雷達(dá)系統(tǒng)連接計算機(jī)后，根據(jù)計算機(jī)軟件輸出的數(shù)據(jù)，得到氣溶膠垂直分布 廓線；根據(jù)化rnaW、Klett、斜率法等方法，反演大氣氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)等光 學(xué)特性數(shù)值利用激光雷達(dá)進(jìn)行大氣探測，雷達(dá)系統(tǒng)本身的限制會給測量結(jié)果造成無法避免 的系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差可W通過分析激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作特性訂正，如激光雷達(dá)的幾何重 疊因子，當(dāng)激光雷達(dá)激光的發(fā)散角與望遠(yuǎn)鏡的接收視場角部分重合時，發(fā)射激光僅有一部 分被有效利用，由該種視場角部分重疊的幾何關(guān)系確定的用于訂正的物理量稱為激光雷達(dá) 的幾何重疊因子。
[0003] 激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)的軸線相互平行或重合，稱為平行軸系統(tǒng)或共軸 系統(tǒng)。米散射激光雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的激光束有一定的發(fā)散角。原則上，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡接收視場角 略大于激光束發(fā)散角時，回波信號可W完全進(jìn)入視場角。但是在距離地面約1000m高度內(nèi)， 激光的發(fā)散角與望遠(yuǎn)鏡的視場角部分重合，發(fā)射激光僅僅部分被有效接收，由該種部分重 疊的幾何關(guān)系確定的因子稱為激光雷達(dá)的幾何重疊因子。如圖1所示，近地面發(fā)射系統(tǒng)14 和接收系統(tǒng)15的視場無重疊部分；隨著高度升高，重疊部分增多，幾何重疊因子逐漸增大； 到達(dá)某一高度，激光發(fā)散區(qū)域完全落入望遠(yuǎn)鏡視場角內(nèi)，幾何重疊因子為1 ;此臨界高度W 上的探測數(shù)據(jù)沒有由幾何重疊因子造成的誤差。幾何重疊因子是大于等0、小于或等于1的 無量綱數(shù)，反映了發(fā)射激光的利用效率，它造成近地面測量的回波功率小于實(shí)際大氣的回 波功率，導(dǎo)致測量結(jié)果的誤差，因而必須對激光雷達(dá)進(jìn)行幾何重疊因子的修正。
[0004] 幾何重疊因子的計算，主要依靠實(shí)驗(yàn)的方法，包括水平發(fā)射法、均勻大氣垂直測量 法、其他通道協(xié)助測量法。水平探測法在大氣分布均勻的晴朗夜空進(jìn)行，要求激光雷達(dá)系統(tǒng) 的發(fā)射系統(tǒng)水平發(fā)射。對于望遠(yuǎn)鏡固定的激光雷達(dá)系統(tǒng)或是無法移動的大型激光雷達(dá)系 統(tǒng)，水平探測無法實(shí)現(xiàn)，因此采用水平探測法直接求得大激光雷達(dá)幾何重疊因子的方法不 可用。均勻大氣垂直測量法對發(fā)射方向要求較低，一般激光雷達(dá)均可進(jìn)行垂直發(fā)射，假設(shè)不 同高度處大氣氣溶膠光學(xué)參數(shù)相同，計算方法類似于水平方法。此實(shí)驗(yàn)方法必須選擇大風(fēng)、 晴朗、干燥的天氣，大氣邊界層的氣溶膠垂直分布十分均勻時進(jìn)行，條件嚴(yán)苛。滿足天氣條 件后測量出的幾何重疊因子還是有很大的誤差，即使大氣分子運(yùn)動速度十分快，還是會因 為重力作用使大氣上下分布密度不均，因此大氣氣溶膠濃度垂直分布也不完全均勻。該方 法假設(shè)大氣垂直方向均勻，但往往與事實(shí)相惇。其他通道協(xié)助的方法，是指負(fù)責(zé)的激光雷達(dá) 系統(tǒng)包含拉曼通道，可W使用拉曼通道，得到幾何重疊因子。該方法要求系統(tǒng)內(nèi)有其他通道 可W比較、借鑒。但一般激光雷達(dá)并不具有該些通道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，提供一種能有效提高中、 大型激光雷達(dá)幾何重疊因子的測量準(zhǔn)確性的方法。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種中大型激光雷達(dá)幾何重疊因子的測量方 法，包括W下步驟：
[0007] (1)測定微型激光雷達(dá)的幾何重疊因子；
[000引 （2)運(yùn)用對比法，由微型激光雷達(dá)的幾何重疊因子估算待測中大型激光雷達(dá)的幾 何重疊因子。
[0009] 其中，步驟（1)中微型激光雷達(dá)的幾何重疊因子采用水平探測法進(jìn)行測定。
[0010] 步驟似中具體估算方法為：
[0011] a、將待測中大型激光雷達(dá)與微型激光雷達(dá)在相同條件下垂直探測，分別得到待測 雷達(dá)回波功率曲線和微型雷達(dá)回波功率曲線；利用步驟（1)中測得的幾何重疊因子修正微 型雷達(dá)回波功率曲線，得到實(shí)際回波功率曲線；
[0012] b、在待測中大型激光雷達(dá)的幾何重疊因子修正待測雷達(dá)回波功率曲線后所得待 測雷達(dá)修正回波功率曲線與實(shí)際大氣功率曲線十分接近的假設(shè)條件下，限定待測中大型激 光雷達(dá)幾何重疊因子的范圍，運(yùn)用二分法，使得待測雷達(dá)修正回波功率曲線反演所得消光 系數(shù)與實(shí)際回波功率曲線反演所得消光系數(shù)接近，從而求解待測中大型激光雷達(dá)的幾何重 疊因子。
[0013] 步驟b中待測中大型激光雷達(dá)幾何重疊因子的具體求解方法如下；根據(jù)實(shí)際回波 功率曲線得到某高度Z。處的實(shí)際回波功率，通過化rnald法反演出高度Z。處的實(shí)際消光 系數(shù)a(Z。）；賦予待測中大型激光雷達(dá)在高度Z。處的幾何重疊因子n(Z。）一個0、1之間 的假定值，利用該值對待測雷達(dá)回波功率曲線進(jìn)行修正，得到高度Z。處的回波功率，通過 Fernald法反演出高度Z。處的新消光系數(shù)a" (Z。），在a" (Z。）與a(z。）接近的前提下， 利用二分法，不斷縮小n(z。）的精確值范圍，從而確定待測中大型激光雷達(dá)在高度Z。處的 幾何重疊因子值。
[0014] 本發(fā)明測量方法還包括W下步驟：根據(jù)待測中大型激光雷達(dá)系統(tǒng)的空間分辨率 S，將地面到高度H。處均分為出。/ 5 ]份，取出。/S]+1個采樣點(diǎn)，其中，"□"表示對括號內(nèi) 表達(dá)式取整數(shù)；每一個采樣點(diǎn)通過步驟（2)計算一個幾何重疊因子，運(yùn)算時從H。循環(huán)到距 地面最近的點(diǎn)，由此得到待測中大型激光雷達(dá)的幾何重疊因子隨高度的分布曲線。
[0015] 本發(fā)明還提供了一種中大型激光雷達(dá)幾何重疊因子測量系統(tǒng)，包括上述微型激光 雷達(dá)，該微型激光雷達(dá)采用米散射激光雷達(dá)，包括：
[0016] 發(fā)射系統(tǒng)，用于發(fā)射準(zhǔn)直激光脈沖；
[0017] 接收系統(tǒng)，用于接收與大氣氣溶膠分子發(fā)生相互作用后返回的激光信號；
[0018] 信息采集系統(tǒng)，用于將接收系統(tǒng)接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；
[0019] 本發(fā)明測量系統(tǒng)還包括信息處理系統(tǒng)，用于接收微型激光雷達(dá)和待測中大型激光 雷達(dá)輸出的信號，并進(jìn)行分析處理。
[0020] 本發(fā)明測量系統(tǒng)還包括外部支架；接收系統(tǒng)設(shè)于外部支架上，包括望遠(yuǎn)鏡鏡筒、望 遠(yuǎn)鏡主鏡片、準(zhǔn)直裝置；望遠(yuǎn)鏡主鏡片設(shè)于望遠(yuǎn)鏡鏡筒頂部；激光信號依次經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡主 鏡片和準(zhǔn)直裝置后進(jìn)入信息采集系統(tǒng)；望遠(yuǎn)鏡鏡筒的左側(cè)和下部分別安裝有水平儀。
[0021] 上述準(zhǔn)直裝置包括用于阻擋經(jīng)過所述望遠(yuǎn)鏡主鏡片焦點(diǎn)的激光信號的小孔光闊、 準(zhǔn)直鏡和濾光片；激光信號通過望遠(yuǎn)鏡主鏡片后，依次通過小孔光闊、準(zhǔn)直鏡和濾光片進(jìn)入 信息采集系統(tǒng)。
[0022] 上述外部支架包括底座、豎直支架和水平支架；豎直支架為兩個，分別左右垂直設(shè) 于底座上；水平支架可上下移動地設(shè)于豎直支架之間；望遠(yuǎn)鏡鏡筒可轉(zhuǎn)動地設(shè)于水平支架 上。
[002引上述發(fā)射系統(tǒng)采用微型二極管累浦Nd:YAG固體激光器；信息采集系統(tǒng)采用光電 倍增管。
[0024] 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0025] 1、利用本發(fā)明測量方法能精確測量任意未知幾何重疊因子的激光雷達(dá)系統(tǒng)的幾 何重疊因子，該克服了一些接收系統(tǒng)固定的大型激光雷達(dá)幾何重疊因子測量的困難，使得 由激光雷達(dá)的幾何重疊因子帶來的較大誤差可W訂正，提高了測量的準(zhǔn)確性。
[0026] 2、本發(fā)明所設(shè)及的微型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡單，組裝的過程簡便快 捷，體型小易于攜帶、轉(zhuǎn)移，成本節(jié)?。磺覍νh(yuǎn)鏡鏡筒可調(diào)的小型激光雷達(dá)進(jìn)行改裝就可 實(shí)現(xiàn)本微型激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作，有利于推廣和應(yīng)用。
[0027] 3、利用本發(fā)明測量方法只需進(jìn)行一次水平探測求解微型激光雷達(dá)系統(tǒng)的幾何重 疊因子，然后再利用該微型激光雷達(dá)系統(tǒng)求解待測系統(tǒng)的幾何重疊因子，不需要再重復(fù)測 量，省時省力，可行性很大。
【附圖說明】
[002引圖1為幾何重疊因子的原理圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明測量系統(tǒng)中微型激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)