CN106225768B - 一种利用多波束激光测量水下地形的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种利用多波束激光测量水下地形的方法和装置，属于水利测量领域。测量方法包括：1)测量仪器架设；2)测量仪器标定；3)模型测量区域准备；4)地形高程计算。测量装置，包括：存储模块、同步模块、长波激光器、短波激光器、反射镜、长通二向色镜、相机。该装置和方法的有益效果在于：1、提供一种基于不同频率光线折射原理的新的测量水下地形的方法和装置，解决了现有激光测距仪只能用于同一种介质的缺陷；2、本发明提供的方法属于非接触测量，准确高效，解决了现有激光测距仪间接接触的问题；3、本发明提供的激光测距方法精度高于超声方法；4、双频激光折射后在模型水深条件下，两光斑距离在毫米级范围，因此其照片光斑位置可以作为该模型点位置被赋予高程。

Description

一种利用多波束激光测量水下地形的方法和装置

技术领域

本发明一种利用多波束激光测量水下地形的方法和装置，属于水利测量领域。尤其涉及一种利用不同波长的激光测量测量透明水体底部地形的方法。

背景技术

在水利测量领域，传统测量水下地形的方法一般采用垂线法和超声法。

对于原型的水下地形测量，垂线法是在水面上利用钢丝绳吊挂铅鱼到水下地形表面上，测量钢丝绳的长度和倾斜角并参考干湿绳改正值计算得水深，利用水位与水深关系计算地形高程；超声法是指利用超声测深仪或者声学多普勒雷达或者多波束声波对水下地形进行扫描，通过脉冲声波的反射时间差计算水深，再通过水位换算地形高程。还有激光测距法，利用激光传播到水底反射回来的时间差计算水面到水底的距离，但是在原型中光线很容易被遮挡或者耗散。由于大气和水体的折射率不同，因此激光测距必须在同一介质内发射才能有效测量。

对于模型的水下地形测量，垂线法就是利用一个尺子，利用固定在模型上的测桥作为参照，测量测桥固定高程位置到水下地形之间的距离，计算地形高程；在模型测量上也有应用超声发的声学多普勒雷达或者多波束声波进行水下地形扫描，但是声学测量方法相对复杂，尤其是在模型上水深较浅的情况下，声学换能器往往要求浸入水中足够深度，这样的条件在模型上很难满足，其应用受到很大限制。在模型测量中采用尺子的方法耗时耗力，而且由于测量人员是站在较高的测桥上测量低于其脚面的地形，在动床模型上很难保证尺子刚好到达动床泥沙的表面，因此其准确度也不高。

对于现有的激光测距仪，由于大气和水体的折射率不同，因此激光测距必须在同一介质内发射才能有效测量。因此激光测距仪属于间接接触式装置，会对水体造成扰动。不适合在在水体运动过程中进行动床地型的直接测量。

在模型试验地形测量上急需一种非接触式的高精度高效率的测量方法，当原型上水深较浅，通光性较好时，也可以利用这样的方法作为传统测量方法的补充。

发明内容

本发明公开了一种利用多波束激光测量水下地形的方法，正是提供了一种高效的水工模型试验中进行水下地形测量的方法。

进一步地，公开了一种利用多波束激光测量水下地形的装置用以实施水下地形测量。

具体而言本方法包括以下步骤：

1)测量仪器架设；将多波束激光器以固定距离和角度架设在测量区域上方，保证其激光入射角范围在10°到80°之间，并将照相机固定在能够拍照整个测量区域和激光斑点的位置；

2)测量仪器标定；在模型被测区域设置不同坡度和高差的斜坡，其高差覆盖模型试验结果可能的最高和最低高程范围；模型充水到预定水位，控制多波束激光器对以上设置的斜坡进行扫描，并控制照相机同步照相，获得各个高程上不同波长激光的光斑，利用多波束高程软件计算各光斑所在位置的水深，通过模型水位和冻结基面换算模型相应位置的水深并通过已知高程值对测得数值进行修正；

3)模型测量区域准备；动床模型试验完成后，将水位调整到预定水位，控制多波束激光器对整个待测区域进行扫描，并控制照相机同步照相；同步照相的扫描点密度可以根据所要求精度进行调整，优选地以5cm为步长交叉扫描纵边和横边；

4)地形高程计算；将步骤3)的照相结果利用多波束高程软件计算各位置高程，并进行根据步骤2)中的修正参数进行修正。

所述的多波束高程软件是基于以下原理开发的：

两束重合的波长不同的激光从空气中入射到水中，由于色散原理，不同波长的光在水下地形上形成距离在毫米级的两色光斑，两色光斑的距离与入射光波长以及水面到地形的距离有关，当激光频率固定，激光入射角固定时，通过测量两色光斑中心点之间的距离，算出水深，通过水位换算水下地形高程。一种利用多波束激光测量水下地形的装置，包括：存储模块、同步模块、长波激光器、短波激光器、反射镜、长通二向色镜、相机；

所述的长波激光器发出的激光，通过反射镜反射穿过长通二向色镜，与短波激光器发出的激光重合；

所述的短波激光器发出的激光经过长通二向色镜反射与长波激光重合；

重合后的激光照射向被测区域水面；

重合后的激光在经过水面时被散射，在水下地形表面形成两个斑点，一个是长波激光斑点，一个是短波激光斑点；

所述的同步模块对激光器和相机进行同步操作，拍摄地形表面的两个斑点；

所述的存储模块存储拍摄的照片；

所述的反射镜和长通二向色镜根据同步模块的同步信号改变角度，对水下地形表面进行扫描，同时激光器和相机同步操作，拍摄地形表面形成的斑点。

利用多波束高程软件通过光斑点距离计算水下地形高程值。

对被测区域的照片进行矢量化，并将全部拍照短波激光斑点中心或者长波激光斑点中心，或者两激光斑点中心赋以水下地形高程值，得到水下地形图。

本发明的有益效果在于：

1、提供一种基于不同频率光线折射原理的新的测量水下地形的方法和装置，解决了现有激光测距仪只能用于同一种介质的缺陷；

2、本发明提供的方法属于非接触测量，准确高效，解决了现有激光测距仪间接接触的问题；

3、本发明提供的激光测距方法精度高于超声方法；

4、双频激光折射后在模型水深条件下，两光斑距离在毫米级范围，因此其照片光斑位置可以作为该模型点位置被赋予高程。

附图说明

图1本发明一种利用多波束激光测量水下地形的方法原理示意图；

图2本发明一种利用多波束激光测量水下地形的装置结构示意图；

图3为当深度h为10cm时，红外光和纯绿光入射角度i从10°变化到80°过程中，光斑间距的变化。

具体实施方式

实施例1

一种利用多波束激光测量水下地形的装置，包括：存储模块1、同步模块2、长波激光器3、短波激光器4、反射镜5、长通二向色镜6、相机7；

所述的长波激光器3发出一束红外光，波长800nm，通过反射镜5反射，穿过长通二向色镜6，与短波激光器4发出的激光，一束波长为525nm的纯绿光，，通过长通二向色镜6反射重合；

重合后的激光以入射角i＝30°射向被测区域水面，由于不同波长光的折射率不同，所以在水中光的传播角度会有差异。

折射率n与入射角i、折射角r的关系为：

式(1)中λ₁与λ₂为光在不同介质中的波长。

根据文献中提到的在25℃、不含盐的水中，方程可以比较精确的描述出光的波长与折射率的关系，方程具体见式(2)：

n(λ)＝1.31279+15.762λ^-1-4382λ^-2+1.1455×106λ^-3 (2)

式(2)中λ为空气中光的波长，单位为nm，n为λ波长的光在水中的折射率，根据上式可以计算出红外光和绿光在水中的折射率：

800nm红外光在水中折射率n₁＝1.3279；

525nm纯绿光在水中折射率n₂＝1.3348；

根据式(2)可以计算出不同光在水中的折射角r：

800nm红外光在水中折射角r₁＝22.1192°；

525nm纯绿光在水中折射角r₂＝21.9988°

经水面折射后的两光线在水中仍按直线传播，因此其自水面开始相距越来越远，成为两同源点射线；其在地形表面的反射面上会形成两个斑点，一个是长波激光斑点，一个是短波激光斑点；

如图1所示，水深度h与两光斑的距离关系为：

当水深为h＝10cm，则两光斑的距离为0.24464mm；

当水深若h＝20cm，则两光斑的距离为0.48928mm。

所述的同步模块2对长波激光器3、短波激光器4和相机7进行同步操作，拍摄地形表面的两个光斑；

所述的存储模块1存储拍摄的照片；

通过两光斑距离关系计算得到水深h。

所述的反射镜5和长通二向色镜6根据同步模块2的同步信号改变入射角i，对水下地形表面进行扫描，同时激光器和相机7同步操作，拍摄地形表面形成的光斑。

入射角度对两光斑距离的影响见图3。图3显示，当深度h固定为10cm时，入射角度i从10°变化到80°过程中，光斑间距的变化。

水下地形表面按照间距5cm进行纵横扫描，不同的入射角和不同的水深在照片中得到不同到光斑距离。测量照片上的光斑距离，并获取同步控制器的入射角i，计算得到水深h，依据水位，将水深换算为高程，对被测区域的拍照光斑点位置赋以高程值，得到水下地形。

Claims (6)

1.一种利用多波束激光测量水下地形的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

1)测量仪器架设；将多波束激光器以固定距离和角度架设在测量区域上方，保证其激光入射角范围在10°到80°之间，并将照相机固定在能够拍照整个测量区域和激光斑点的位置；

2)测量仪器标定；在模型被测区域设置不同坡度和高差的斜坡，其高差覆盖模型试验结果可能的最高和最低高程范围；模型充水到预定水位，控制多波束激光器对以上设置的斜坡进行扫描，并控制照相机同步照相，获得各个高程上不同波长激光的光斑，利用多波束高程软件计算各光斑中心所在位置的水深，通过模型水位和冻结基面换算模型相应位置的水深并通过已知高程值对测得数值进行修正；

3)模型测量区域准备；动床模型试验完成后，将水位调整到预定水位，控制多波束激光器对整个待测区域进行扫描，并控制照相机同步照相；同步照相的扫描点密度可以根据所要求精度进行调整；

4)地形高程计算；将步骤3)的照相结果利用多波束高程软件计算各位置高程，并进行根据步骤2)中的修正参数进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种利用多波束激光测量水下地形的方法，其特征在于：所述的多波束高程软件是基于以下原理开发的：

两束重合的波长不同的激光从空气中入射到水中，由于色散原理，不同波长的光在水下地形上形成距离在毫米级的两色光斑，两色光斑的距离与入射光波长以及水面到地形的距离有关，当激光频率固定，激光入射角固定时，通过测量两色光斑中心点之间的距离，算出水深，通过水位换算水下地形高程。

3.一种利用多波束激光测量水下地形的装置，其特征在于，包括：存储模块、同步模块、长波激光器、短波激光器、反射镜、长通二向色镜、相机；

所述的长波激光器发出的激光，通过反射镜反射穿过长通二向色镜，与短波激光器发出的激光重合；

所述的短波激光器发出的激光经过长通二向色镜反射与长波激光重合；

重合后的激光照射向被测区域水面；

重合后的激光在经过水面时被散射，在水下地形表面形成两个斑点，一个是长波激光斑点，一个是短波激光斑点。

4.根据权利要求3所述的一种利用多波束激光测量水下地形的装置，其特征在于：

所述的同步模块对激光器和相机进行同步操作，拍摄地形表面的两个斑点；

所述的存储模块存储拍摄的照片；

所述的反射镜和长通二向色镜根据同步模块的同步信号改变角度，对水下地形表面进行扫描，同时激光器和相机同步操作，拍摄地形表面形成的斑点。

5.根据权利要求3所述的一种利用多波束激光测量水下地形的装置，其特征在于：

利用多波束高程软件通过一组双色激光斑点距离计算水下地形高程值；

对被测区域的照片进行矢量化，并将全部拍照短波激光斑点中心位置赋以水下地形高程值，得到水下地形图。

6.根据权利要求5所述的一种利用多波束激光测量水下地形的装置，其特征在于：

对被测区域的照片进行矢量化，并将全部拍照长波激光斑点中心位置赋以水下地形高程值，得到水下地形图。