CN104749579B - 一种基于混沌激光装置及其相关法的航道水深测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于混沌激光装置及其相关法的航道水深测量方法，其所述方法是基于混沌激光装置实现对浅水区域的航道水深进行测量，具体方法是在航道水面载体上，由混沌激光装置发出探测光和参考光，将探测光直接垂直照射到航道水底面，反射回来的探测光信号通过望远镜收集，并利用光电探测器转化成电信号；另一束参考光经光电探测器转换成电信号，两路电信号经存储后，再进行互相关运算，获得探测光信号在航道水中往返的飞行时间，进而计算出航道的水深。本方法解决了现有测量航道水深的激光雷达技术存在的距离分辨率与测量深度之间的矛盾，其距离分辨率达到了厘米级，并具有抗干扰能力的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光雷达测深的航道水深测量方法，具体是一种基于混沌激光装置及其相关法的航道水深测量方法，属于水下探测技术领域。
背景技术
水运航道是基础设施，水运航道建设不仅促进了水运事业的发展，而且在国际贸易不断发展的背景下，其经济作用日益突出。为了确保航道通航安全，对航道水深的测量至关重要。
现有航道水深的测量方法主要有：单波束声纳技术，多波束声纳技术，基于多光谱的遥感探测技术，基于微波的遥感探测技术，以及机载激光雷达技术。
单波束和多波束声纳技术，其原理都是利用水声换能器发射和接收声波信号，根据波束在水中的往返时间以及声速确定水深。相对于单波束，多波束声纳测深技术探测范围更广、测量效率和测量精度更高，已成为海底地形测量最广泛使用的探测技术。例如，德国的L3 ELAC Nautk公司已研制出了多波束声纳Seabeam系列产品，最大测深达到11000米。挪威的Kongsberg Maritime公司已生产出DDS9000多波束声纳探测系统，最大测深为1000米。
多光谱遥感测深技术，就是利用卫星上可见光或近红外波段的两个以上的光谱通道的传感器对浅水区域进行同步成像的一种遥感技术，通过对水面反射的若干光谱段的电磁波信息的接收和记录，从而提取出浅水区域的水深信息。例如，澳大利亚昆士兰大学近来利用Quickbird卫星记录的多光谱数据，对该国的摩顿湾进行了水深和水下地形的测图（Remote Sensing, 3, 42-64, 2011）。我国内蒙古大学利用Landsat卫星记录的多光谱遥感信息反演了我国乌梁素海浅水湖泊的水深（水科学进展，20(1), 111-117, 2009）。
对于微波遥感测深技术，合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）是一种主动式的微波成像雷达，通过获得浅水区域后向散射强度的图像，反演计算浅水区域的水深。目前研究影响较大的浅海水深SAR遥感探测技术是荷兰科学家Calkoen等人采用迭代方式建立的“水深估测系统”，并在反演浅海区域的水深值时获得了较高精度（INT. J. Remote Sensing, 22(15), 2973-2998, 2001）。
机载激光雷达技术作为多波束声纳测深技术的补充，在浅水区域的水深测量方面显示出独特的优势。例如，美国国家航空航天局NASA研发成功了EAARL激光雷达系统，其测深范围为0.3-26米，已完成了加利福尼亚州克拉玛斯河的测量（Journal of the American Water Resources Association, 49(1), 183-204, 2013）。中国科学院上海光机所和海军海洋测绘研究所已完成了机载激光测深系统样机的研制，其测深范围0.5-50米，测深精度为±0.3米（海洋测绘，34(2), 72-75, 2014）。
对于上述测量航道的水深方法，单波束和多波束声纳测深技术主要应用在深水区域，特别是在几百米以上的水域，其测深能力无法匹敌。然而，对于浅水区域，由于温跃层对声场分布影响很大，致使声速的确定只能通过经验模型的计算获得，使得利用声纳技术测量浅水水深会有很大的误差。尽管个别多波束声纳系统已实现了对浅水水深的测量，但算法复杂，耗时量大，不便于快速反应和现场决策。甚至在周围环境变化很大的浅水区域，现有的经验模型通常会失效，从而测得了错误的水深信息，这会严重危及到航道的通行安全。
多光谱和微波遥感探测技术能够反演浅海水域的水深，但都需要建立图像信息与海洋物理和大气参数之间复杂的相关模型。由于它们之间存在着较复杂的非线性关系，导致最终建立的相关模型也有着较大的不确定性。因而，模型的误差较大，对不同的水体实用性较差。另一方面，由于水体受波浪、潮汐与海流的影响较大，采用上述两种遥感探测技术要想达到10%以内的相对测深精度是比较困难的。
激光雷达测深技术能够用于测量浅水区域，并在实际的测量中得到了应用。但该技术主要是基于脉冲飞行法，由于自身原理的缺陷，这种技术存在0.5m左右的测深盲区，其最浅测深能力受到极大限制。而且，对于该技术，水下目标的距离分辨率与探测深度存在着无法调和的矛盾，其距离分辨率是由探测脉冲的宽带决定，目前采用的脉冲宽度通常为5～10ns，对应的距离分辨率大约为1.1m左右。为了提高距离分辨率，需采用脉宽更窄的探测脉冲，但这样会明显降低探测脉冲的能量，进而减少了可探测的深度。
上述对于浅水区域的航道水深测量，单波束和多波束声纳测深技术的测深能力捉襟见肘。采用多光谱和微波遥感测深技术可以反演浅水区域的航道水深，但是，其测量误差较大。相对而言，激光雷达测深技术在浅水区域的航道水深测量方面表现出明显的优势，但存在着0.5m左右的测深盲区、距离分辨率与探测深度之间矛盾、探测精度低等诸多问题。
发明内容
本发明提供一种基于混沌激光装置及其相关法的航道水深测量方法，用以解决现有浅水区域航道测量方法的距离分辨率与测量深度之间的矛盾，进一步提高最浅测深能力，以及探测精度。
本发明上述所提供的一种基于混沌激光装置及其相关法的航道水深测量方法，其特征在于：所述混沌激光装置是混沌固体激光器输出的激光经激光准直系统和分束镜后，被分成两束，一束光输入光电探测器Ⅰ；另一束光直接照射航道水底面，经航道水底面反射后被望远镜接收，然后输入光电探测器Ⅱ；光电探测器Ⅰ输出端、可调电延迟线、数据采集装置Ⅱ和信号处理装置依次由高频同轴电缆连接；同时光电探测器Ⅱ输出端、数据采集装置Ⅰ和信号处理装置依次由高频同轴电缆连接；信号处理装置左侧输出端连接有显示装置；
所述航道水深测量方法是在航道水面载体上，将混沌激光装置发出的波长为532nm、带宽为10GHz以上的混沌激光分为探测光和参考光，将平均光功率为85W以上的探测光直接垂直照射到水体浊度为100NTU以下的航道中，经反射率为0.05～0.15的航道水底面反射回来的探测光信号，通过望远镜收集并利用光电探测器Ⅱ转化成电信号；另一束参考光经光电探测器Ⅰ转换成电信号，两路电信号经存储后，再进行互相关运算，获得探测光信号在航道水中往返的飞行时间t d，进而计算出航道的水深。
进一步的附加技术特征如下。
所述混沌固体激光器是由泵浦源半导体激光器模块、激光晶体、倍频晶体、四分之一波片和Etalon标准具依次连接构成.
所述混沌固体激光器是基于倍频晶体中多纵模非线性耦合过程产生功率为85W以上，宽带为10GHz以上的混沌绿光。
所述浅水区域的水体浑浊度是100NTU以下。
所述浅水区域的水深范围是0.01-30米。
本发明上述所提供的一种基于混沌激光装置及其相关法的航道水深测量方法，与现有用于浅水区域的测量航道水深的激光雷达技术相比，其突出的优点与积极效果如下。
本方法采用混沌激光相关法测量航道的浅水深，其距离分辨率是由互相关曲线上峰值的半高全宽决定，而这一半高全宽又取决于混沌激光信号的带宽，将带宽10GHz以上的混沌激光信号作为探测信号，其半高全宽可以小于0.1ns。因此本发明可以获得厘米量级甚至亚厘米量级的距离分辨率，而且这一距离分辨率与探测深度无关，因而解决了目前激光雷达技术用于航道浅水深测量中距离分辨率与探测深度之间的突出矛盾。
本方法用于航道浅水深测量，其测量盲区极小，与现有的激光雷达技术相比，测量盲区由0.5m左右降低到了10cm以下，其最浅测深能力也得到明显地提高，最小测深可小于10cm。
本方法采用混沌激光信号的互相关曲线提取混沌激光在航道水中的飞行时间，由于混沌信号具有类噪声、不可重复的特性，其互相关曲线只能是混沌信号与其自身延迟的信号进行相关运算获得。因此，本发明抗干扰能力强，噪声容忍度大。
本方法测量精度高，在激光器出射混沌激光带宽大于10GHz时，系统的测量精度可达到厘米量级，远低于现有激光雷达技术的0.3m。
附图说明
图1 是本发明方法的结构示意图。
图2是本发明方法产生宽带混沌激光的装置结构示意图。
图中：1：混沌固体激光器；1a：半导体激光器模块；1b1：输入镜；1b2：输出镜；1c：激光晶体；1d：倍频晶体；1e：四分之一波片；1f：Etalon标准具；2：激光准直系统；3：分束镜；4：光电探测器Ⅰ；5：可调电延迟线；6：航道水底面；7：望远镜；8：光电探测器Ⅱ；9：数据采集装置Ⅰ；10：数据采集装置Ⅱ；11：信号处理装置；12：显示装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施本发明上述所提供的一种基于混沌激光装置及其相关法的航道水深测量方法，具体实施方式如附图1所述。
基于混沌激光装置及其相关法实现对航道浅水深的测量方法，其所述混沌激光装置的结构示意图包括混沌固体激光器1、激光准直系统2、分束镜3、光电探测器Ⅰ4、可调电延迟线5、望远镜7、光电探测器Ⅱ8、数据采集装置Ⅰ9、数据采集装置Ⅱ10、信号处理装置11和显示装置12，以及反射目标航道水底面6。其中，混沌固体激光器1输出的激光经过激光准直系统2准直后，再经分束镜3分成两束，一束光作为参考信号，输入光电探测器Ⅰ4，另一束光作为探测信号，直接垂直照射航道水底面6，经水底面反射后被望远镜7接收，然后输入到光电探测器Ⅱ8中。光电探测器Ⅰ4输出端、可调电延迟线5、数据采集装置Ⅱ10和信号处理装置11依次用高频同轴电缆连接，同样，光电探测器Ⅱ8输出端、数据采集装置Ⅰ9和信号处理装置11也依次用高频同轴电缆连接。信号处理装置11左侧输出端连接显示装置12。
本发明宽带混沌激光信号产生方式是由半导体激光器模块1a抽运工作介质Nd:YAG、Nd:YVO4或Nd:YLF的激光晶体1c，然后进行倍频，基于倍频晶体1d中多纵模非线性耦合过程产生高功率、宽带混沌绿光，具体实施方式如附图2所述。半导体激光器泵浦模块1a可采用30个最大输出功率为20W、 808nm的量子阱激光器组成，总泵浦功率可达600W（可由美国CEO公司提供）。在此，作为混沌固体激光器工作介质的激光晶体1c选用Nd:YAG晶体，其尺寸为ϕ5.0×105mm，掺Nd浓度为0.6%，并在晶体的两通光端面镀上1064nm的增透膜。倍频晶体1d采用尺寸为5×5×15mm的KTP晶体，并采用Ⅱ类临界相位匹配方式（Φ=23.8°，θ=90°）。为了防止Nd:YAG晶体、KTP晶体的热效应，需采用冷却水循环机（可由北京国科世纪激光技术有限公司提供）严格控制这些晶体的温度，通常冷却水温度设置在23°。输入镜1b1内侧面镀有1064nm高反膜，外侧面不镀膜；输出镜1b2内侧镀有1064nm高反膜和532nm高透膜。激光腔中放置Etalon标准具，使其腔中仅有3个纵模进行振荡，形成激光，其余的纵模都被抑制掉。宽带混沌激光的产生是基于腔中3个纵模在KTP晶体中发生的非线性耦合效应，此非线性耦合过程不仅使激光波长从1064nm转换成532nm，同时也产生了光强幅度随机起伏的混沌激光。在实际操作过程中，通过调节双折射KTP晶体的e轴和四分之一波片快轴之间的夹角ψ，可探明上述混沌固体激光器混沌产生的路径。设置半导体激光器模块的工作电源电流为I=20.8A，ψ=π/4时，该混沌固体激光器可产生波长为532nm、带宽为10GHz以上、平均功率为85W的混沌绿光。
本发明将混沌固体激光器输出的波长为532nm、带宽为10GHz以上的混沌绿光经准直系统2准直后，由分束镜3将激光分为两束，一束作为探测光，其平均光功率达到85W以上，直接垂直照射到水体浊度为100NTU的航道中，经反射率为0.05～0.15的航道水底反射后，被望远镜7收集，再由高灵敏度低噪声光电探测器Ⅱ8转换为电信号，并通过数据采集装置Ⅰ9，将输入的混沌电信号经A/D转换后，再输入到信号处理装置11。另一束作为参考光，经光电探测器Ⅰ4转换为电信号，并经可调电延迟线5输入到数据采集装置Ⅱ10，经A/D转换后也一并输入到信号处理装置11。在信号处理装置11处，探测信号与参考信号进行相关运算，从而获得航道的水深，最后将结果通过显示装置显示出来。对于我国整个渤海湾区域，其平均水深为18m左右，最大水深也只有30米左右。渤海湾水底沉积物的主要物质是沙，其水底的反射率大约为0.1左右。对于渤海湾的水体浊度通常在夏季相对比较好，可以达到100NTU以下。因此，针对渤海湾区域的航道水深测量为本发明提供了广阔的应用前景。通过激光雷达测深方程，可以估算本发明用于测量渤海湾区域航道水深的能力。
在上式中，P r 为激光垂直射入航道水底反射返回到测量仪器的功率；P t 为混沌固体激光器输出的光功率，在此选取的光功率为85W；κ(l)为接收光学系统光谱透光率，其值为0.9；A 0为接收光学系统的有效孔径，当主接收孔径为φ200时，A 0=0.0314m2；n为航道水体的折射率，其值约为1.33；ρ(l)为航道水底的反射率取0.1；m(l)为航道水体的衰减系数，当水体的浊度为100NTU时，对应的衰减系数大约为0.3，水体越清，衰减系数越小；h为测量点航道的水深。当接收器的探测能力为10-9W时，本发明测得渤海湾区域的航道水深约为20m。随着混沌固体激光器发射光功率的提高或者接收器探测能力的提高以及航道水质的改善，本发明探测航道水深的能力还可进一步提高，其测深能力完全能够覆盖整个渤海湾。对于带宽为10GHz的混沌激光探测信号，本发明的距离分辨率可以达到2cm，并与航道的探测深度无关。本发明的航道测量盲区可以达到10cm以下，极大地提高了航道的最浅测深能力。
本发明可调电延迟线5的作用主要在于标定和校准仪器，通过将探测光照射到一个已知标准水深为L的航道水底，将返回的探测光和参考光分别经过光电探测、A/D转换后，输入到信号处理装置进行互相关运算，调节延迟线的延迟时间使互相关曲线的峰值出现在t 1（一般取t 1=0）时刻，则待测航道水底面6的水深h，可通过h=L+(t 2-t 1)v/2计算得到，其中，t 2是被测航道水底反射回来的探测光和参考光分别经过光电探测、A/D转换后进入到信号处理装置进行互相关，互相关曲线峰值所对应的时刻；v为探测光在水中的传播速度。
Claims (1)
1.一种基于混沌激光装置的航道水深测量方法，其特征在于：
所述混沌激光装置是混沌固体激光器（1）输出的激光经激光准直系统（2）和分束镜（3）后被分成两束，一束光输入光电探测器Ⅰ（4）；另一束光直接照射航道水底面（6），经航道水底面（6）反射后被望远镜（7）接收，然后输入光电探测器Ⅱ（8）；光电探测器Ⅰ（4）输出端、可调电延迟线（5）、数据采集装置Ⅱ（10）和信号处理装置（11）依次由高频同轴电缆连接；同时光电探测器Ⅱ（8）输出端、数据采集装置Ⅰ（9）和信号处理装置（11）依次由高频同轴电缆连接；信号处理装置（11）左侧输出端连接有显示装置（12）；
所述航道水深测量方法是在航道水面载体上，将混沌激光装置发出的波长为532nm、带宽为10GHz以上、平均光功率为85W以上的混沌激光分为探测光和参考光，将探测光直接垂直照射到水体浊度为100NTU以下的航道中，经反射率为0.05～0.15的航道水底面（6）反射回来的探测光信号，通过望远镜（7）收集并利用光电探测器Ⅱ（8）转化成电信号；另一束参考光经光电探测器Ⅰ（4）转换成电信号，两路电信号经存储后，再进行互相关运算，获得探测光信号在航道水中往返的飞行时间t d，进而计算出航道的水深；
所述混沌固体激光器（1）是由泵浦源半导体激光器模块（1a）、输入镜（1b1）、激光晶体（1c）、倍频晶体（1d）、四分之一波片（1e）和Etalon标准具（1f）、输出镜（1b2）依次连接构成；其中：输入镜（1b1）内侧面镀有1064nm高反膜，外侧面不镀膜；输出镜（1b2）内侧面镀有1064nm高反膜和532nm高透膜；激光腔中放置Etalon标准具（1f），使其腔中仅有3个纵模进行振荡，基于腔中3个纵模在倍频晶体中发生的非线性耦合效应，使激光波长从1064nm转换成532nm，产生光强幅度随机起伏的混沌激光；
所述泵浦源半导体激光器模块（1a）是采用30个最大输出功率为20W、 808nm的量子阱激光器组成，总泵浦功率为600W；
所述激光晶体（1c）是选用Nd:YAG晶体，其尺寸为ϕ5.0×105mm，掺Nd浓度为0.6%，并在晶体的两通光端面镀上1064nm的增透膜；
所述倍频晶体（1d）是尺寸为5×5×15mm的KTP晶体，并采用Ⅱ类临界相位匹配方式，Φ=23.8°，θ=90°，采用冷却水循环机严格控制KTP晶体的温度，冷却水温度设置为23°；
所述混沌激光装置发出的波长为532nm、带宽为10GHz以上、平均光功率为85W以上的混沌激光是通过调节倍频晶体（1d）的e轴和四分之一波片（1e）快轴之间的夹角ψ=π/4，设置半导体激光器模块（1a）的工作电源电流I = 20.8A产生。
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