机载激光雷达双向探测方法与流程

本发明属于红外辐射特性测量与大气传输修正，尤其涉及一种机载激光雷达双向探测方法。

背景技术：

1、目标辐射特性的测量精度取决于大气透过率测量精度和辐射定标精度。随着空基平台目标辐射特性测量设备的发展，空基平台目标辐射特性测量设备已逐步成为空间目标红外辐射特性测量的重要手段。在对高层空中目标红外辐射特性进行测量的过程中，准确获取路径上的大气透过率成为提升目标辐射特性测量精度的重要途径。激光雷达能够实现准确的消光系数和大气透过率的测量，核心是获得测量位置的高信噪比的回波信号。但是由于激光发射信号的衰减与探测距离的平方成正比，因此，为了减少发射信号衰减，提升高层回波信号的信噪比，可以利用机载气溶胶激光雷达在高空中进行近距离发射和探测，从而实现高精度测量。

2、目前现有的机载大气激光雷达有机载多通道气溶胶—云粒子激光雷达系统、机载大气环境探测激光雷达、机载高光谱分辨率激光雷达等等，均为在飞机或无人机上搭载激光雷达设备，用以探测大气环境。上述激光雷达装置均为向单一方向探测，测量方向有限，无法同时准确测量机载平台的上方和下方的气溶胶消光系数和大气透过率等。

3、传统地基、空基、星载激光雷达均只能探测单一垂向气溶胶消光系数和大气透过率。地基激光雷达受近地面复杂大气成分的影响，同时地基激光雷达的回波信号的衰减与探测距离的平方成正比，导致高层信号信噪比低，有效探测距离近，难以准确获得高层气溶胶消光系数和大气透过率；空基激光雷达单次仅可完成平台以上或以下的大气透过率的探测，无法实时双向探测，测量具有局限性；星载激光雷达搭载在卫星平台上，依托于卫星运行，无法实现对同一地点的连续观测，受地面信号信噪比较低的影响，无法较为准确的对近地面大气透过率进行测量。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种机载激光雷达双向探测方法，以解决现有技术的测量设备均为向单一方向探测，测量方向有限，无法同时准确测量机载平台上方和下方的气溶胶消光系数和大气透过率的问题，本发明通过将激光雷达固定在载机后舱段机背下方位置，设置了对平行平台上方和下方测量的激光雷达光学窗口，激光雷达在舱内固定，在激光雷达前端放置分光镜和反射镜，实现对飞行平台以上和以下的双向大气消光系数和大气透过率的同时探测。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、一种机载激光雷达双向探测方法，具体包括如下步骤：

4、s1：利用激光雷达分别向机上和机下发射激光束，并获取机上回波信号和机下回波信号；

5、s2：基于机上回波信号和机下回波信号对应计算机上信噪比和机下信噪比；

6、s3：基于机上信噪比和机下信噪比的差值，对机上距离平方校正信号廓线和机下距离平方校正信号廓线进行拼接，获得拼接距离平方校正信号廓线；

7、s4：基于femald法对拼接距离平方校正信号廓线进行反演，获得气溶胶消光系数；

8、s5：基于气溶胶消光系数实现对大气透过率的计算。

9、进一步的，在步骤s1中，激光雷达设置在激光雷达安装座上，激光雷达安装座安装在飞机后设备舱，在飞机后设备舱的蒙皮上设有上保护窗口和下保护窗口，激光雷达发出的激光束经分光镜分束，获得第一激光束和第二激光束，第一激光束经上保护窗口出射，用于实现机上信息的探测，第二激光束经下保护窗口出射，用于实现机下信息的探测。

10、进一步的，上保护窗口和下保护窗口的中心不共线。

11、进一步的，在步骤s2中，机上信噪比的计算公式为：

12、；

13、机下信噪比的计算公式为：

14、；

15、其中，为机上信噪比、为机下信噪比，为机上回波信号，为机下回波信号，和分别为在相同距离下机上回波信号经过高空大气的衰减量和机下回波信号经过近地面大气的衰减量，为背景噪声信号。

16、进一步的，步骤s3具体包括如下步骤：

17、s31：若机上信噪比和机下信噪比的差值小于预设阈值，则对机上距离平方校正信号廓线和机下距离平方校正信号廓线进行动态拼接，否则执行步骤s32；

18、s32：对机上距离平方校正信号廓线和机下距离平方校正信号廓线进行强制约束拼接。

19、进一步的，在步骤s31中，对机上距离平方校正信号廓线和机下距离平方校正信号廓线进行动态拼接的计算公式为：

20、；

21、；

22、其中，h为飞机飞行高度，为飞机在高度h处激光雷达接收到的回波信号，为飞机高于高度h处激光雷达接收到的回波信号，为飞机低于高度h处激光雷达接收到的回波信号，为调整机上距离平方校正信号廓线的权重，为调整机下距离平方校正信号廓线的权重，为机上信噪比，为机下信噪比。

23、进一步的，在步骤s32中，对机上距离平方校正信号廓线和机下距离平方校正信号廓线进行强制约束拼接的计算过程为：

24、令，通过最小二乘法调整机上回波信号或机下回波信号的增益系数：

25、；

26、基于增益系数，通过下式拼接距离平方校正信号廓线：

27、；

28、其中，为飞机飞行高度。

29、进一步的，在步骤s4中，基于femald法对拼接距离平方校正信号廓线进行反演，获得h高度以下的气溶胶消光系数的计算公式为：

30、；

31、其中，为h高度以下的气溶胶消光系数，为拼接距离平方校正信号廓线，为激光雷达接收到距离h处的大气后向散射回波信号，为气溶胶消光系数的边界值高度，为hc处气溶胶消光系数的边界值，为距离h处的气体分子消光系数，为距离h处的气体分子消光系数，为大气分子消光后向散射比，为激光雷达比值，h为距离变量，h’为h的导数；

32、基于femald法对拼接距离平方校正信号廓线进行反演，获得h高度以上的气溶胶消光系数的计算公式为：

33、；

34、其中，为h高度以上的气溶胶消光系数。

35、进一步的，在步骤s5中，基于气溶胶消光系数实现对大气透过率t的计算的公式为：

36、；

37、其中，，为飞机向上或向下探测的距离，为飞机向上或向下探测后到的高度。

38、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

39、（1）本发明创造所述的机载激光雷达双向探测方法，通过将激光雷达固定在载机后舱段机背下方位置，设置了对平行平台上方和下方测量的激光雷达光学窗口，将激光雷达在舱内固定，通过在激光雷达前端放置分光镜和反射镜，实现了对飞行平台以上和以下双向大气消光系数和大气透过率的同时探测。本发明对机上测量和机下测量共用一套激光发射系统，集成度高，成本低，且相对于现有技术，增大了探测距离，提升了探测能力。

40、（2）本发明创造所述的机载激光雷达双向探测方法，采用高层大气近距离发射和接收，有效提升低层和高层大气激光雷达回波信号信噪比，更有利于提高对整层大气透过率测量精度。机载平台可在不同高度飞行，使用更加灵活，探测高空大气时可避开低层大气层干扰，测量范围高度更高，高空测量数据更加准确；测量低空大气时，由于地面大气较为浓稠，在激光能量较小时依然可以获得较好的信噪比回波信号，保证地面气溶胶的测量数据更加准确。