CN107976686B - 一种多视场角海洋激光雷达及其视场角择优方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多视场角海洋激光雷达及其视场角择优方法。本发明采用工作在蓝绿光波段的多视场角海洋激光雷达，建立参数灵敏度评价方法，择优选取多视场角激光雷达系统的视场角，在水体等强散射体的多次散射效应下，仍能够高精度地遥测水体参数的垂直分布特性。克服了传统的单视场角激光雷达在海洋水体的多次散射效应下模型失配的不足，通过建立参数灵敏度评价方法，对多视场角激光雷达系统的视场角选取进行择优，可获得最佳的水体参数反演精度。

Description

一种多视场角海洋激光雷达及其视场角择优方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，特别是涉及一种多视场角海洋激光雷达及其视场角择优方法。

背景技术

海洋覆盖了地球表面71％的面积，但人类已探索的海洋仅占海洋面积的5％。海洋提供了丰富的生物、矿产、空间资源和海洋能源，同时在全球气候调节、地球生物化学循环等方面发挥着重要作用；作为海洋食物链的起点，包括藻类等浮游植物在内的海洋植物主要生活在海水表层，通过光合作用产生供所有陆地生物呼吸的一半氧气，同时海洋吸收了陆地二氧化碳排放总量的四分之一。随着经济的日益发展，陆源污染物排放、局部海域富营养化、过度捕捞等海洋环境问题日益突出；全球气候变暖等气候问题亦会造成海平面上升、海洋生态系统失衡等后果。因此，亟需发展高效的、多样化的海洋探测手段，帮助人类更好地认识海洋、开发海洋，同时保护海洋环境。

原位测量是目前最主要的探测方式之一，通过衰减计、散射计等设备直接接触探测水体，具有较高的探测精度，但探测效率较低。被动遥感技术能够提供全球尺度上的水色观测，但却受限于探测深度和光照条件。声学探测具有较高的探测深度和探测精度，但受限于水气界面的高反射率，无法工作于飞机、卫星等平台。海洋激光雷达是一种主动式光学遥感设备，向海面发射的激光能够穿透海气界面，获得上层水体参数的垂直分布特性，具有高时空分辨率、全天时工作、可覆盖全球的优点。海洋激光雷达是一种探测海洋上层水体十分有效的手段，可应用于全球海洋初级生产力估算、浅海测深与水下地貌绘制、潜艇/鱼雷等军事目标探测、海底底质分类等领域。

海洋激光雷达通过向海面发射的激光并接收海水的后向散射信号，可从回波信号中提取出海洋的水体参数信息。激光在水中传输时具有较强的多次散射效应，造成了激光光束在时间、空间上的扩展，增加了回波信号的复杂性，传统激光雷达采用的单次散射模型难以精确地反映实际情况，不再适用于高精度的海洋激光雷达反演过程。已有的理论研究表明，较小的海洋激光雷达接收光路视场角有利于反演获得光束衰减系数c，较大的海洋激光雷达接收光路视场角有利于反演漫衰减系数K_d，通过可变视场角激光雷达可研究多次散射贡献量。本发明提出了可校正多次散射效应的多视场角激光雷达，并通过建立参数灵敏度评价方法，择优选取视场角数量和大小，对于提高海洋水体参数的遥测精度至关重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种多视场角海洋激光雷达及其视场角择优方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种多视场角海洋激光雷达，包括激光发射系统、多视场信号接收系统、数据采集与处理系统；激光发射系统中发射光路的光轴与多视场信号接收系统中接收光路的光轴相互平行且相邻，数据采集与处理系统置于后方并通过同轴电缆线与多视场信号接收系统相连；激光发射系统用于生成准直激光束，多视场信号接收系统用于接收不同视场角范围内的激光雷达回波信号并将其转换为电信号，数据采集与处理系统用于对多视场信号接收系统中生成的电信号进行数据采集与处理；

激光发射系统包括脉冲激光器和扩束镜；脉冲激光器和扩束镜与水平面垂直设置，脉冲激光器的光发射口与扩束镜的入光口相对设置，扩束镜的出光口与水平面平行设置；

多视场信号接收系统包括三个结构相同的具有不同视场角的信号接收通道；小视场信号接收通道包括小视场望远镜、第一光阑、第一窄带滤光片、第一会聚透镜、第一光电探测器；中视场信号接收通道包括中视场望远镜、第二光阑、第二窄带滤光片、第二会聚透镜、第二光电探测器；大视场信号接收通道包括大视场望远镜、第三光阑、第三窄带滤光片、第三会聚透镜、第三光电探测器；小视场信号接收通道、中视场信号接收通道、大视场信号接收通道垂直于水平面与脉冲激光器、扩束镜平行设置；各信号接收通道中的望远镜入光口与水平面平行设置，望远镜出光口与光阑中心相对设置；光阑上方设置有窄带滤光片，窄带滤光片上方设置有会聚透镜，会聚透镜上方设置有光电探测器；

数据采集与处理系统包括高速数据采集卡和计算机；高速数据采集卡与多视场信号接收系统中的三个光电探测器通过同轴电缆线连接，高速数据采集卡与计算机通过电连接。

一种多视场角海洋激光雷达的视场角择优方法，具体包括如下：

该视场角择优方法根据拟反演的水体光学参数确定多视场角海洋激光雷达系统的视场角的数量和大小；进入海水中的激光，一部分被吸收，改变光的传输能量，另一部分被散射，改变光的传播方向，吸收系数a和散射系数b描述了上述海水对激光的吸收与散射效应，而前向散射展宽系数m描述了在海水多次散射效应下光场重新分布的特征，以上三个参数代表了最为重要的水体光学参数；通过建立激光雷达回波方程，并在拟定的水体分层方法下，分析这三个参数的灵敏度特征，基于经验值与灵敏度特性分析，分别确定反演各个参数最佳的视场角；最终确定接收激光雷达回波信号采用信号接收通道方案。

所述的视场角的数量和大小具体通过如下步骤获取：

步骤1.设接收光路视场角为γ_r时，深度为z处的水体产生的激光雷达回波信号可表示为式(1)：

其中，C₀为系统常数，n为折射率、H为激光雷达系统距水面的高度，τ(z)为单次散射条件下的光学厚度，

为探测器有效区域的傅里叶变换，v为空间频率，ξ代表水深的积分变量，P(z,p)为前向散射相函数的Hankel变换，采用俄罗斯科学家Dolin提出的散射相函数模型，即为式(2)：

其中，m为前向散射展宽系数，p为散射角的角频率；

步骤2.将水体以Δz_i的厚度分成N层，其中i＝1,2…N；每层水体内部的参数均匀分布，即吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m在每层水体内为定值a_i、b_i、m_i；假设水体具有等厚分层的特征，则第i层水体的厚度可表示为式(3)：

其中，Δz为等厚分层水体的层厚，z_N＝z表示深度为z处的水体；则步骤1所述的激光雷达回波信号方程可简化为式(4)：

其中，B(v)是与前向散射展宽系数m_i有关的项，可表示为式(5)：

其中z₀＝0表示水面位置，z_i-1和z_i分别表示第i层水体的起始深度和终止深度，arsinh是反双曲正弦函数；

步骤3.定义由深度为z处的单位水体产生的激光雷达回波信号恢复出第i层水体参数的灵敏度为

水体参数X包括吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m，则有吸收系数灵敏度

为式(6)：

散射系数灵敏度

为式(7)：

前向散射展宽系数灵敏度

为式(8)：

步骤4.将激光雷达回波信号方程式(4)代入式(6)、(7)、(8)并化简可得到式(9)：

其中：

由式(9-a)可知，吸收系数灵敏度

仅与吸收系数a、水体层次厚度Δz_i呈简单的线性关系，与视场角大小无关；不同的水体参数对视场角变化具有不同的响应特性；

步骤5.通过设置三个具有不同视场角的接收通道，获得吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m三个水体参数的最佳反演。

所述的三个具有不同视场角的接收通道，其大小分别是200mrad、14mrad和10mrad。

脉冲激光器工作在蓝绿光波段，脉冲宽度不大于10ns，单脉冲能量不小于5mJ。扩束镜采用抗强激光扩束镜。窄带滤光片采用带宽不大于10nm的窄带滤光片。高速数据采集卡采样率不低于400MSPS，量化位数不低于12位。

本发明有益效果如下：

本发明采用工作在蓝绿光波段的多视场角海洋激光雷达，建立参数灵敏度评价方法，择优选取多视场角激光雷达系统的视场角，在水体等强散射体的多次散射效应下，仍能够高精度地遥测水体参数的垂直分布特性。克服了传统的单视场角激光雷达在海洋水体的多次散射效应下模型失配的不足，通过建立参数灵敏度评价方法，对多视场角激光雷达系统的视场角选取进行择优，可获得最佳的水体参数反演精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构模块图；

图2为本发明实施例中多视场角海洋激光雷达结构示意图；

图3为本发明视场角择优方法流程图；

图4本发明实施例中水体分层示意图；

图5本发明实施例中散射系数和前向散射展宽系数的灵敏度情况。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种多视场角海洋激光雷达，包括激光发射系统1、多视场信号接收系统2、数据采集与处理系统3。激光发射系统1中发射光路的光轴与多视场信号接收系统2中接收光路的光轴相互平行且相邻，数据采集与处理系统3置于后方并通过同轴电缆线与多视场信号接收系统2相连。激光发射系统1用于生成准直激光束，多视场信号接收系统2用于接收不同视场角范围内的激光雷达回波信号并将其转换为电信号，数据采集与处理系统3用于对多视场信号接收系统2中生成的电信号进行数据采集与处理。

激光发射系统1包括脉冲激光器1-1和扩束镜1-2；脉冲激光器1-1和扩束镜1-2与水平面垂直设置，脉冲激光器1-1的光发射口与扩束镜1-2的入光口相对设置，扩束镜1-2的出光口与水平面平行设置。

多视场信号接收系统2包括三个结构相同的具有不同视场角的信号接收通道；小视场信号接收通道2-1包括小视场望远镜2-1-1、第一光阑2-1-2、第一窄带滤光片2-1-3、第一会聚透镜2-1-4、第一光电探测器2-1-5；中视场信号接收通道2-2包括中视场望远镜2-2-1、第二光阑2-2-1、第二窄带滤光片2-2-3、第二会聚透镜2-2-4、第二光电探测器2-2-5；大视场信号接收通道2-3包括大视场望远镜2-3-1、第三光阑2-3-2、第三窄带滤光片2-3-3、第三会聚透镜2-3-4、第三光电探测器2-3-5；小视场信号接收通道2-1、中视场信号接收通道2-2、大视场信号接收通道2-3垂直于水平面与脉冲激光器1-1、扩束镜1-2平行设置。各信号接收通道中的望远镜入光口与水平面平行设置，望远镜出光口与光阑中心相对设置；光阑上方设置有窄带滤光片，窄带滤光片上方设置有会聚透镜，会聚透镜上方设置有光电探测器。

数据采集与处理系统3包括高速数据采集卡3-1和计算机3-2。高速数据采集卡3-1与多视场信号接收系统2中的三个光电探测器通过同轴电缆线连接，高速数据采集卡3-1与计算机3-2通过电连接。

基于上述多视场角海洋激光雷达，该多视场角海洋激光雷达的视场角择优方法，具体如下：

视场角择优方法根据拟反演的水体光学参数确定多视场角海洋激光雷达系统的视场角的数量和大小；如图3所示，进入海水中的激光，一部分被吸收，改变光的传输能量，另一部分被散射，改变光的传播方向，吸收系数a和散射系数b描述了上述海水对激光的吸收与散射效应，而前向散射展宽系数m描述了在海水多次散射效应下光场重新分布的特征，以上三个参数代表了最为重要的水体光学参数；通过建立激光雷达回波方程，并在拟定的水体分层方法下，分析这三个参数的灵敏度特征，基于经验值与灵敏度特性分析，分别确定反演各个参数最佳的视场角；最终确定接收激光雷达回波信号采用信号接收通道方案。通过以下具体步骤得到视场角的数量和大小：

步骤1.设接收光路视场角为γ_r时，深度为z处的水体产生的激光雷达回波信号可表示为式(1)：

其中，C₀为系统常数，n为折射率、H为激光雷达系统距水面的高度，τ(z)为单次散射条件下的光学厚度，

为探测器有效区域的傅里叶变换，v为空间频率，ξ代表水深的积分变量，P(z,p)为前向散射相函数的Hankel变换，采用俄罗斯科学家Dolin提出的散射相函数模型，即为式(2)：

其中，m为前向散射展宽系数，p为散射角的角频率。

步骤2.如图4所示，将水体以Δz_i的厚度分成N层，其中i＝1,2…N；每层水体内部的参数均匀分布，即吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m在每层水体内为定值a_i、b_i、m_i；假设水体具有等厚分层的特征，则第i层水体的厚度可表示为式(3)：

其中，Δz为等厚分层水体的层厚，z_N＝z表示深度为z处的水体；则步骤1所述的激光雷达回波信号方程可简化为式(4)：

其中，B(v)是与前向散射展宽系数m_i有关的项，可表示为式(5)：

其中z₀＝0表示水面位置，z_i-1和z_i分别表示第i层水体的起始深度和终止深度，arsinh是反双曲正弦函数；

步骤3.定义由深度为z处的单位水体产生的激光雷达回波信号恢复出第i层水体参数的灵敏度为

实施例选取的水体参数X包括吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m，则有吸收系数灵敏度

为式(6)：

散射系数灵敏度

为式(7)：

前向散射展宽系数灵敏度

为式(8)：

步骤4.将激光雷达回波信号方程式(4)代入式(6)、(7)、(8)并化简可得到式(9)：

其中：

由式(9-a)可知，吸收系数灵敏度

仅与吸收系数a、水体层次厚度Δz_i呈简单的线性关系，与视场角大小无关；根据式(9-b)、(9-c)，在由水深z＝6m处的信号反演层次厚度Δz_i＝2m的第3层次的条件下进行仿真，得到图5，分别表明了散射系数灵敏度

和前向散射展宽系数灵敏度

与视场角大小的关系；由图5(a)、图5(b)可知，散射系数灵敏度

前向散射展宽系数灵敏度

呈现出小视场条件下变化缓慢、大视场条件下快速下降的特性，前者在10mrad处出现快速下降转折点，后者在14mrad处出现了快速下降转折点。可见，不同的水体参数对视场角变化具有不同的响应特性。

步骤5.吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m三个水体参数是影响激光在水中传输特性的主要因素，对于建立激光雷达模型至关重要，但这三个参数无法由单一视场角的激光雷达回波信号同时实现准确反演；引入多视场角激光雷达系统，在不同视场角得到不同参数的最佳反演；根据步骤4中所述参数灵敏度的特征，将大视场信号接收通道的视场角设置为200mrad，此时散射系数灵敏度

前向散射展宽系数灵敏度

均处于5‰量级，对激光雷达回波信号影响较小，同时吸收系数灵敏度

为定值，在该视场角下可进行吸收系数a的最佳反演；根据图5(a)、图5(b)中信号的转折点，同时兼顾激光雷达回波信号的信噪比，将中视场信号接收通道、小视场信号接收通道的视场角分别设置为14mrad、10mrad，并将上述已反演得到的吸收系数a代入，即可分别得到前向散射展宽系数m、散射系数b的最佳反演。

由以上步骤可知，为获得吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m三个水体参数的最佳反演，应设置三个具有不同视场角的接收通道，其大小分别是200mrad、14mrad和10mrad。

脉冲激光器工作在蓝绿光波段，脉冲宽度不大于10ns，单脉冲能量不小于5mJ。本实施例中脉冲激光器1-1采用脉宽宽度不大于3ns的超窄脉宽脉冲激光器，例如奥地利Montfort Laser公司的半导体泵浦固体激光器，中心波长为531.7nm，脉冲宽度3ns，单脉冲能量10mJ，重复频率10Hz；

扩束镜1-2采用抗强激光扩束镜，例如美国Thorlabs公司的BE03-532型号扩束镜，3倍扩束；

望远镜、光阑、会聚透镜根据所需的视场角大小分别确定，选配合适的参数以实现不同视场角下的最优设计；

窄带滤光片采用带宽不大于10nm的窄带滤光片，例如武汉优光公司生产的带通滤光片，带宽小于10nm，透过率大于70％；

光电探测器必须有高响应速度和高灵敏度，例如日本滨松公司的H10721-110型号光电倍增管，上升时间0.5ns；

高速数据采集卡3-1采样率不低于400MSPS，量化位数不低于12位，例如德国Spectrum公司的M4i-4451型号数据采集卡。

本发明的工作过程如下：

脉冲激光器发射的窄脉宽激光束经扩束镜后得到准直激光束，发散角减小，进入到被探测水体中；窄脉宽激光束在水体中传输时受到水分子、颗粒物等强散射介质的多次散射，多次散射信号中的后向散射部分形成了激光雷达回波信号。信号接收系统接收上述激光雷达回波信号；三路具有不同大小视场角的接收望远镜收集所设视场角范围内的激光雷达回波信号；通过调节三个光阑实现所需的视场角，其大小与分布由视场角择优方法确定；三个窄带滤光片用于滤除回波信号中混杂的以太阳光为主的背景辐射；三个会聚透镜将光信号会聚于后方三个光电探测器的接受面上；三个光电探测器分别将三路通道的光信号转换为电信号，并由高速数据采集卡数字化后传输至计算机；计算机将采集到的激光雷达回波信号作进一步的反演处理，从而得到被探测水体的参数。

Claims (7)

1.一种多视场角海洋激光雷达，其特征在于包括激光发射系统(1)、多视场信号接收系统(2)、数据采集与处理系统(3)；激光发射系统(1)中发射光路的光轴与多视场信号接收系统(2)中接收光路的光轴相互平行且相邻，数据采集与处理系统(3)置于后方并通过同轴电缆线与多视场信号接收系统(2)相连；激光发射系统(1)用于生成准直激光束，多视场信号接收系统(2)用于接收不同视场角范围内的激光雷达回波信号并将其转换为电信号，数据采集与处理系统(3)用于对多视场信号接收系统(2)中生成的电信号进行数据采集与处理；

激光发射系统(1)包括脉冲激光器(1-1)和扩束镜(1-2)；脉冲激光器(1-1)和扩束镜(1-2)与水平面垂直设置，脉冲激光器(1-1)的光发射口与扩束镜(1-2)的入光口相对设置，扩束镜(1-2)的出光口与水平面平行设置；

多视场信号接收系统(2)包括三个结构相同的具有不同视场角的信号接收通道；小视场信号接收通道(2-1)包括小视场望远镜(2-1-1)、第一光阑(2-1-2)、第一窄带滤光片(2-1-3)、第一会聚透镜(2-1-4)、第一光电探测器(2-1-5)；中视场信号接收通道(2-2)包括中视场望远镜(2-2-1)、第二光阑(2-2-1)、第二窄带滤光片(2-2-3)、第二会聚透镜(2-2-4)、第二光电探测器(2-2-5)；大视场信号接收通道(2-3)包括大视场望远镜(2-3-1)、第三光阑(2-3-2)、第三窄带滤光片(2-3-3)、第三会聚透镜(2-3-4)、第三光电探测器(2-3-5)；小视场信号接收通道(2-1)、中视场信号接收通道(2-2)、大视场信号接收通道(2-3)垂直于水平面与脉冲激光器(1-1)、扩束镜(1-2)平行设置；各信号接收通道中的望远镜入光口与水平面平行设置，望远镜出光口与光阑中心相对设置；光阑上方设置有窄带滤光片，窄带滤光片上方设置有会聚透镜，会聚透镜上方设置有光电探测器；

数据采集与处理系统(3)包括高速数据采集卡(3-1)和计算机(3-2)；高速数据采集卡(3-1)与多视场信号接收系统(2)中的三个光电探测器通过同轴电缆线连接，高速数据采集卡(3-1)与计算机(3-2)通过电连接。

2.根据权利要求1所述的多视场角海洋激光雷达，其特征在于脉冲激光器工作在蓝绿光波段，脉冲宽度不大于10ns，单脉冲能量不小于5mJ。

3.根据权利要求1所述的多视场角海洋激光雷达，其特征在于扩束镜(1-2)采用抗强激光扩束镜。

4.根据权利要求1所述的多视场角海洋激光雷达，其特征在于窄带滤光片采用带宽不大于10nm的窄带滤光片。

5.根据权利要求1所述的多视场角海洋激光雷达，其特征在于高速数据采集卡(3-1)采样率不低于400MSPS，量化位数不低于12位。

6.根据权利要求1所述的多视场角海洋激光雷达的视场角择优方法，其特征在于具体包括如下：

该视场角择优方法根据拟反演的水体光学参数确定多视场角激光雷达系统的视场角的数量和大小；进入海水中的激光，一部分被吸收，改变光的传输能量，另一部分被散射，改变光的传播方向，吸收系数a和散射系数b描述了上述海水对激光的吸收与散射效应，而前向散射展宽系数m描述了在海水多次散射效应下光场重新分布的特征，以上三个参数代表了最为重要的水体光学参数；通过建立激光雷达回波方程，并在拟定的水体分层方法下，分析这三个参数的灵敏度特征，基于经验值与灵敏度特性分析，分别确定反演各个参数最佳的视场角；最终确定接收激光雷达回波信号采用信号接收通道方案；

所述的视场角的数量和大小具体通过如下步骤获取：

步骤1.设接收光路视场角为γ_r时，深度为z处的水体产生的激光雷达回波信号可表示为式(1)：

其中，C₀为系统常数，n为折射率、H为激光雷达系统距水面的高度，τ(z)为单次散射条件下的光学厚度，

为探测器有效区域的傅里叶变换，v为空间频率，ξ代表水深的积分变量，P(z,p)为前向散射相函数的Hankel变换，采用俄罗斯科学家Dolin提出的散射相函数模型，即为式(2)：

其中，m为前向散射展宽系数，p为散射角的角频率；

步骤2.将水体以Δz_i的厚度分成N层，其中i＝1,2…N；每层水体内部的参数均匀分布，即吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m在每层水体内为定值a_i、b_i、m_i；假设水体具有等厚分层的特征，则第i层水体的厚度可表示为式(3)：

其中，Δz为等厚分层水体的层厚，z_N＝z表示深度为z处的水体；则步骤1所述的激光雷达回波信号方程可简化为式(4)：

其中，B(v)是与前向散射展宽系数m_i有关的项，可表示为式(5)：

其中z₀＝0表示水面位置，z_i-1和z_i分别表示第i层水体的起始深度和终止深度，arsinh()是反双曲正弦函数；

步骤3.定义由深度为z处的单位水体产生的激光雷达回波信号恢复出第i层水体参数的灵敏度为

选取的水体参数X包括吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m，则有吸收系数灵敏度

为式(6)：

散射系数灵敏度

为式(7)：

前向散射展宽系数灵敏度

为式(8)：

步骤4.将激光雷达回波信号方程式(4)代入式(6)、(7)、(8)并化简可得到式(9)：

其中：

由式(9-a)可知，吸收系数灵敏度

仅与吸收系数a、水体层次厚度Δz_i呈简单的线性关系，与视场角大小无关；不同的水体参数对视场角变化具有不同的响应特性；

步骤5.通过设置三个具有不同视场角的接收通道，获得吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m三个水体参数的最佳反演。

7.根据权利要求6所述的多视场角海洋激光雷达的视场角择优方法，其特征在于所述的三个具有不同视场角的接收通道，其大小分别是200mrad、14mrad和10mrad。

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