CN110376572A - 一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机载激光雷达水下探测深度的模拟方法和装置，对机载激光雷达的水下探测深度的预期回报进行建模，并对其进行预测。1、机载激光雷达水下探测深度模拟装置包括发射模块、传播处理模块、接收评估模块；2、不同模块中包括输入参数设计、内置处理设计、统计处理设计、评估输出设计；3、发射模块包括光学扫描仪的指向矢量参数的输入、激光雷达系统的规格参数以及环境参数的输入；传播处理模块中包括大气、海面波浪、水体散射的影响处理设计；接收评估模块包括结果评估、输出设计。本发明操作简单，可预先获取需输入参数进行评估，预先获取雷达系统的水下探测能力范围，节省成本并且为雷达系统参数的设计提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达水下探测领域，特别是涉及一种模拟方法和装置用以预测机载激光雷达系统的水下探测深度。
技术背景
近年来，机载激光雷达(Airborne Lidar,AL)已经逐渐发展成为一种主要的主动式水下探测技术，通过发射能够穿透水体的蓝绿波段激光进行水下探测。机载激光雷达水下探测技术，能够快速精准的获取近岸水深和水下地形，特别是对于浅海、岛礁等船只无法达到的区域，具有显著优势。其具有高精度、高分辨率、灵活机动、快速高效的特点，因此机载激光雷达的水下探测深度是一个十分重要的系统参数。但目前尚没有对该参数在全方位考虑下的评估。
对于机载激光雷达水下探测技术来说，由于不同天气的大气参数差异、不同气候的海面波浪差异、不同海域水体水质和海底底质差异，均可导致激光在传输时产生不同程度的衰减，因此机载激光雷达对不同海域的可探测深度存在未知性。本发明设计的模拟方法和装置目标是模拟整个飞行过程，快速量化各种系统特性和环境条件下的影响。因此，模拟装置内部设计的重点是研究和实现有效的算法，而不是严密的计算型算法。
发明内容
本发明提出了一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置，具体的，包括发射模块、传播处理模块、接收评估模块；不同模块中包括输入参数设计、内置处理设计、统计处理设计、评估输出设计；发射模块包括光学扫描仪的指向矢量参数的获取、激光雷达系统的规格参数的输入；传播处理模块中包括大气、海面波浪、水体散射的影响处理设计；接收评估模块包括结果评估、输出设计。
进一步的，所述发射模块中光学扫描仪的指向矢量内置参数包括扫描角、航向角、俯仰角、侧滚角等。激光雷达系统的规格应输入参数的包括飞机飞行高度、激光发射功率、绿色激光的峰值功率、太阳光背景噪声功率等。
进一步的，所述传播处理模块中包括大气、海面波浪、水体散射的影响处理设计，以及统计处理设计，包括应输入的环境参数包括漫衰减系数、大气衰减系数、折射率、以及由库尔特计数器测量的待测海域的粒子大小分布等。
进一步的，所述大气产生的能量衰减利用内置可选参数或者外部输入的大气消光系数带入Beer-Lambert定律用以表示不同天气下激光在大气中的衰减。
进一步的，所述海面波浪的能量衰减作为内置设计，利用推导的海洋表面的平均后向散射能量计算方法表示海洋表面的平均后向散射能量的损失。
进一步的，水体散射的影响处理设计，包括利用改进的水下探测深度公式的和散射分类算法共同处理下表示水体的散射能量的损失。
进一步的，所述统计处理设计包括对得到数据的统计筛选、误差处理等。
进一步的，所述接收评估模块包括结果评估、输出设计，包括对统计处理后的数据进行评估，最后输出机载激光雷达水下探测深度范围值。
本发明的有益效果在于：模拟系统的设计避免了硬编码，允许用户输入系统参数和环境条件。本模拟系统既能够准确的评估机载激光雷达水下探测深度，在未来又能根据某水质环境差的海域的不可探测性，反过来帮助的系统和任务设计，这样也会大大节省由未知区域的不可探测性而带来的成本浪费。
附图说明
图1是本发明实施例模拟方法和装置流程图。
图2是本发明实施例水下散射处理流程图。
图3是本发明实施例透射率模拟散点示意图。
图4是本发明实施例水下探测深度随透射率变化结果图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。具体实施中，我们选取国内某海域4月份、6月份、10月份时的正午进行评估。6月份时的海域是水质最优的月份，而正午则海面有大量的后向散射和海风。漫衰减系数是利用卫星影像数据反演得到4月份、6月份、10月份的平均值。激光雷达系统规格各项系统参数采用的是Optech公司旗下的CZMIL系统的参数。
本发明技术方案可采用计算机编程自动运行的方式进行。
本发明提出了一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置，具体的如图1所示，包括发射模块、传播处理模块、接收评估模块；不同模块中包括输入参数设计、内置处理设计、统计处理设计、评估输出设计；发射模块包括光学扫描仪的指向矢量参数的获取、激光雷达系统的规格参数的输入；传播处理模块中包括大气、海面波浪、水体散射的影响处理设计；接收评估模块包括结果评估、输出设计。
具体的工作流程为：
步骤1：输入外部参数和设置参数
实施例中，所有参数的输入和设置应是同时的。
步骤2：计算大气的能量损失
实施例中，由输入或设置的大气消光系数，通过Beer-Lambert定律计算出大气部分的能量损失。大气消光系数是由辐射传输方程反演得出。
步骤3：内置海面能量损失的计算
实施例中，利用推导的海洋表面的平均后向散射能量计算方法，确定海面波的后向散射导致能量衰减。
步骤4：求出水上环境相互作用的结果
实施例中，通过计算大气和海面的能量的损失，得出水上环境相互作用的结果并将其带入水下处理部分。
步骤5：内置改进的机载激光雷达水下探测深度公式算法
传统的机载激光雷达系统的水下探测深度公式为：
Lmax为系统的最大测量深度，β为系统的有效衰减系数，PA为系统的有效接收功率，PB为背景噪声功率，PT为绿色激光的峰值功率或叫最大发射功率，ρ表示底部反射率，Ar为激光接收器的有效接收面积，n为接收系统的效率，H为飞机飞行时距离海面的高度。
利用光束衰减系数c，漫衰减系数Kd和系统有效衰减系数β间的关系：
以及机载激光测深雷达测深深度公式中的有效接收功率和绿色激光的峰值功率的比值PA/PT同透射率的值相同，散射光强和入射光强比值I/I0也同透射率的值相同的特点，即：
即得出改进后的水下探测能力公式：
改进后的水下探测能力公式，是依据透射率T来反映底质反射率变化和漫衰减系数Kd来反映水体浑浊度差异的两个变量影响下的公式。
步骤6：按粒子粒径的大小判别粒子的散射方式，计算透射率的值。
实施例中，如图2所示，对水体散射的影响进行处理流程。通过散射区分因子q对输入的粒子的散射方式进行分类。q＝2πR/λ，R为粒子的半径，λ为入水激光的波长。当q值小于0.1时，适用于瑞利散射的情况。利用瑞利散射的光强公式求解透射率，单个球形粒子的散射光强为：
即此情形的透射率计算用如下：
式中散射粒子的光学折射率为n，半径为R，散射粒子与观测点的距离为l(l远远大于粒子半径)，入射光为线偏振光且波长为λ，入射光强为I0，散射角为θ，
r1是[0，1]之间均匀分布的随机数，g为非对称因子。散射方位角为φ：
Φ＝2πr2 (8)
当q值大于0.1时，适用于米氏散射。其悬浮粒子的散射光强为：
其中，i1为散射光的垂直分量，i2为平行分量，即：
即此情形的透射率计算用如下公式：
最后由于每一个粒子对光的散射作用单独计算，因此所得透射率的权重均为1，因此只需将其求得的单个粒子的透射率的值累加，即得海域的透射率值。
步骤7：内置统计处理透射率的模拟结果
本实施例中，模拟装置外部输入模拟次数后，对透射率的统计结果进行处理，散点图如图3所示，利用模拟装置自带的粗差剔除程序，剔除粗差，利用插值法将最后模拟得到最符合的透射率的值的散点图进行拟合，并最后得出透射率值的范围。
此处含有一个阈值门的设计，以模拟单束光的能量在小于被传感器感知到的最小值时，亦将舍弃。
步骤8：模拟系统水下探测深度结果估计与输出
本实施例中，机载激光雷达水下探测深度结果估计利用上述得到的透射率的范围值和外部输入由卫星反演得到的漫衰减系数的值Kd。根据改进后的水下探测深度公式对机载激光雷达水下探测深度评估。如图4所示，进而得出该海域4月份、6月份、10月份不同气候条件下的机载激光雷达水下探测深度随透射率变化的结果图。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置，其特征在于，包括发射模块、传播处理模块、接收评估模块；不同模块中包括输入参数设计、内置处理设计、统计处理设计、评估输出设计；发射模块包括光学扫描仪的指向矢量参数的获取及输入、激光雷达系统的规格参数的输入；传播处理模块中包括大气、海面波浪、水体散射的影响处理设计；接收评估模块包括结果评估、输出设计。
2.根据权利要求1所述的一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置，其特征在于，所述发射模块中光学扫描仪的指向矢量内置参数包括扫描角、航向角、俯仰角、侧滚角等；激光雷达系统的规格应输入参数的包括飞机飞行高度、激光发射功率、绿色激光的峰值功率、太阳光背景噪声功率等。
3.根据权利要求1所述的一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置，其特征在于，所述传播处理模块中包括大气、海面波浪、水体散射的影响处理设计，以及统计处理设计，应输入的环境参数包括漫衰减系数、大气衰减系数、折射率、以及由库尔特计数器测量的待测海域的粒子大小分布等。
4.根据权利要求3所述的一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置，其特征在于，所述大气产生的能量衰减利用内置可选参数或者外部输入的大气消光系数带入Beer-Lambert定律用以表示不同天气下激光在大气中的衰减。
5.根据权利要求3所述的一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置，其特征在于，所述海面波浪的能量衰减作为内置设计，利用推导的海洋表面的平均后向散射能量计算方法表示海洋表面的平均后向散射能量的损失。
6.根据权利要求3所述的一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置，其特征在于，水体散射的影响处理设计，包括利用改进的水下探测能力公式的和散射分类算法共同处理下表示水体的散射能量的损失。
7.根据权利要求3和6所述的一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置，其特征在于，所述统计处理设计包括对得到数据的统计筛选、误差剔除等。
8.根据权利要求1和7所述的一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置，其特征在于，所述接收评估模块包括结果评估、输出设计，包括对统计处理后的数据进行评估，最后输出机载激光雷达水下探测能力范围值。
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