[发明专利]一种焦点位置可调细粒子激光雷达系统及自标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及细粒子激光雷达系统中的焦点位置可调及高精度标定方法，属于激光雷达领域。

背景技术

细粒子激光雷达可以实时对大气气溶胶后向散射系数、大气消光系数、大气颗粒物质量浓度、大气边界层高度等参数在线立体监测，随着大气污染检测任务的加重，激光雷达在开展大气科学、大气气候学以及大气环境科学研究中发挥着越来越重要的作用。

为了减少盲区对雷达测量距离的影响，现在大多出都采用同轴式发射和接收装置及同心的发射和接收装置。而接收装置中望远系统是其重要的组成部分，接收光学系统的指标也主要是以望远系统的指标来制定。目前的激光雷达系统的接收光学系统多采用卡塞格林望远镜系统，其中望远镜的焦平面的位置根据不同的雷达要求可置于望远镜主镜的前方和后方。本专利提出一种方法，即主镜位置可调进而达到焦点位置可以按照需求进行调解，实现仪器通用性的同时，也可通过解整主镜方向来实现主次镜平行即焦点位置按照要求调整到小孔光阑中心位置。此外对于目前监测大气参数的高精密仪器细粒子激光雷达来说，测量的精度和测量高度是十分重要的。接收光学系统中的视场大小直接影响仪器的测量距离，激光雷达系统中发射光学系统中的发散小如果太小则影响近场信号的饱和及测量数值的代表性。发散角太大则直接仪器的测量高度，激光雷达的发射光学发散角大于本身接收光学系统，则视场外的信号完全不会被接收光学系统所接受，从而导致测量参数的限制。本专利提出的焦平面位置可调则直接可以改变接收光学系统的视场角，避免回波信号的损失增强测量数值的代表性。

对于高精密的测量仪器而言，自身标定的精度高低直接影响测量参数的真实性及精度。当前多采用人为的标定方法及CCD图像进行标定，二维标定本身存在的人为误差和不可控误差因素比较多，因此调节精度低，自动化程度差等缺点。而目前所采用的CCD标定方法，虽然取代了人为标定，较少了人为误差，但是由于缺少标定点而带来的标定精度并不是很高。本专利采用更换小孔光阑并用成像CCD来进行标定，这样不仅节省成本方法也简单明了，同时靶标可以在CCD中成像而作为标定的标定点，我们只需要对靶图像进行标定即可，这样不仅提高了自身标定的精度也减少人为调试带来的误差。

发明内容

本发明是为了提供一种高精度细粒子激光雷达标定方法，此方法取代人为标定及无目标图像作为参考点，精度提高的同时更消除人为操作所带来的人为误差。此发明也提出的接收光学系统中主镜位置的调整来实现焦平面和焦点位置可调节的一种结构形式，并用上述标定方法实现一整套从粗调到精调的细粒子激光雷达系统的调试过程。

本发明采用的技术方案为：一种焦点位置可调细粒子激光雷达系统，包括激光器，成像CCD，控制计算机，扩束镜，第一直角反射棱镜，角反射器，平面反射镜，准直镜和第二直角反射棱镜；其中接收光学系统包括接收系统次镜、接收系统主体、主镜、调节顶丝、可调小孔光阑、拉紧拉簧和主镜固定座；主镜固定在主镜固定座上，主镜的调节靠调节顶丝的前后旋进旋出来调节主镜的前后位置及一定角度的调节，实现焦平面位置和焦点位置同时可调；6处的拉紧拉簧固定在接收光学主体及主镜固定座上面，保证调节顶丝能够正常的调节状态；可调小孔光阑与接收系统主体采用细牙螺纹进行连接，按照接收光学系统要求通过前后旋转可调小孔光阑螺母来寻找焦平面的位置，从而匹配到合适的细粒子激光雷达视场；激光器发出的激光依次经过扩束镜、第一直角反射棱镜、平面反射镜、角反射器、接收光学系统、准直镜、第二直角反射棱镜后到达成像CCD，成像CCD连接控制计算机，控制计算机控制激光器。

本发明另外提供一种焦点位置可调细粒子激光雷达系统的自标定方法，利用上述的焦点位置可调细粒子激光雷达系统，打开激光器，激光器发出的激光经过扩束镜扩束后再经第一直角反射棱镜反射到接收光学系统的上方，并在接收光学系统的上方放置平面反射镜，平面反射镜反射后再经过角反射器，调节角反射器下方的二维转台，使反射的光斑能够进入接收光学系统中。接收光学系统出射光经过准直镜后经第二直角反射棱镜反射到成像CCD中，成像CCD和主控计算机连接，主控计算机能够控制激光器；具体的，成像CCD前方安装可调二维精密转台的第二直角反射棱镜，此时调节第二直角反射棱镜下方的调解旋钮，使接收的成像CCD中能够找到完成的靶标图像；记下标定尺寸的靶标刻度值a，此刻在成像CCD中所成的像应该是模糊的，这事就需要前后调整标定的靶标位置，同时观察CCD中靶标图像的清晰度，找到最清楚的成像点并记下此时的标定尺寸的靶标刻度值b，则前后的差值就是小孔光阑焦平面前后偏移的数值；