输出值信息处理系统。
[0028] 信息处理系统包括光子计数器、示波器和计算机，用于接收微型激光雷达和待测 中大型激光雷达输出的信号，并进行分析处理。
[0029] 本实用新型进行中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法具体如下：
[0030] 步骤一：利用水平探测法求解微型米散射激光雷达的几何重叠因子。
[0031] 气溶胶探测原理基于米散射激光雷达方程
[0033]式中，P(R)是激光雷达接收到距离R处的大气后向散射回波功率，c是光速，E。是 发射激光脉冲能量，n(R)为此激光雷达系统的几何重叠因子，4为望远镜的有效接收面 积，P(R)是大气后向散射系数，I；、Tt分别为发射单元和接收单元的透过率。T(R)是大气 透过率，，表达式为
[0035] r为是R以内的不同距离。
[0036] 在空气洁净、天气晴朗的夜空，大气可以视为水平均匀分布，本微型米散射激光雷 达系统进行水平发射实验。此时气溶胶的后向散射系数P(R)、消光系数a(R)均为常数 aH，此时大气透过率表达式为：T(R)=exp{-R*aH};因此激光雷达方程变为
[0037] P(R) =CP。n(R)Pexp(-2aHR)R2 ⑶
[0038] 式中P。是激光发射功率，aH是水平大气消光系数，C是激光雷达系统常数，包含 了c、4、TJt等常数。设距离R。处激光发射光束已全部在接受望远镜视场角内，此时n(z) =1，方程变为：
[0039] P(Rit) = Cfl^R0- Ra)C4)
[0040] 将（3)、⑷两式相比，得到几何重叠因子表达式：
[0041] Inn(R) = 2aH (R-R0)+In(P(R)R2)-In(P(R0)R02) (5)
[0042] 上式即代表运用水平探测法求解本微型激光雷达系统的几何重叠因子的原理。 aH为水平探测时的消光系数，可以通过斜率法求得，求解方法如下：
[0043]在均匀大气层中，后向散射系数P(R)和消光系数a(R)在该范围内是常数，在这 种情况下，a(R)可由简单的斜率法求得，将激光雷达方程简化：
[0051] 对曲线D(R)进行最小二乘法拟合，求出曲线的斜率，即得到均匀大气的消光系 数。将求出的消光系数代入（5)式，求得本微型激光雷达系统的几何重叠因子。
[0052] 水平探测法的具体实施：在晴朗、干净、以自由对流为主的夜晚，调节本微型激光 雷达系统水平发射。每次接收5000个左右的脉冲进行累加平均以降低信号自身起伏造成 的随机噪声。运用测得数据，作出回波功率曲线P(R)。P(R)的峰值处高度即几何重叠因子 为1时的临界高度私。本专利涉及的微型激光雷达系统的几何重叠因子求解步骤如下：
[0053] ①利用斜率法求水平探测气溶胶的消光系数：根据水平探测数据，作出后向散射 回波功率随距离分布的P(R)曲线，继而根据P(R)与D(R)之间的关系：D(R) =InP(R) ?#， 作出D(R)的曲线；对D(R)进行最小二乘法拟合，得到D(R)的斜率，即水平探测的消光系数 QH0
[0054] ②根据P(R)峰值处高度值可以得到几何重叠因子为的水平距离R。，将R。、a H代入 方程（5)，得到n (R)。
[0055] ③作出n(R)的曲线，即几何重叠因子的分布廓线。
[0056] 步骤二：运用对比法，由本系统的几何重叠因子估算中大型激光雷达的几何重叠 因子。
[0057] 选择晴朗天气的夜晚，将本系统与几何重叠因子待测系统置于同一观测位置，同 时进行垂直探测，实验过程中，要求两系统距离尽量靠近。将激光器和望远镜置于同一高 度，调节望远镜镜筒，保证两系统的接收系统均竖直向上进行探测，且两个系统的望远镜视 场角无重叠部分。控制探测过程中两系统的硬件参数，得到系统修正常数d，设本激光雷达 系统的系统参数为C1，待测系统的系统常数为C2，则C2=C1(1。一段时间后，根据计算机软 件采集到的数据，得到两条气溶胶回波功率随高度分布的曲线。
[0058] 根据本激光雷达系统在各个高度的几何重叠因子，修正本系统的回波功率曲线， 得到某个时段内实际的回波功率曲线P(Z)，z为高度；几何重叠因子待测系统观测到的同 一时段的回波功率曲线为P'（z);设这个待测系统在某高度处的几何重叠因子为n(z。)， 三者之间的关系如下公式（10. 1)所示：
[0061] 求解几何重叠因子n (Z。）的目的是订正待测统探测到的回波曲线，使得此曲线与 实际大气回波曲线基本吻合。激光雷达研究的是大气中气溶胶或云等目标物粒子的消光特 性，由大气某高度实际回波功率P(Zc)可以求得实际大气在此高度实际消光系数a(Z。）；赋 予n(Z。）一个0、1之间的假定值，利用公式（10.2)进行修正后得到P"(z。），即由待测系统 P'（z。）通过假设的几何重叠因子值修正后的实际大气回波功率，由P"(z。）反演出的新的大 气消光系数a"(z。)，此值应该与P(z。）对应的大气实际消光系数的值a(z。）十分接近，满 足
[0062] 卜（z〇)-a "（z〇)I彡II(11)
[0063] I1为控制实际大气消光系数与修正后大气消光系数吻合的程度，满足此精度时 得到的n(z。）即为此高度几何重叠因子的近似值。a(z。）由P(z。）通过Fernald法反演求 出，a"（z。）由P"（z。）通过Fernald法反演出。
[0064] 利用Fernald反演方法，结合计算机编程，可以分别根据P(z。)、P"（z。）反演出 a(z。)、a"（z。）。求出z。高度处的几何重叠因子q(z。）的精确值，具体如下：
[0065] 控制一个几何重叠因子求解范围：[0, 1]。结合两个消光系数之差满足的条件 a(zQ)-a"(z。）I彡U11)，利用二分法，不断缩小q(z。）的精确值范围[a，b]，直到它所 在区间宽度满足精度I2，即[a，b]彡12时，确定此高度的几何重叠因子值。其中，IpI2 取值为本微型激光雷达得到的大气实际回波功率在高度上实际大气消光系数a(z。）的 百分之一。具体算法步骤如下：
[0066] ①几何重叠因子n(Z)的范围为[a,b]，令c= (a+b)/2 ;
[0067]②若（a(z。）_a" a (z。）-IDX( a(z。）-a"c (z。）-I1) <0,令b=c;
[0068] ③若（a(z0) _a" b (Z0) _IDX( a(z0) -a"c (z0) -I1) <0,令a=c;
[0069] ④如果此时|a_b| < |2,则令n (z。）为（a+b)/2 ;否则，重新从①开始执行，直至 满足|a_b| <C2的条件。
[0070] 上述算法中，a" a(z。)、a"b(z。）、a"。(2。）代表分别将a、b、c当做几何重叠 因子来修正待测系统得到的回波功率时对应的消光系数的值。
[0071] 根据待测激光雷达系统的空间分辨率S，将地面到H。均分为[H。/S]份，取[H。/ S]+1个采样点，其中，" □"表示对括号内表达式取整数。每一个采样点计算一个几何重叠 因子，运算时从H。循环到距地面最近的点。由此得到待测激光雷达系统的几何重叠因子随 高度的分布曲线。
【主权项】
1. 一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括微 型激光雷达和信息处理系统；所述微型激光雷达采用米散射激光雷达，包括发射准直激光 脉冲的发射系统、接收与大气气溶胶分子发生相互作用后返回的激光信号的接收系统、信 息采集系统；所述信息采集系统与接收系统相连；所述信息处理系统分别与所述微型激光 雷达的信息采集系统和待测中大型激光雷达相连。2. 根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括外部支架；所述 接收系统设于所述外部支架上；所述接收系统包括望远镜镜筒、望远镜主镜片、准直装置； 所述望远镜主镜片设于所述望远镜镜筒顶部；所述激光信号依次经过望远镜主镜片和准直 装置后进入信息采集系统；所述望远镜镜筒的左侧和下部分别安装有水平仪。3. 根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述准直装置包括用于阻挡经过所 述望远镜主镜片焦点的激光信号的小孔光阑、准直镜和滤光片；所述激光信号通过望远镜 主镜片后，依次通过小孔光阑、准直镜和滤光片进入信息采集系统。4. 根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述外部支架包括底座、竖直支架和 水平支架；所述竖直支架为两个，分别左右垂直设于底座上；所述水平支架可上下移动地 设于所述竖直支架之间；所述望远镜镜筒可转动地设于所述水平支架上。5. 根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述发射系统采用微型二极管栗浦 NchYAG固体激光器；所述信息采集系统采用光电倍增管。
【专利摘要】本实用新型公开了一种中大型激光雷达几何重叠因子测量系统，包括微型激光雷达和信息处理系统；所述微型激光雷达采用米散射激光雷达，包括发射准直激光脉冲的发射系统、接收与大气气溶胶分子发生相互作用后返回的激光信号的接收系统、信息采集系统；所述信息采集系统与接收系统相连；所述信息处理系统分别与所述微型激光雷达的信息采集系统和待测中大型激光雷达相连。利用本实用新型能有效提高中、大型激光雷达几何重叠因子的测量准确性。
【IPC分类】G01S7/40
【公开号】CN204789985
【申请号】CN201520510514
【发明人】卜令兵, 马宁堃, 黄兴友, 郜海洋
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月14日