本發(fā)明涉及大氣環(huán)境探測的激光雷達(dá)，尤其針對用于中高層大氣探測的空基瑞利激光雷達(dá)的姿態(tài)校正。

背景技術(shù)：

1、瑞利激光雷達(dá)主要用于30km以上高度的大氣溫度、分子密度和大氣波動的測量，其測量數(shù)據(jù)在通信、氣象等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。瑞利激光雷達(dá)的測量原理為，認(rèn)為30km以上的大氣氣溶膠可忽略不計(jì)，則30km以上的大氣彈性散射回波信號主要是大氣分子瑞利散射，利用大氣分子瑞利散射回波信號，可以反演獲得中高層大氣相關(guān)參數(shù)。由于空基瑞利激光雷達(dá)測量平臺可以有效縮短激光雷達(dá)與被探測體之間的距離，減少激光光束及其后向散射信號的衰減，大幅減少激光功率和接收望遠(yuǎn)鏡口徑，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和系統(tǒng)成本。因此與同等尺寸的地基激光雷達(dá)設(shè)備相比，空基瑞利激光雷達(dá)可以獲取更好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。然而由于大氣中存在復(fù)雜的動態(tài)干擾，空基測量平臺在觀測過程中會產(chǎn)生波動，導(dǎo)致激光束方向不穩(wěn)定。一些學(xué)者研究在測量平臺上搭載姿態(tài)控制系統(tǒng)，從而控制激光束指向變化。這種方法不僅費(fèi)時(shí)耗力，而且只能控制平臺的相對穩(wěn)定，無法阻止測量平臺小幅度的姿態(tài)變化。對于空基瑞利激光雷達(dá)而言，這些小幅度姿態(tài)變化仍會改變激光束傳輸路徑下的大氣密度，對溫度反演結(jié)果帶來較大偏差。

2、因此，需要從信號處理方面，提出一種高效的姿態(tài)校正的方法和系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種空基瑞利激光雷達(dá)信號的姿態(tài)校正方法、系統(tǒng)及存儲介質(zhì)。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種空基瑞利激光雷達(dá)信號的姿態(tài)校正方法，包括：

4、s1.獲取各時(shí)刻光子數(shù)廓線及對應(yīng)時(shí)刻姿態(tài)數(shù)據(jù)，所述姿態(tài)數(shù)據(jù)包括：搭載于測量平臺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄的俯仰角及滾轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)；

5、s2.檢測并剔除異常姿態(tài)數(shù)據(jù)及對應(yīng)光子數(shù)廓線；具體包括：

6、(201)設(shè)置剔除量閾值與角度閾值；

7、(202)利用俯仰角實(shí)測值與近似值的歐氏距離的四分位距剔除異常數(shù)據(jù)，得到第一次篩選實(shí)測數(shù)據(jù)；

8、(203)利用滾轉(zhuǎn)角實(shí)測值與近似值的歐氏距離的四分位距剔除異常數(shù)據(jù)，得到第二次篩選實(shí)測數(shù)據(jù)；

9、(204)對第二次篩選實(shí)測數(shù)據(jù)重復(fù)步驟(201)，得到第三次篩選實(shí)測數(shù)據(jù)；

10、(205)對第三次篩選實(shí)測數(shù)據(jù)重復(fù)步驟(202)，得到第四次篩選實(shí)測數(shù)據(jù)；

11、(206)利用所述剔除量閾值和角度閾值，對篩選后的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，得到最終篩選后的實(shí)測數(shù)據(jù)；

12、s3.根據(jù)篩選后的姿態(tài)數(shù)據(jù)生成平均偏角，計(jì)算實(shí)際海拔高度；具體包括：

13、(301)構(gòu)建載體坐標(biāo)系；

14、(302)基于所述載體坐標(biāo)系，建立探測距離與實(shí)際海拔高度的關(guān)系模型；

15、(303)計(jì)算所述篩選后的實(shí)測數(shù)據(jù)中俯仰角平均值和滾轉(zhuǎn)角平均值，并將其代入所述關(guān)系模型，得到實(shí)際海拔高度；

16、s4.基于篩選后的光子數(shù)廓線及實(shí)際海拔高度，生成校正后的溫度廓線。

17、進(jìn)一步的，所述俯仰角的近似值為俯仰角數(shù)據(jù)的平均值與各時(shí)刻抖動量的和，滾轉(zhuǎn)角的近似值為滾轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的平均值與各時(shí)刻抖動量的和。

18、進(jìn)一步的，所述各時(shí)刻抖動量定義為姿態(tài)數(shù)據(jù)下一時(shí)刻姿態(tài)角與上一時(shí)刻姿態(tài)角的差值。

19、進(jìn)一步的，步驟(302)中所述建立探測距離與所述實(shí)際海拔高度的關(guān)系模型，包括：確立載體坐標(biāo)系相對地理坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系；構(gòu)建激光束發(fā)射方向與載體坐標(biāo)系的空間相對關(guān)系。

20、進(jìn)一步的，確立載體坐標(biāo)系相對地理坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系包括：構(gòu)建包含俯仰角與滾轉(zhuǎn)角的從載體坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系變換的旋轉(zhuǎn)矩陣。

21、進(jìn)一步的，構(gòu)建激光束發(fā)射方向與載體坐標(biāo)系的空間相對關(guān)系，包括在載體坐標(biāo)系上建立極坐標(biāo)系，以極坐標(biāo)系中的天頂角、方位角描述激光束發(fā)射方向，以極坐標(biāo)系的極徑描述探測距離。

22、本發(fā)明還提供一種空基瑞利激光雷達(dá)信號的姿態(tài)校正系統(tǒng)，包括：

23、獲取模塊，用于獲取各時(shí)刻光子數(shù)廓線及對應(yīng)時(shí)刻姿態(tài)數(shù)據(jù)，所述姿態(tài)數(shù)據(jù)包括：搭載于測量平臺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄的俯仰角及滾轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)；

24、處理模塊，用于檢測并剔除異常姿態(tài)數(shù)據(jù)及對應(yīng)光子數(shù)廓線；

25、計(jì)算模塊，用于根據(jù)篩選后的姿態(tài)數(shù)據(jù)生成平均偏角，計(jì)算實(shí)際海拔高度；

26、生成模塊：基于篩選后的光子數(shù)廓線及實(shí)際海拔高度，生成校正后的溫度廓線；

27、所述處理模塊還用于設(shè)置剔除量閾值與角度閾值，并利用俯仰角和滾轉(zhuǎn)角實(shí)測值與近似值的歐氏距離的四分位距，進(jìn)行四次異常數(shù)據(jù)剔除；利用所述剔除量閾值和角度閾值，對篩選后的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，得到最終篩選后的實(shí)測數(shù)據(jù)；

28、所述計(jì)算模塊還用于構(gòu)建載體坐標(biāo)系；建立探測距離與實(shí)際海拔高度的關(guān)系模型；計(jì)算篩選后的實(shí)測數(shù)據(jù)中俯仰角平均值和滾轉(zhuǎn)角平均值，并將其代入所述關(guān)系模型，得到實(shí)際海拔高度。

29、進(jìn)一步的，所述處理模塊還用于定義姿態(tài)數(shù)據(jù)下一時(shí)刻姿態(tài)角與上一時(shí)刻姿態(tài)角的差值為抖動量，計(jì)算俯仰角數(shù)據(jù)的平均值與抖動量的和為俯仰角近似值，計(jì)算滾轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的平均值與抖動量的和為滾轉(zhuǎn)角近似值。

30、進(jìn)一步的，所述計(jì)算模塊還用于構(gòu)建包含俯仰角與滾轉(zhuǎn)角的從載體坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系變換的旋轉(zhuǎn)矩陣，從而確立載體坐標(biāo)系相對地理坐標(biāo)系的空間位置關(guān)系；在所述載體坐標(biāo)系上建立極坐標(biāo)系，以極坐標(biāo)系中的天頂角、方位角描述激光束發(fā)射方向，以極坐標(biāo)系的極徑描述探測距離，以構(gòu)建激光束發(fā)射方向與載體坐標(biāo)系的空間相對關(guān)系。

31、進(jìn)一步的，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述空基瑞利激光雷達(dá)信號的姿態(tài)校正方法的步驟。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

33、1.提高溫度反演精度：通過精確校正平臺的姿態(tài)變化，能夠顯著減少激光束指向偏差對溫度反演結(jié)果的影響，從而獲得更高精度的溫度廓線，解決了傳統(tǒng)姿態(tài)控制手段無法完全消除的測量誤差問題。

34、2.提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和適應(yīng)性：本發(fā)明通過多次異常數(shù)據(jù)剔除及姿態(tài)平均偏角計(jì)算，有效降低了動態(tài)干擾對回波信號的影響，確保系統(tǒng)在復(fù)雜飛行環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了空基瑞利激光雷達(dá)在不同大氣條件下的適應(yīng)性。

35、3.降低成本與復(fù)雜性：相比于依賴高精度姿態(tài)控制硬件，本發(fā)明采用信號處理的方式進(jìn)行姿態(tài)校正，無需額外增加硬件成本，減少了系統(tǒng)復(fù)雜性，同時(shí)簡化了平臺設(shè)備配置，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

36、4.高效的數(shù)據(jù)處理方法：通過利用俯仰角和滾轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的歐氏距離進(jìn)行多次異常數(shù)據(jù)剔除，并結(jié)合抖動量的計(jì)算，本發(fā)明提出的姿態(tài)校正方法能夠有效提升校正效率，減少數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度，適合于實(shí)時(shí)應(yīng)用場景。

37、5.廣泛的應(yīng)用前景：本發(fā)明提供的姿態(tài)校正方法和系統(tǒng)不僅適用于空基瑞利激光雷達(dá)的各種應(yīng)用場景，還適用于搭載于如船舶等其他浮動平臺瑞利激光雷達(dá)的探測，推動激光雷達(dá)搭載平臺的多樣性，推進(jìn)瑞利激光雷達(dá)技術(shù)在大氣探測、氣象研究、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

38、總結(jié)而言，本發(fā)明不僅以低成本、高效率的數(shù)據(jù)處理方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中的姿態(tài)控制難題，還提升了空基瑞利激光雷達(dá)在不同大氣條件下的適應(yīng)性，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣泛的推廣前景。