CN113655464B - 一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法 - Google Patents

一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法。本发明在原沙姆成像激光雷达***的理论基础上引入新的***参数，并利用雷达***架构参数的不同设置组成多套激光发射‑接收‑探测光学***，结合接收端的数据重组处理算法，从而提升***探测精度和分辨率，并增大***有效探测距离，实现对大范围大气颗粒物的有效、实时探测。本发明能够解决传统沙姆成像激光雷达技术远距离空间分辨率低的问题，能够进一步提高大气颗粒物的探测距离与探测精度。

Description

一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，涉及一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法。
背景技术
随着全球现代化和工业化进程的快速推进，人们的交通出行、生产生活方式的不断升级发展，大气污染物排放等环境问题愈发严重。大气污染物主要有例如臭氧、二氧化硫、二氧化碳的气态污染物和例如PM2.5、PM10的颗粒状污染物，大气遥感探测技术及相关设备因其远距离、不接触式测量以及可自动操作等特点在大气污染监测中有着广泛的应用。
沙姆成像激光雷达技术基于沙姆成像原理：当成像***的物面与透镜不平行时，只要像面、物面及透镜所在平面三者相交于一条直线，依然可以对物面成清晰的像。对于大气污染监测而言，与传统大气探测激光雷达技术不同，沙姆成像激光雷达选择以高功率连续波二极管激光器而不是高性能纳秒量级脉冲激光器作为光源；以图像探测器进行成像探测而不是高灵敏度的光电探测器进行扫描探测；以角度分辨而不是时间分辨的方式获得空间分辨的大气后向散射信号，从而实现空间分辨的大气后向散射信号的探测。近年来，沙姆成像激光雷达以相比较而言对光源的低要求、简单的***设计以及较低的生产及维护成本，展示了其在大气环境监测方面的应用潜力，提供了一种新型的激光遥感监测技术。
沙姆成像激光雷达的技术原理图如图1所示，根据透镜方程以及几何光学基本原理，可以推导出沙姆成像激光雷达***接收望远镜的摆角以及图像探测器像素与距离的关系分别为：
式中：θ是成像面相对于成像透镜的倾角，φ是接收望远镜的摆角，f为接收望远镜的焦距，z0，p0分别为校准距离和校准像素位，L是发射端与接收端光轴间的间隔，L′为成像面中心与成像透镜间的间隔，因为φ很小，L′可近似看为L′＝L·tanθ，p代表每个像素单元在成像面上的位置(图1所标p以整个成像面的像素单元所在位置为例)。对上式进行微分，能够计算出距离分辨率随探测距离的变化(dp为像素间隔，看作一常数)：
由上式可看出，沙姆成像激光雷达***的空间分辨率会随测量距离的增大而变差。以***参数：L＝806mm，θ＝45°，f＝800mm，dp＝5.5μm，φ＝0.254°，像素数为2048×1024代入公式，可计算出沙姆成像激光雷达***的近距离空间分辨率非常高(厘米量级)，远距离的空间分辨率(7.5m)却低于传统脉冲式大气激光雷达，这就造成了沙姆成像激光雷达对于近距离大气探测精度非常高，远距离大气探测精度很差甚至探测不到的结果，如果能进一步提高沙姆成像激光雷达***的空间分辨率，尤其是远距离大气探测的空间分辨率，便能更大限度的发挥沙姆成像激光雷达的技术优点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法。
本发明包括以下步骤：
步骤(1)选择工作波长为800nm附近的高功率连续波二极管激光器；选择与该二极管激光器各参数指标相匹配的激光器驱动，用于精确控制二极管激光器芯片的温度和电流，从而调节二极管激光器的工作波长；选择折射式望远镜，用于将激光准直后发射到大气中；
选择牛顿反射式望远镜，用于收集发射到大气中后被大气分子、颗粒物吸收和散射后发射激光的后向散射信号；选择工作波长覆盖激光器波长的窄带滤光片，用于滤去由上述牛顿反射式望远镜收集到的后向散射信号中的背景光信号；
选择CMOS图像探测器。
步骤(2)以激光器驱动和二极管激光器为主构成发射端，牛顿反射式望远镜和窄带滤光片组成接收端、图像探测器为探测端，发射端、接收端和探测端所在平面相交于一条直线，实现对发射激光射入大气作用后产生的后向散射信号的清晰成像和探测，其中所述接收端和探测端至少两套以上，每一套接收端对应一套探测端。
步骤(3)将激光器驱动与二极管激光器相连接，控制二极管激光器的工作波长；二极管激光器发射激光至由折射式望远镜构成的准直***中，激光准直后射入大气中；
利用牛顿反射式望远镜与窄带滤光片构成的多套接收端分别收集经发射激光经大气作用多个距离段的后向散射信号；
多套探测端分别接收对应的接收端收集的后向散射信号，并将后向散射信号经过采集后输入至上位机进行数据的重组分析处理。
所述的重组分析处理具体是：先对接收到的数据进行预处理，再进行数据重组处理算法，最后利用沙姆成像大气激光雷达大气参数反演算法和处理后的数据对大气颗粒物的后向散射系数、消光系数进行反演；
所述数据重组处理算法具体是：图像探测器最后得到的数据结果呈现形式是像素点-后向散射信号强度值，每个像素点都对应一个在该像素点上探测到的大气后向散射信号强度的值，而根据沙姆成像原理，可得到图像探测器的像素点-距离值关系，也就是每个像素点都对应其探测距离位置的值，将这两种对应关系结合起来，就得到距离值-后向散射信号强度值的对应关系。
本发明的有益效果：
本发明适用于对大气颗粒物进行近、远距离的精准探测，不同于以往的单一发射-接收-探测光学***，本发明利用多套探测光学***，通过对雷达***参数L、θ、x的不同设置，能够对探测路径以距离远近程度进行划分分段，在保证每段距离上高分辨率探测的基础上实现全距离上大气颗粒物的精细探测，因此利用多套探测光学***进行探测，不论是精度还是准确度，与单一的发射-接收-探测光学***探测相比均有很大程度的提高。
本发明采用专门的数据重组处理算法，对多个图像探测器采集到的探测路径上的各段数据信息根据划分情况进行重组，最后还原完整的一条水平探测路径上各距离点上大气颗粒物的探测情况，从而使得本发明具有探测远近距离分辨率高、准确度高等优点。
附图说明
图1是沙姆成像激光雷达的技术原理图；
图2是整体装置构成示意图；
图3是本发明原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提出一种新型沙姆成像激光雷达***，在原沙姆成像激光雷达***的理论基础上引入新的***参数x，并利用雷达***架构参数的不同设置组成多套激光发射-接收-探测光学***，结合接收端的数据重组处理算法，从而提升***探测精度和分辨率，并增大***有效探测距离，实现对大范围大气颗粒物的有效、实时探测。本发明能够解决传统沙姆成像激光雷达技术远距离空间分辨率低的问题，能够进一步提高大气颗粒物的探测距离与探测精度。
以下给出本发明的实施例：
如图2所示，本实施例所涉及的装置包括激光器驱动1、二极管激光器2、准直***3、接收光学***4、接收光学***5、接收光学***6、图像探测器7、图像探测器8、图像探测器9、数据采集卡10和电脑PC端11。
本实施例的方法包括以下几个步骤：
步骤(1)选择合适的装置器件，与传统大气颗粒物探测激光雷达大多选用工作波长为532nm的纳秒量级脉冲激光器Nd:YAG激光器不同，本***选择成本更低、尺寸更小、稳定性更高的工作波长为800nm附近的高功率(1-20W)连续波二极管激光器；选择与上述二极管激光器各参数指标相匹配的激光器驱动，能够精确控制二极管激光器芯片的温度和电流，从而调节二极管激光器的工作波长；选择焦距为F(100mm-2000mm)、口径为D(10mm-1000mm)的折射式望远镜，将激光准直后发射到大气中；选择焦距为Fr(100mm-2000mm)、口径为Dr(20mm-1000mm)的牛顿反射式望远镜3个，收集发射到大气中后被大气分子及颗粒物吸收和散射后发射激光的后向散射信号；选择工作波长覆盖激光器波长，即中心波长在800nm附近、且透过率大于90％的窄带滤光片3个，滤去由上述牛顿反射式望远镜收集到的后向散射信号中的背景光信号；选择有效像素为2048(H)×1024(V)，量子效率在激光器波长处，即在800nm附近达到50％的CMOS图像探测器3个。
步骤(2)整体的装置结构搭建依据沙姆成像激光雷达技术原理—沙姆成像原理：利用当成像***的物面与透镜不平行时，只要像面、物面及透镜所在平面三者相交于一条直线，依然可以对物面成清晰的像。对本实施例而言，就是以激光器驱动和二极管激光器为主的发射端、牛顿反射式望远镜和窄带滤光片组成的接收端以及图像探测器所在的探测端，这三者所在平面相交于一条直线，这样便可实现对发射激光射入大气作用后产生的后向散射信号的清晰成像和探测。值得注意的是本实施例具有多套激光发射-接收-探测***，所以每一套***装置都要满足沙姆成像原理进行搭建。
步骤(3)开启激光器驱动1，将激光器驱动1与二极管激光器2相连接，利用激光器驱动1精确控制二极管激光器2的温度和电流，从而调节二极管激光器2的工作波长，使其控制在大气颗粒物探测所需的808nm左右。将二极管激光器2与折射式望远镜构成的准直***3相连，激光经准直后沿探测路径发射到大气中，激光发射到大气中后会被大气分子及大气颗粒物吸收、散射，发射激光便会形成后向散射信号。
利用接收光学***4、接收光学***5、接收光学***6分别对分段探测路径上的各自对应的距离端上的后向散射信号进行收集。其中接收光学***主要由牛顿反射式望远镜和窄带滤光片组成，先用大口径的牛顿反射式望远镜对后向散射信号进行收集，然后再用工作波长覆盖激光器波长，即中心波长在808nm附近的窄带滤光片滤去背景光。最后由图像探测器7、图像探测器8、图像探测器9分别对接收光学***4、接收光学***5、接收光学***6接收到的探测距离段分别为z1、z2、z3的大气颗粒物后向散射信号进行探测，这样便组成了三套发射-接收-探测光学***。
利用数据采集卡10采集图像探测器7、图像探测器8、图像探测器9探测到的大气颗粒物后向散射信号，并将数据传送到电脑PC端11上，在电脑端对数据进行算法处理。
整体的数据处理流程是先对接收到的数据进行预处理，再进行数据重组处理算法，最后利用沙姆成像大气激光雷达大气参数反演算法，利用数据处理后的数据对大气颗粒物的后向散射系数、消光系数等大气参数进行反演。
其中数据的预处理主要有以下步骤：首先，对采集到的原始后向散射信号剔除无效数据，得到有效数据后利用非线性插值算法扣除大气背景信号；然后，对多次测量得到的数据进行中值平均，并对信号采用Savitzky-Golay(S-G)滤波器法进行滤波降噪处理，从而有效滤除***噪声，进一步提升信噪比。
其中数据重组处理算法具体是：图像探测器最后得到的数据结果呈现形式是像素点-后向散射信号强度值，每个像素点都对应一个在该像素点上探测到的大气后向散射信号强度的值，而根据沙姆成像原理，可以得到图像探测器的像素点-距离值关系，也就是每个像素点都对应其探测距离位置的值。将这两种对应关系结合起来，就可以得到距离值-后向散射信号强度值的对应关系。最后利用数据重组处理后的距离值-后向散射信号强度值对应关系并结合相关反演算法进行大气颗粒物的后向散射系数、消光系数等大气参数的反演。
本发明提出利用多套激光发射-接收-探测***，能够对探测路径上的大气颗粒物进行分段探测，因此通过每一套激光发射-接收-探测***最后得到的距离值-后向散射信号强度值探测结果，以距离值为依据，按距离点从小到大的顺序，去除重叠的距离点，按序进行距离点的挑选重组，再根据距离点的选择情况对每个距离点对应的后向散射信号强度值进行重组，最后将用三套激光发射-接收-探测***探测的三段距离z1、z2、z3分别对应的距离值-后向散射信号强度值对应关系整合成一条路径完整的一组全距离距离值-后向散射信号强度值对应关系。对得到的这一完整的距离值-后向散射信号强度值数据进行数据处理并对大气颗粒物的后向散射系数、消光系数等大气参数进行反演。
本发明关于探测距离分辨率提高的具体说明：下结合图3进行说明。每一套激光发射-接收-探测***都须满足图示的沙姆成像原理，并且每一套***用的结构部件的参数型号也都相同，例如接收光学***中的牛顿反射式望远镜的焦距f均为800mm，采用的图像探测器的有效像素均为2048(H)×1024(V)，区别就在于***参数L、θ、x的选择不同。根据透镜方程以及几何光学基本原理，可以推导出本发明提出的新型SLidar***接收望远镜的摆角以及图像探测器像素与距离的关系分别为：
式中：θ是成像面相对于成像透镜的倾角，f为接收望远镜的焦距，z0,p0分别为校准距离和校准像素位，L是发射端与接收端光轴间的间隔，L′为成像面中心与成像透镜间的间隔，因为φ很小，L′可近似看为L′＝L·tanθ，x为图像探测器水平像素列到接收端光轴的距离，φ是接收望远镜的摆角，p代表每个像素单元在成像面上的位置(图3所标p以半个成像面的像素单元所在位置为例)。对上式进行微分，能够计算出距离分辨率随探测距离的变化(dp为像素间隔，看作一常数)：
现以数据证明在所用部件装置型号参数都相同的情况下(也就是f＝800mm)，利用三套激光发射-接收-探测***，也就是三套***参数L、θ、x的情况下，能够显著改善只有一套激光发射-接收-探测***的雷达***的距离分辨率及探测盲区，具体参数设置及结果如下表1和表2所示：
表1
表2
可以发现，采用本发明方法可以在几乎不影响探测盲区的基础上有效改善雷达***的距离分辨率。可以看出，0.5km处距离分辨率改善了将近5倍；1km处距离分辨率改善了13.6倍；2km处距离分辨率改善了13.7倍，很大程度地改善了传统的沙姆成像大气激光雷达技术存在的远距离探测时距离分辨率差的问题，能够更加有效精确的对大气颗粒物进行探测。
本发明提供了一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法，利用多套激光发射-接收-探测***，并结合数据重组处理算法，实现了对近、远距离大气颗粒物的相关探测，使得整个***具有高精度、高分辨率等优点。本发明虽然以三套探测***进行证明分析，但由此可推采用更多套探测***能够进一步增大***的有效探测距离，实现对大范围大气颗粒物的有效、实时探测。

Claims (5)

1.一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤（1）选择工作波长为800nm附近的高功率连续波二极管激光器；选择与该二极管激光器各参数指标相匹配的激光器驱动，用于精确控制二极管激光器芯片的温度和电流，从而调节二极管激光器的工作波长；选择折射式望远镜，用于将激光准直后发射到大气中；
选择牛顿反射式望远镜，用于收集发射到大气中后被大气分子、颗粒物吸收和散射后发射激光的后向散射信号；选择工作波长覆盖激光器波长的窄带滤光片，用于滤去由上述牛顿反射式望远镜收集到的后向散射信号中的背景光信号；
选择CMOS图像探测器；
步骤（2）以激光器驱动和二极管激光器为主构成发射端，牛顿反射式望远镜和窄带滤光片组成接收端、图像探测器为探测端，发射端、接收端和探测端所在平面相交于一条直线，实现对发射激光射入大气作用后产生的后向散射信号的清晰成像和探测，其中所述接收端和探测端至少两套以上，每一套接收端对应一套探测端；
步骤（3）将激光器驱动与二极管激光器相连接，控制二极管激光器的工作波长；二极管激光器发射激光至由折射式望远镜构成的准直***中，激光准直后射入大气中；
利用牛顿反射式望远镜与窄带滤光片构成的多套接收端分别收集经发射激光经大气作用多个距离段的后向散射信号；
多套探测端分别接收对应的接收端收集的后向散射信号，并将后向散射信号经过采集后输入至上位机进行数据的重组分析处理；
所述的重组分析处理具体是：先对接收到的数据进行预处理，再进行数据重组处理算法，最后利用沙姆成像大气激光雷达大气参数反演算法和处理后的数据对大气颗粒物的后向散射系数、消光系数进行反演；
所述数据重组处理算法具体是：图像探测器最后得到的数据结果呈现形式是像素点-后向散射信号强度值，每个像素点都对应一个在该像素点上探测到的大气后向散射信号强度的值，而根据沙姆成像原理，可得到图像探测器的像素点-距离值关系，也就是每个像素点都对应其探测距离位置的值，将这两种对应关系结合起来，就得到距离值-后向散射信号强度值的对应关系；
所述数据重组处理算法中以距离值为依据，按距离点从小到大的顺序，去除重叠的距离点，按序进行距离点的挑选重组，再根据距离点的选择情况对每个距离点对应的后向散射信号强度值进行重组，最后将用多套激光发射-接收-探测***探测的多段距离分别对应的距离值-后向散射信号强度值对应关系整合成一条路径完整的一组全距离距离值-后向散射信号强度值对应关系。
2.根据权利要求1所述的一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法，其特征在于：所述的连续波二极管激光器功率为1～20W；所述的折射式望远镜焦距为100mm～2000mm、口径为10mm～1000mm。
3.根据权利要求2所述的一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法，其特征在于：所述的牛顿反射式望远镜焦距为100mm～2000mm、口径为20mm～1000mm，所述的窄带滤光片的透过率大于90%。
4.根据权利要求3所述的一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法，其特征在于：所述的图像探测器有效像素为，量子效率在激光器波长处，即在800nm附近达到50%的CMOS型图像探测器。
5.根据权利要求1所述的一种提高沙姆成像激光雷达空间分辨率的方法，其特征在于：所述的数据的预处理主要有以下步骤：
对采集到的原始后向散射信号剔除无效数据，得到有效数据后利用非线性插值算法去除大气背景信号；
对多次测量得到的数据进行中值平均，并对信号采用Savitzky-Golay滤波器法进行滤波降噪处理，从而有效滤除***噪声，进一步提升信噪比。
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