相干测风激光雷达中提高方位角测量精度的装置及方法

摘要

本发明公开了一种相干测风激光雷达中提高方位角测量精度的装置及方法，该方法首先对电子罗盘进行校准；然后在控制电路板的控制下旋转平台带动电子罗盘旋转，记录旋转平台的角度和读取的电子罗盘的方位角；在对电子罗盘的方位角预处理后，使用线性最小二乘方法拟合，解算出线性函数关系式中的截距和斜率；最后根据旋转平台的角度计算出方位角。本发明由于旋转平台采用的是蜗轮蜗杆结构，用控制电路板和电机驱动器得到比电子罗盘更高的精度的角度，本发明能提高相干测风激光雷达中方位角的测量精度。本发明不需要额外的设备或人工参与，完成由相干测风激光雷达中的装置在算法的控制下自动完成，本发明具有方便、快捷、智能化、精度高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及相干测风激光雷达技术领域，尤其是涉及一种相干测风激光雷达中提高方位角测量精度的装置及方法。

背景技术

相干测风激光雷达作为近年来新发展起来的主动大气遥感仪器，具有体积小、能够在晴空条件下测量、并且风场测量精度高、时间和空间分辨率高等优点。在航空航天、遥感遥测、气象观测等军事及民用领域中具有广阔的应用前景，如可用于机场灾害性天气预报，对机场附近空域的风切变进行预警，从而避免飞机起飞和降落过程中因天气原因造成的事故，可以为机场安排合理的飞机起降密度服务；也可用于高炮阵地的风向和风速的实时测量，为武器系统发射提供修正数据，提高命中率。在风能资源的利用方面，相干测风激光雷达测量的精确的风场数据对风力发电机的偏航误差进行矫正，使风机能更好地对准风向，提高风能资源的发电效率。

相干测风激光雷达工作时，由本振稳频激光器发出的频率为v₀的连续激光，经分束后一路作为本振光源，另一路经移频、放大后输出频率为v₀+f₀的高功率激光信号，高功率激光信号经发射光学系统准直后由扫描器射向目标空间。尘粒和悬浮粒子等大气中的气溶胶粒子会对激光产生散射回波。由于多普勒效应，散射的激光回波光频率会相对于发射激光频率产生一个与气溶胶粒子速度相关的频移，回波光信号经接收光学系统收集，汇聚到信号光探测器的光敏面，并与本振光混频，探测器响应二者差频，并输出载频为f₀+△f的脉冲信号。对回波探测器的差频输出与发射激光频移f₀进行比较，即可推算出测量点大气中的气溶胶粒子相对于系统的径向运动速度和方向，通过设置距离波门，测得空间不同距离处各扫描样本点的径向速度数据，对在全部扫描过程中获取的径向风速、角度和距离数据进行矢量处理，可以得到三维风场分布信息。

激光雷达工作时扫描的示意图如图1所示，正东(east)方向为x轴的正方向，正北(north)方向为y轴正方向，指向天顶(zenith)为z轴正方向，V(u,v,w)为大气风场，扫描的俯仰角和方位角分别为α和θ，在固定俯仰角和方位角条件下测量得到的径向风速为v_r。在某一固定俯仰角条件下，通过测量多组不同方位角-径向风速(θ,v_r)对，并通过一定的算法反演出大气风场。因此，方位角的精度在一定程度上决定了大气风场的精度。

常用的测量方位角的仪器有罗盘和寻北仪。1、罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和处理器(MCU)构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在罗盘中磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的磁阻传感器检测在该方向上的地磁场强度，向前的方向称为x方向的磁阻传感器检测地磁场在x方向的矢量值，向左或y方向的磁阻传感器检测地磁场在y方向的矢量值，向下或z方向的磁阻传感器检测地磁场在z方向的矢量值。每个方向的磁阻传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点，并具有非常低的横轴灵敏度。磁阻传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理，解算出方位角。一般的罗盘测量方位角的精度较低，测量精度为度这个量级。2、寻北仪是一款由高精度双轴动力调谐陀螺，能够通过测量地球自转角速度，自主确定所附载体的真北方向值，不受外界磁场或其他环境的干扰和影响；另外，它也可以结合加速度进行水平角度的测量和修正，虽然寻北仪的精度很高，但价格昂贵，使用受到限制。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种方便、快捷、智能化、精度高的相干测风激光雷达中提高方位角测量精度的装置。

本发明的第二个目的在于提供一种相干测风激光雷达中提高方位角测量精度的方法，该方法不需要额外的设备或人工参与，完全由相干测风激光雷达中的装置在软件的控制下自动完成。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种相干测风激光雷达中提高方位角测量精度的装置，特征是：包括控制电路板、电机驱动器、导电滑环、电机、旋转平台、电子罗盘和电源，电子罗盘与控制电路板、电机驱动器、导电滑环、电机依次串联后接旋转平台，电源为控制电路板和电机驱动器供电，控制电路板一方面与电子罗盘通信，控制电子罗盘实现磁干扰校准和读取电子罗盘的方位角信息，另一方面控制电机驱动器来控制电机的转动；在电机驱动器的驱动下，电机带旋转平台转动，电机与旋转平台通过蜗轮蜗杆传动；电子罗盘固定在旋转平台上，且与旋转平台一直作同时、同步旋转，电机的电源线、控制线和电子罗盘的电源线、通信数据线分别通过导电滑环连接，旋转平台和电子罗盘能在两个方向360°连续旋转。

本发明的第二个目的是这样实现的：

一种相干测风激光雷达中提高方位角测量精度的方法，特征是：具体步骤如下：

A、先对电子罗盘进行校准，以提高电子罗盘测量过程的抗磁干扰能力，提高电子罗盘的方位角测量精度：控制电路板向电子罗盘发出开始校准的命令，电子罗盘正确返回；控制电路板向电机驱动发出旋转1周的命令，使旋转平台带动电子罗盘旋转1周；然后，控制电路板向电子罗盘发出完成校准命令，电子罗盘正确返回，结束校准；此时，记旋转平台的角度为0°，顺时针方向旋转时旋转平台的角度增加，逆时针方向旋转时，旋转平台的角度减小；

B、采集电子罗盘数据：控制电路板向电机驱动器发出命令，使旋转平台和电子罗盘旋转固定的角度，控制电板板记录旋转平台的角度和电子罗盘的方位角；重复该过程，直到记录1整周的旋转平台的角度和电子罗盘的方位角，完成电子罗盘数据的采集；

C、对旋转平台的角度和电子罗盘的方位角进行数据处理：由于是采集1周的数据，旋转平台的旋转方向为方位角增加方向时，如果会出现电子罗盘的方位角出现360°到0°跳变的情况，可以通过对跳变后的数据加上360°的方法处理；旋转平台的旋转方向为方位角减小方向时，如果出现电子罗盘的方位角出现0°到360°跳变的情况，可以通过对跳变后的数据加减去360°的方法处理，使采集的电子罗盘的方位角为递加或递减顺序；

D、对处理后的电子罗盘数据采集线性最小二乘拟合，得到电子罗盘的方位角与旋转平台的角度之间的线性函数关系式；

E、相干测风激光雷达工作时，读取旋转平台的角度，把该角度代入步骤D中得到的线性函数关系式中，计算出方位角，再把计算出的方位角进行对360°取模运算处理，即可得到此刻的方位角。

本发明的工作原理：

本发明利用具有蜗轮蜗杆结构的旋转平台高精度的角度数据对低精度的电子罗盘测量得到的方位角进行拟合，使用线性最小二乘拟合的方法，可以得到电子罗盘的方位角与旋转平台的角度之间的线性函数关系式，相干测风激光雷达工作时，读取旋转平台的角度，把该角度代入上步骤中得到的线性函数关系式中，计算出方位角，再把计算出的方位角进行对360°取模处理即可得到此刻的方位角，该方位角比直接由电子罗盘读取的方位角具有更高的精度。在方位角的测量过程，电机的电源线和控制信号线通过导电滑环分别与电源和电机驱动器连接，使得电子罗盘可以顺时针或逆针两个方向连续360°旋转。

本发明由于旋转平台采用的是蜗轮蜗杆结构，可以用控制电路板和电机驱动器得到比电子罗盘更高的精度的角度，因此本发明可以提高相干测风激光雷达中方位角的测量精度。本发明不需要额外的设备或人工参与，完成由相干测风激光雷达中的装置在算法的控制下自动完成，本发明具有方便、快捷、智能化、精度高等优点。

附图说明

图1为激光雷达工作时扫描的示意图；

图2为本发明的原理框图，图中：1控制电路板，2电机驱动器，3导电滑环，4电机，5旋转平台，6电子罗盘，7电源；

图3为电子罗盘校准的步骤示意图；

图4为方位角数据的预处理流程图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

一种相干测风激光雷达中提高方位角测量精度的装置，包括控制电路板1、电机驱动器2、导电滑环3、电机4、旋转平台5、电子罗盘6和电源7，电子罗盘6与控制电路板1、电机驱动器2、导电滑环3、电机4依次串联后接旋转平台5，电源7为控制电路板1和电机驱动器2供电，控制电路板1一方面与电子罗盘6通信，控制电子罗盘6实现磁干扰校准和读取电子罗盘的方位角信息，另一方面控制电机驱动器2来控制电机4的转动；在电机驱动器2的驱动下，电机4带旋转平台5转动，电机4与旋转平台5通过蜗轮蜗杆传动；电子罗盘6固定在旋转平台5上，且与旋转平台5一直作同时同步旋转，电机4的电源线、控制线以及电子罗盘6的电源线、通信数据线通过导电滑环3连接，旋转平台5和电子罗盘6能在两个方向360°连续旋转。

控制电路板1向电机驱动器2发出命令，以控制电机4和旋转平台5旋转的角度，控制命令的数据线通过导电滑环3传输，控制电路板1与电子罗盘6通信，控制电子罗盘实现磁干扰校准和读取电子罗盘的方位角信息；电子罗盘6固定在旋转平台5上，与旋转平台5同时同步旋转。

一种相干测风激光雷达中提高方位角测量精度的方法，具体步骤如下：

A、对电子罗盘1进行校准，以提高电子罗盘6的测量精度：校准的步骤如图3所示，控制电路板1向电子罗盘6发出开始校准的命令，等电子罗盘6正确返回后，控制电路板1向电机驱动器2发出命令，使旋转平台5带动电子罗盘6旋转1周；然后，控制电路板1向电子罗盘6发出结束校准的命令，等电子罗盘6正确返回后结束校准；此时，记旋转平台5的角度为0°，顺时针方向旋转时旋转平台5的角度增加，逆时针方向旋转时，旋转平台5的角度减小；

B、采集旋转平台5的角度和电子罗盘6的方位角：控制电路板1向电机驱动器2发出顺时针(同理，逆时针旋转也可以用此方法)旋转角度命令，旋转平台5在电机4的带动下和电子罗盘6共同旋转；当旋转平台5停下来之后，控制电路板1记录当前旋转平台5的角度，记为α₀；控制电路板1向电子罗盘6发出读取方位角命令，接收到电子罗盘6的回复后，记录当前的方位角，记为θ₀；于是就得到旋转平台5角度与电子罗盘6方位角的数据对(α₀,θ₀)；控制电路板1再次向电机驱动器2发出旋转角度命令，旋转平台5在电机4的带动下和电子罗盘6共同旋转；当旋转平台5停下来之后，控制电路板1记录当前旋转平台5的角度，记为α₁；控制电路板1向电子罗盘6发出读取方位角命令，接收到电子罗盘6的回复后，记录当前的方位角，记为θ₁；于是就得到旋转平台5角度与电子罗盘6方位角的数据对(α₁,θ₁)；同样，控制电路板1向电机驱动器2发出N次旋转角度命令后，旋转平台5旋转一整个圆周；于是就得到N组旋转平台5角度与电子罗盘6方位角的数据对(α_i,θ_i),i＝0,1,…,N-1；

C、旋转平台5角度与电子罗盘6方位角数据的预处理：由于在顺时针方向旋转时读取的电子罗盘6的方位角是逐渐增加，有可能会出现方位角由360°到0°跳变的情况；在逆时针方向旋转时读取的电子罗盘6的方位角是逐渐减小，有可能会出现方位角由0°到360°跳变的情况，因此需要对读取的电子罗盘6方位角数据预处理；以电子罗盘6顺时针旋转为例，数据预处理的流程图如图4所示，图中的i,i＝0,1,…,N-1为电子罗盘6方位角数据的下标，β_i,i＝0,1,…,N-1为预处理后的电子罗盘6方位角数据，若当前读取的电子罗盘6方位角数据小于前一个时，当前的电子罗盘6的方位角加上360；否则，取当前读取的数据；

D、对预处理后的电子罗盘6方位角数据使用线性最小二乘拟合；旋转平台5角度与预处理后的电子罗盘6方位角存在线性关系，

y＝kx+b (1)

式中，x为旋转平台5角度，y为预处理后的电子罗盘6方位角，k为斜率，b为截距；可以利用测量得到的旋转平台5角度α_i,i＝0,1,…,N-1和预处理后的电子罗盘6方位角β_i,i＝0,1,…,N-1使用线性最小二乘方法解算出斜率和截距

$(\hat{k},\hat{b})=\arg \min \left(\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\left(\hat{k}{\alpha }_i+\hat{b}-{\beta }_i\right)}^2\right)---\left(2\right)$

于是，可以得到，

$\hat{k}=\frac{N\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\alpha }_i{\beta }_i-\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\alpha }_i\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\beta }_i}{n\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\alpha }_i^2-{\left(\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\alpha }_i\right)}^2}---\left(3\right)$

$\hat{b}=\frac{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\alpha }_i^2\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\beta }_i-\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\alpha }_i\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\alpha }_i{\beta }_i}{n\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\alpha }_i^2-{\left(\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{\alpha }_i\right)}^2}---\left(4\right)$

因此，可以得到旋转平台角度α与方位角γ的函数关系，

$\gamma =\hat{k}\alpha +\hat{b}---\left(5\right)$

E、根据旋转平台的角度计算出方位角：在相干测风激光雷达实际工作时，根据旋转平台实时测量得到的角度a通过下式计算出方位角ω，

$\omega =\mathrm{mod}(\gamma ,360)=\mathrm{mod}(\hat{k}\alpha +\hat{b},360)---\left(6\right)$

式中mod(x,y)表示对x取模y运算，比如mod(1,360)＝1，mod(361,360)＝1，mod(-1,360)＝359。