高 飛, 周 毅, 黃 波, 王 萌, 華燈鑫(西安理工大學(xué) 機械與精密儀器工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

環(huán)境和氣候的變化研究需要精確的、實時的大氣參量作為數(shù)據(jù)輸入,而激光雷達系統(tǒng)是最有發(fā)展前景的遙感測量儀器[1-2]。研究結(jié)果表明,激光雷達不僅可以提供氣溶膠消光、后向散射系數(shù)和激光雷達比等光學(xué)參量信息以及顆粒物偏振態(tài)、粒子譜等物理特性信息,還可提供大氣溫度、風(fēng)場、水汽、二氧化碳等要素的廓線分布時空變化信息[3-5]。

激光雷達以光波作為激勵源,以大氣分子和氣溶膠顆粒物為媒介進行大氣遙感探測。其系統(tǒng)主要包括四個部分:發(fā)射子系統(tǒng)采用窄脈沖激光器,并向大氣空間發(fā)射高功率的窄脈沖激光束;接收子系統(tǒng)選擇光學(xué)望遠鏡,收集激光與大氣中物質(zhì)(氣溶膠、大氣分子)的相互作用所產(chǎn)生的大氣散射回波信號;光學(xué)分光子系統(tǒng)分析大氣散射回波信號中由粒子引起的米散射、分子引起的瑞利散射、分子轉(zhuǎn)動和振動產(chǎn)生的拉曼散射、熒光等光譜和能量信息;光電檢測和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)進行光電轉(zhuǎn)換和信號的數(shù)據(jù)采集,進而實現(xiàn)大氣參量的數(shù)據(jù)反演。激光雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

激光雷達系統(tǒng)的探測性能與各子系統(tǒng)的參數(shù)密切相關(guān),而當前激光雷達的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光學(xué)分光、光電檢測等都是專家學(xué)者研究的熱點[6-7]。光電倍增管作為光電轉(zhuǎn)換的核心器件,可分別實現(xiàn)模擬探測和光子計數(shù)探測兩種模式[8]。其中模擬探測具有高線性度的特點,適合低層大氣參量的遙感探測;而光子計數(shù)探測模式具有高靈敏度的特點,適合遠距離大氣參量的遙感探測。Licel數(shù)據(jù)記錄儀作為世界上第一款同時具有模擬探測模式和光子計數(shù)探測模式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),已經(jīng)成功應(yīng)用在多家激光雷達系統(tǒng)的設(shè)計及升級改造中,提升了激光雷達系統(tǒng)的探測性能[9-11]。

圖1 激光雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of lidar system

本文針對應(yīng)用到激光雷達系統(tǒng)中的Licel數(shù)據(jù)記錄儀,通過分析激光雷達數(shù)據(jù)的特點,開展激光雷達數(shù)據(jù)的修正技術(shù)研究,進而提高激光雷達系統(tǒng)的探測性能和探測精度。

1 激光雷達Licel數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

Licel是專門針對激光雷達應(yīng)用所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其可同時提供模擬探測和光子計數(shù)探測模式的數(shù)據(jù)采集[12]。激光雷達所接收的光信號經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換后,被分成兩路。一路進入模擬探測通道,經(jīng)放大器、抗混疊濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器后進入存儲器,而另外一路進入光子計數(shù)通道,經(jīng)放大、鑒頻、計數(shù)后進入存儲器。圖2為數(shù)據(jù)記錄儀Licel TR40-160的工作原理框圖。根據(jù)實際激光雷達建設(shè)需求,可選擇多種型號的Licel數(shù)據(jù)記錄儀以滿足測量需求。

圖2 Licel數(shù)據(jù)記錄儀工作原理框圖[11]Fig.2 Schematic diagram of Licel transient recorder

2 激光雷達數(shù)據(jù)及其修正

為了更深入地了解數(shù)據(jù)記錄儀Licel TR40-160(簡稱Licel數(shù)據(jù)記錄儀)的特性,論文以長距離掃描米散射激光雷達系統(tǒng)[13-14]為例,詳細闡述基于Licel數(shù)據(jù)記錄儀的激光雷達數(shù)據(jù)特點和數(shù)據(jù)修正技術(shù)。

2.1 激光雷達原始數(shù)據(jù)及特點

長距離掃描激光雷達系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)記錄儀Licel TR40-160作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其模擬通道和光子計數(shù)通道的距離分辨率均為3.75 m,記錄長度為16 380,其所對應(yīng)的最遠探測距離為61.44 km。圖3為典型的激光雷達原始數(shù)據(jù)的示例,其為20個激光脈沖累加的結(jié)果。從圖中可以看出,近場信號的模擬數(shù)據(jù)保持高度的線性度,而光子計數(shù)數(shù)據(jù)卻遭受數(shù)據(jù)堆棧的影響。但是,光子計數(shù)數(shù)據(jù)相比于模擬數(shù)據(jù),對遠場信號具有較高的靈敏度。因此,模擬探測模式和光子技術(shù)探測模式的結(jié)合可有效提高激光雷達系統(tǒng)的探測性能。此外,經(jīng)數(shù)據(jù)特性分析發(fā)現(xiàn),光子計數(shù)數(shù)據(jù)符合泊松分布,而模擬數(shù)據(jù)雖具有非泊松分布,但是具有轉(zhuǎn)化成泊松分布的可能[13]。

圖3 Licel數(shù)據(jù)記錄儀采集的激光雷達原始數(shù)據(jù)Fig.3 Example of the lidar raw data using Licel TR40-160

圖4為激光雷達20個激光脈沖累加的光子計數(shù)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)分布圖,藍線標示出二者數(shù)據(jù)具有線性關(guān)系的區(qū)間(低計數(shù)率1 MHz和高計數(shù)率20 MHz)。其中模擬數(shù)據(jù)值為12位數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)值,光子計數(shù)數(shù)據(jù)為光子數(shù)。從激光雷達方程[15]可知,激光雷達回波信號的強度與距離的平方成反比,因此遠距離的激光回波要遠遠小于近場的激光回波信號值。由于模擬模式和光子計數(shù)模式的原理差異,從圖中可以明顯地看出模擬數(shù)據(jù)疊加有一個偏置電壓值,其主要是由采集卡的電子噪音造成的;光子計數(shù)數(shù)據(jù)受此影響卻很小,因此光子計數(shù)探測模式更適于遠場微弱信號的探測。而對于近場信號(2 000數(shù)據(jù)點內(nèi),7.5 km探測距離內(nèi)),光子計數(shù)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)飽和趨勢,這部分數(shù)據(jù)主要是由于光信號較強,堆?，F(xiàn)象發(fā)生而造成的,因此光子計數(shù)數(shù)據(jù)在近場強信號的數(shù)據(jù)采集中具有劣勢。同樣,云存在的地方,激光雷達回波信號中的米散射信號強度較大,在光子計數(shù)系統(tǒng)中也會遭受數(shù)據(jù)堆棧的影響。

圖4 光子計數(shù)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)分布圖Fig.4 Photon-counting (PC) data versus analog data distribution

2.2 光子計數(shù)數(shù)據(jù)的死區(qū)時間校正

光電倍增管的光子計數(shù)模式適用于光信號比較微弱的情況,相比于其它探測模式來說也具有更高的信噪比。此外,光子計數(shù)模式還要求光電倍增管的響應(yīng)和脈沖計數(shù)系統(tǒng)是線性的。然而,隨著光信號的增強,光子計數(shù)器的響應(yīng)將變成非線性的,也就是說光子計數(shù)器的計數(shù)率和入射光強度不再呈比例關(guān)系[16]。光子計數(shù)器的非線性響應(yīng)主要是由于脈沖疊加以及電子儀器的有限響應(yīng)時間引起的,其造成了數(shù)據(jù)的堆?，F(xiàn)象[17]。

光子計數(shù)器根據(jù)其對光脈沖的表現(xiàn)可分為麻痹系統(tǒng)(Paralyzable system)和非麻痹系統(tǒng)(Non-paralyzable system)兩種,而Licel數(shù)據(jù)記錄儀中的光子計數(shù)系統(tǒng)是典型的非麻痹系統(tǒng)[8,11],其測量的計數(shù)率R和實際的計數(shù)率R′的關(guān)系為:

(1)

式中,τd為死區(qū)時間,是描述光子計數(shù)系統(tǒng)在強光照射下非線性響應(yīng)的一個重要參數(shù)。在不考慮光電倍增管信號誘導(dǎo)噪聲等限制因素的情況下,光子計數(shù)器的非線性響應(yīng)主要由脈沖的重疊和電子設(shè)備的有限響應(yīng)時間引起,進而產(chǎn)生電子脈沖的數(shù)據(jù)堆?，F(xiàn)象。通過構(gòu)建激光雷達光子計數(shù)數(shù)據(jù)廓線的空間方差數(shù)學(xué)計算模型,評價光子計數(shù)數(shù)據(jù)的泊松分布質(zhì)量,計算得到長距離掃描激光雷達系統(tǒng)所應(yīng)用的Licel數(shù)據(jù)記錄儀的光子計數(shù)系統(tǒng)的死區(qū)時間約為3.402 ns[18]。圖5表示激光雷達數(shù)據(jù)的死區(qū)時間修正效果。從光子計數(shù)原始數(shù)據(jù)和死區(qū)時間修正后的數(shù)據(jù)比對可以看出,近場激光回波信號(小于10 km)發(fā)生數(shù)據(jù)堆?，F(xiàn)象的數(shù)據(jù)線性度得到了極大的改善,從而使得表征大氣狀態(tài)信息的有效激光雷達數(shù)據(jù)的利用率得到大幅提高。同時,誤差分析表明,死區(qū)時間的存在導(dǎo)致近場激光雷達光信號近50%的光子數(shù)未記錄上,而遠場信號的誤差值相對較小。此外,云的存在使得激光回波信號增強,導(dǎo)致光子計數(shù)器的計數(shù)率增加而使得光子數(shù)的記錄誤差較大。數(shù)據(jù)特性分析顯示,經(jīng)死區(qū)時間校正后的激光雷達光子計數(shù)數(shù)據(jù)具有更優(yōu)的泊松分布特性。

圖5 光子計數(shù)數(shù)據(jù)的死區(qū)時間校正效果Fig.5 Dead time correction (DTC) effect on the photon-counting data

2.3 模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)的拼接擬合

Licel數(shù)據(jù)記錄儀提供了模擬模式和光子計數(shù)探測模式的平行數(shù)據(jù)采集,為提高激光雷達系統(tǒng)的探測能力,尤其是整個數(shù)據(jù)長度內(nèi)激光雷達回波的信噪比,有必要對激光雷達回波的模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)進行拼接擬合,以歸一化表達大氣狀態(tài)信息。

模擬數(shù)據(jù)Ai和光子計數(shù)數(shù)據(jù)Pi被認為在低計數(shù)率1 MHz和高計數(shù)率20 MHz之間的有效區(qū)間內(nèi)具有一定的線性關(guān)系[9-10],因此模擬數(shù)據(jù)可通過線性變換轉(zhuǎn)化為類光子數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)二者的拼接擬合。通過探尋線性有效區(qū)間內(nèi)(1 MHz～20 MHz)模擬數(shù)據(jù)Ai和光子計數(shù)數(shù)據(jù)Pi的最小值χ2,可以得到線性轉(zhuǎn)換系數(shù)a和b,即

(2)

其中,σi表示光子計數(shù)數(shù)據(jù)的泊松誤差;i表示采樣點,n表示有效區(qū)間內(nèi)的采樣點數(shù)。

圖4標明了該激光雷達數(shù)據(jù)示例中模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)的線性關(guān)系部分(1 MHz～20 MHz),并進行線性擬合分別得到了轉(zhuǎn)換系數(shù)a(a=0.215)和b(b=-912.993)。由此可利用轉(zhuǎn)換系數(shù)a和b將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為類光子數(shù)據(jù),其轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的類光子數(shù)據(jù)和死區(qū)時間校正后的光子計數(shù)數(shù)據(jù)在某段探測距離內(nèi)具有較大的數(shù)據(jù)重疊性。在此范圍內(nèi)選取二者具有最小數(shù)據(jù)差的點作為拼接擬合點,就可得到整條(覆蓋近場和遠場)反映大氣狀態(tài)信息的激光雷達數(shù)據(jù)廓線,如圖7所示,這極大地提高了激光雷達的探測范圍。數(shù)據(jù)特性分析表明,拼接擬合后的激光雷達數(shù)據(jù)基本符合泊松分布。

圖6 模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成類光子數(shù)據(jù)后和光子計數(shù)數(shù)據(jù)(死區(qū)時間校正后)的匹配情況Fig.6 Match condition for the transferred analog data and the photon-counting data after dead time correction (DTC)

圖7 模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)拼接擬合后的激光雷達回波信號Fig.7 Merged trace of lidar return signal

2.4 模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)廓線錯位的修正

Licel數(shù)據(jù)記錄儀中的AD數(shù)據(jù)采集卡(模擬模式)和光子計數(shù)器(光子計數(shù)模式)是獨立運行的單元,二者數(shù)據(jù)在記錄長度上具有一定的錯位現(xiàn)象,如圖8所示。也就是說,模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)在大氣狀態(tài)信息的表達上具有一定的距離差異性,因此需要對模擬數(shù)據(jù)或光子計數(shù)數(shù)據(jù)進行移位修正,以更精確地表達大氣狀態(tài)信息。從圖8可以看出,此Licel數(shù)據(jù)記錄儀的模擬數(shù)據(jù)相比于光子計數(shù)數(shù)據(jù)存在一定的滯后性,可通過將光子計數(shù)數(shù)據(jù)右移或者將模擬數(shù)據(jù)左移進行數(shù)據(jù)修正以匹配模擬數(shù)據(jù)或光子計數(shù)數(shù)據(jù)。

圖8 模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)的錯位現(xiàn)象Fig.8 Mismatch between the analog and photon-counting data

模擬探測模式和光子計數(shù)探測模式是平行的數(shù)據(jù)記錄模式,因此二者反映相同的大氣狀態(tài)信息。當把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成類光子計數(shù)數(shù)據(jù)后,若二者相互匹配,則應(yīng)具有最小的χ2(見式(2)),也就是說,當二者數(shù)據(jù)具有最小的χ2時,模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)具有最佳的距離位置對應(yīng)關(guān)系。這為探尋模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)的位置差提供了解決方案,即:

χ2→min

(3)

考慮到激光雷達的原始坐標點由硬反射物的模擬數(shù)據(jù)坐標距離確定,因此選擇模擬數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)。

圖9為光子計數(shù)數(shù)據(jù)右移N點后利用式(2)所計算得到的χ2結(jié)果。從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),在光子計數(shù)數(shù)據(jù)右移4點后,模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)具有最小的χ2。圖10為光子計數(shù)數(shù)據(jù)右移4點后的模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)在云信號表達上的匹配情況。由圖10可知,類光子數(shù)據(jù)和光子數(shù)據(jù)得到了較好的位置匹配。

圖9 光子計數(shù)數(shù)據(jù)右移N點后式(2)所得χ2結(jié)果Fig.9 Calculation results of χ2 by shifting N bins of photon-counting data using formula(2)

圖10 光子計數(shù)數(shù)據(jù)右移4點后的模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)的匹配情況Fig.10 Good match between analog data and photon-counting data after 4-bin left-shift of analog data

2.5 數(shù)據(jù)修正對長距離掃描激光雷達探測能力的 提高

Licel數(shù)據(jù)記錄儀可同時提供模擬探測模式和光子計數(shù)探測模式的數(shù)據(jù)采集,以提高激光雷達的探測性能。通過對長距離掃描激光雷達數(shù)據(jù)采集所用Licel數(shù)據(jù)記錄儀的光子計數(shù)系統(tǒng)的死區(qū)時間進行修正、對模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)拼接以及錯位修正,使得長距離激光雷達的掃描探測距離實現(xiàn)大幅提升,為采用多角度方法反演氣溶膠光學(xué)特性提供更佳的數(shù)據(jù)支持。圖11為長距離掃描激光雷達數(shù)據(jù)修正前后對比圖。比較圖11(a)和(b)可知,水平探測距離從圖11(a)的不足15 km提高到圖11(b)的25 km,極大地提高了RHI(Range-Height Indicator)掃描圖的質(zhì)量。

圖11 長距離掃描激光雷達數(shù)據(jù)修正前后對比圖Fig.11 Comparison of the RHI scans displaying logarithm RSCS based on before and after correction

3 結(jié) 語

Licel數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用于激光雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時,可同時提供模擬探測和光子計數(shù)探測兩種模式。模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)具有較大的數(shù)據(jù)差異性。模擬數(shù)據(jù)受電子噪聲的影響較大,存在一個較大的偏置電壓值,具有線性度高的特性,可有效反映近場激光回波信號;光子計數(shù)數(shù)據(jù)在強信號下受到死區(qū)時間的影響而易產(chǎn)生數(shù)據(jù)堆?，F(xiàn)象,具有高靈敏度的特點,在遠場微弱激光回波信號檢測中具有優(yōu)勢。

通過空間方差數(shù)學(xué)計算模型來評價光子計數(shù)數(shù)據(jù)的泊松分布質(zhì)量,可得到光子計數(shù)系統(tǒng)的死區(qū)時間。長距離掃描激光雷達的數(shù)據(jù)記錄儀Licel TR40-160的光子計數(shù)系統(tǒng)的死區(qū)時間約為3.402 ns,近場信號經(jīng)數(shù)據(jù)堆棧修正后得到了極大的改善,數(shù)據(jù)利用率得到了大幅提高。通過探尋模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)在線性關(guān)系區(qū)間(1 MHz～20 MHz)的轉(zhuǎn)換系數(shù),將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成類光子計數(shù)數(shù)據(jù),并選擇具有最小數(shù)據(jù)差的點作為拼接擬合點,進而實現(xiàn)大氣狀態(tài)信息的激光雷達數(shù)據(jù)歸一化表達。此外,通過比較云信號處的模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)二者存在距離差異性。通過將光子計數(shù)數(shù)據(jù)右移并探尋具有最小χ2的位置,確定二者數(shù)據(jù)的最優(yōu)位置差為4點,進而對數(shù)據(jù)進行修正,實現(xiàn)大氣狀態(tài)信息位置的精確表達。

為驗證數(shù)據(jù)修正效果,將長距離掃描激光雷達的模擬數(shù)據(jù)RHI掃描圖以及模擬數(shù)據(jù)和光子計數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)修正、拼接后的RHI掃描圖進行比較,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接極大地提高了RHI掃描圖在遠場信號中的表達。