一种气象监测激光器标准零点校准方法与流程

1.本发明涉及气象监测技术领域，尤其涉及一种气象监测激光器标准零点校准方法。


背景技术：

2.高海拔宇宙线观测站(lhaaso)是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，其核心科学目标是研究银河系内外宇宙线的起源、加速和传播机制，黑洞、中子星等致密天体高能物理过程，暗物质粒子的寻找及新物理的发现。在对lhaaso-wfcta绝对定标和大气监测过程中，激光束稳定性、激光转动精度、慢控系统、望远镜等多个因素将综合影响标定结果。
3.而天气状况的监测则可以通过望远镜测量激光的散射光来监测大气对激光的散射，从而监测天气状况。每个激光器可以覆盖所有的望远镜，但由于lhaaso站点天气变化迅速，例如10分钟天气就可变化，同时为了获得足够多的激光事例，对于氮分子激光器，每次发射60个激光脉冲，对于yag激光器，每次发射30个激光脉冲。最后为了控制单个循环所需的发射时间，需要使用不同的激光器来覆盖不同的仰角。因此，三维升降转台(即激光转台)长时间运行很容易导致初始指向产生偏差，即标定的零点与实际的零点位置产生误差较大，从而导致气象的监测不准确。因此，需要经常对三维升降转台上标定的零点进行校准；然而人工去调试零点，往往需要大量的调试时间，且调试过后仍然可能会产生一定误差(水平偏差角度大于0.01
°
，或俯仰偏差角度大于0.01
°
)。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种气象监测激光器标准零点校准方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.一种气象监测激光器标准零点校准方法，包括以下步骤：
7.标注相对零点：
8.步骤1：激光器发射光束；
9.步骤2：通过太阳影子法标定正北方向，通过高精度水平仪校准标定水平俯仰角，获得以正北方位0度角、水平方向的俯仰角0度为绝对零点；
10.步骤3：固定坐标纸的位置，使坐标纸的高度与激光转台高度一致，控制激光转台调整激光器激光出射方向，转定固定角度，使其垂直打在坐标纸上的中心；
11.步骤4：调整ccd相机位置获取光斑数据；
12.步骤5：对光斑数据进行处理；
13.步骤6：记录此时坐标纸上的位置坐标，以所述坐标纸上的位置坐标作为相对零点；
14.标准零点校准：
15.步骤7：激光转台多次巡航后，返回到激光转台上标定的标准零点角度；
16.步骤8：控制激光转台调整激光器激光出射方向，使其指定到坐标纸上；
17.步骤9：通过ccd相机位置获取光斑数据；
18.步骤10：对光斑数据进行处理；
19.步骤11：计算处理的光斑与标准零点的角度偏差，调整转台位置该角度至标准零点，并记录调整角度；
20.步骤12：再重复步骤8至步骤11过程，确认光斑与标准零点重合。
21.进一步的，所述激光器为氮分子激光器，安装于激光转台上。
22.进一步的，所述绝对零点，即地理上的绝对零点，是以正北方向作为0 度方位角且水平方向的俯仰角为0度；所述标准零点为相对绝对零点的固定角度的激光出射固定标点。
23.进一步的，所述坐标纸为方格纸，设置在激光屏幕上，用于对空间与像素之间的关系进行标定。
24.进一步的，所述ccd相机的镜头前设置有衰减片，用于过滤环境光，并减弱激光光斑强度。
25.进一步的，所述步骤5中对光斑数据进行处理具体过程为：未过曝的光斑图像在水平方向或者俯仰方向投影叠加其强度值，得到强度值在这一方向的分布曲线，利用高斯曲线进行拟合，拟合的高斯曲线中心值即该光斑所在屏上的水平或者俯仰方向上像素位置值x；通过在光屏覆盖坐标纸，定标得到ccd图像每像素对应的屏上距离的标定值γ，以此得到屏上激光光斑的具体位置；
26.利用三角关系公式即可得到以角度为单位的光斑位置值，从而得到激光转台的相对偏移量；其中，l表示激光源与坐标纸的距离，θ表示光斑相对偏移角度。
27.进一步的，所述步骤11具体包括以下子步骤：
28.步骤1101：通过软件计算出光斑俯仰方向与水平方向的偏离角度；
29.步骤1102：分别调整俯仰转台和方位转台的角度，使其重新回到标准零点位置。
30.本发明的有益效果：本发明通过设置坐标纸来对激光光斑进行显示，完成空间与像素之间的关系标定，在采集到激光光斑的成像图片后，通过计算获得光斑的具体位置，再通过调节高精度三维激光转台来复原标准零点，从而达到监测和校准激光发射方向的目的。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
32.图1是本发明的方法原理图。
33.图2是光斑在横轴投影强度分布及高斯拟合曲线图。
34.图3是激光光斑中心位置在水平方向上的投影的分布图。
35.图4是标准零点连续45天的监测结果图。
具体实施方式
36.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本实施例中，如图1所示，一种气象监测激光器标准零点校准方法，包括以下步骤：
39.标注相对零点：
40.步骤1：激光器发射光束；
41.步骤2：通过太阳影子法标定正北方向，通过高精度水平仪校准标定水平俯仰角，获得以正北方位0度角、水平方向的俯仰角0度为绝对零点；
42.步骤3：固定坐标纸的位置，使坐标纸的高度与激光转台高度一致，控制激光转台调整激光器激光出射方向，转定固定角度，使其垂直打在坐标纸上的中心；
43.步骤4：调整ccd相机位置获取光斑数据；
44.步骤5：对光斑数据进行处理；
45.步骤6：记录此时坐标纸上的位置坐标，以所述坐标纸上的位置坐标作为相对零点；
46.标准零点校准：
47.步骤7：激光转台多次巡航后，返回到激光转台上标定的标准零点角度；
48.步骤8：控制激光转台调整激光器激光出射方向，使其指定到坐标纸上；
49.步骤9：通过ccd相机位置获取光斑数据；
50.步骤10：对光斑数据进行处理；
51.步骤11：计算处理的光斑与标准零点的角度偏差，调整转台位置该角度至标准零点，并记录调整角度；
52.具体为：步骤1101：通过软件计算出光斑俯仰方向与水平方向的偏离角度；
53.步骤1102：分别调整俯仰转台和方位转台的角度，使其重新回到标准零点位置。
54.步骤12：再重复步骤8至步骤11过程，确认光斑与标准零点重合。
55.在本实施例中激光器采用氮分子激光器，安装于激光转台上。
56.绝对零点，即地理上的绝对零点，是以正北方向作为0度方位角且水平方向的俯仰角为0度；所述标准零点为相对绝对零点的固定角度的激光出射固定标点。
57.在本实施例中，确定相对零点之前，需要将激光转台按照流程正确安装。激光转台主要包括方位转台、俯仰转台、升降转台、步进电机、高精度编码器、激光转台支架和各类线(电源线、通讯线、网线等)等。在安装过程需要保持室内环境卫生，安装激光转台硬件需要注意拆卸时进行拍照和记录。运输过程需要注意设备安全。基于西藏羊八井宇宙观测站激光标定运行经验，我们总结出一套成熟的高精度三维升降激光转台的安装流程：高精度三维升降激光转台的清洁、安装稳定性、转台水平状态、调试激光转台软件和硬件、调试远程控制、激光数据采集。
58.安装完成后，根据不同时刻太阳阴影和激光器x轴的角度，计算得到阵列x轴相对于正北方向的方位角，多次测量的统计平均值可得出所需的方位角。该测量精度已经可以
满足未来lhaaso-wfcta光子数绝对标定和大气监测系统指向精度要求。需要提到的是，太阳影子的方位是根据观测地点、观测时刻信息实时计算得到的，观测时刻的精度也会影响所得方位的精度。
59.其中，坐标纸为方格纸，设置在激光屏幕上，用于对空间与像素之间的关系进行标定。
60.其中，ccd相机的镜头前设置有衰减片，用于过滤环境光，并减弱激光光斑强度。
61.对光斑数据进行处理具体过程为：未过曝的光斑图像在水平方向或者俯仰方向投影叠加其强度值，得到强度值在这一方向的分布曲线(如图2 所示，激光光斑的像和该光斑在横轴投影强度分布(蓝色)及高斯拟合曲线(红色)，x轴表示光斑位置在水平方向上的投影，y轴表示对应于x 轴处的光斑的强度)，利用高斯曲线进行拟合，拟合的高斯曲线中心值即该光斑所在屏上的水平或者俯仰方向上像素位置值x；通过在光屏覆盖坐标纸，定标得到ccd图像每像素对应的屏上距离的标定值γ，以此得到屏上激光光斑的具体位置；
62.激光在距离为l并足够远的屏上形成光斑，然后通过距离坐标纸为d 的ccd相机对光斑进行成像，得到的光斑图像如图2所示。为避免过曝和减少背景光影响，ccd前放置0.01％的衰减片。
63.利用三角关系公式l表示激光源与坐标纸的距离，θ表示光斑相对偏移角度；即可得到以角度为单位的光斑位置值，从而得到激光转台的相对偏移量。
64.为测量该方法的测量精度，我们通过在同一位置多次测量的方式，得到拟合后高斯曲线中心值分布曲线，其标准偏差为0.0009度，即测量精度 (如图3所示)。
65.在本实施例中，对光斑数据进行处理时，用软件对激光器照片的质心进行寻找：高斯拟合和质心算法，本次对光斑中心的确认采用高斯拟合。实验中将激光器各项参数的照片转化成数据，然后进行统计处理。
66.其中，a)测量误差：是衡量测量过程的系统误差。一组实验的统计量，标准偏差，描述了激光转台系统的角度稳定性，当l＝214.5cm，d＝35.6cm，其在方位、俯仰和升降方向的测量精度分别为0.0009
°
、0.0009
°
和0.079 mm，完全满足wfcta光子数绝对标定和大气监测系统标定要求。
67.b)对激光转台俯仰，方位，升降方向的空回测试，并记录测量结果，如图。
68.c)重复精度是指重复多次到达同一个位置的精度，其分布的统计标准偏差(std dev)为重复精度，分别统计三维升降激光转台空载水平、俯仰以及升降方向的重复精度。
69.d)在lhaaso-wfcta成像雷达激光标定实验过程中，plc控制三维升降转台扫描wfcta，巡航过程中水平旋转面与俯仰旋转面之间的二维夹角需要精确测量，如果该夹角与90
°
相差过大，会造成水平或者俯仰方向角度偏差加大。用数字图像处理技术，对三维升降转台空载和负载的情况分别进行测量。保持俯仰角为0
°
，记录光斑水平方向转动步长为0.2
°
的轨迹，同样方式得到方位角为0
°
，俯仰方向上的转动轨迹。共同形成的“十字”光斑轨迹，平行于x轴的轨迹即水平旋转面与屏的交线，平行于y轴的轨迹即俯仰旋转面与屏的交线。由于屏垂直于水平旋转面和俯仰旋转，所以图中轨迹的夹角即为两旋转面的夹角。对不同方向的数据点分别做拟合，得到：(i)空载的二维夹角值为89.96
°
0.12
°
；(ii)负载的二维夹角值为 89.68
°
0.12
°
。将该数值添加至后续的激光标定模拟程序中，可以减少一个参数。
70.在本实施例中，氮分子激光的光斑位置是20个激光脉冲位置的平均值，由此得到的光斑水平方向的精度是0.004
°
，俯仰方向的精度是0.0003
°
，该精度满足要求。标准零点长期的监测结果如图4所示，正三角形代表水平方向的偏差δα，倒立三角形代表俯仰方向的偏差δβ。图4是连续45天的长期监测的结果，其14天无需进行校零操作，另外31天需要进行标准零点的校准。
71.需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本技术所必须的。
72.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
73.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、rom、ram等。
74.以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。