CN110865389B - 一种海洋激光雷达系统响应优化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋激光雷达系统响应优化处理方法，首先，优化了海洋激光雷达系统响应的器件选择和计算方法：提出了一种系统响应近似模型，可快速获取激光雷达系统响应脉宽；提出了激光器、探测器和采集卡三个器件之间的匹配选型方法，可发挥不同器件的最佳性能；其次，对因海洋激光雷达系统响应导致的误差进行了抑制处理：通过选择适合不同水体的系统响应脉宽，以减小因水面反射和系统展宽导致的水面失真区；通过修正方程对系统响应导致的浮游植物层的测量误差进行修正。本发明通过优化处理海洋激光雷达系统响应，能够便利于研制海洋激光雷达时的器件选取，降低系统响应对水体光学特性反演的影响。

Description

一种海洋激光雷达系统响应优化处理方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其是涉及一种海洋激光雷达系统响应优化处理方法。

背景技术

海洋占据了地球表面71％的面积，而人类目前已探索的海洋面积仅占总面积的5％。海洋生态系统是海洋中由许多生物群落及其环境构成的复杂集合，其中，浮游植物构成大多数海洋生态系统的基础，他们的净光合作用固碳量约等于所有陆生植物固碳量的总和。食物链最基础的生产力驱动着大气-海洋的二氧化碳交换和深海的燃料碳固定，因此，浮游植物生产力在地球的海气耦合系统中发挥了重要作用。而且，全球海洋浮游植物的存量每周都在消耗和再生长，这种快速的转换支撑了海洋浮游植物网以及渔业资源和全球食物供应。然而，随着科技的日益发展，经济的发展需求愈演愈烈，工业地区排放污染物、局部海域富营养化等都会对海洋环境造成恶劣的影响；二氧化碳排放、全球变暖等气候问题也会造成海平面上升、海洋生态系统失衡等后果。因此，发展高效的、多样化的海洋探测方法迫在眉睫，用以帮助人类更好地认识海洋、开发海洋，同时更好地保护海洋环境。

海水光学参数的测量对研究全球气候变化和物质循环具有重要的意义，能有效用于遥感探测海洋内部特性的仪器具有巨大的优势。海洋激光雷达作为一种主动式光学遥感设备，可用于探测水体的光学特性，能够对上层海洋垂直分布结构进行遥感测量，具备高时空分辨率、昼夜连续观测、全球尺度测量等优势。目前，海洋激光雷达已能够成功应用于生物探测、浮游植物层分布研究、浅海地形测绘、海洋内波探测等相关研究。

公开号为CN105486664A的中国专利文献，公开了一种探测海洋浮游植物生物量和颗粒有机碳的装置及方法，基于高光谱分辨率激光雷达，结合海洋浮游植物生物量和POC反演算法，利用激光雷达方程中散射角为π时的粒子体积散射方程和有效衰减系数同步反演浮游植物生物量和POC。

公开号为CN107976686A的中国专利文献公开了一种多视场角海洋激光雷达及其视场角择优方法，其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。

海洋激光雷达信号可以通过激光雷达方程来描述，因此，从信号中反演有效的信息通常也是基于激光雷达方程，如扰动法、Fernald法和斜率法。然而，实际接收到的激光雷达回波信号由包含目标特性的激光雷达方程以及激光雷达系统时间系统响应卷积组成，激光器、探测器和采集卡是影响系统响应的主要器件。系统响应会导致原始激光雷达方程发生变化，降低反演精度。

发明内容

本发明提供了一种海洋激光雷达系统响应优化处理方法，可以提高海洋激光雷达反演精度，降低系统响应的影响，精确得到近水面和浮游植物层中的信息。

本发明的技术方案如下：

一种海洋激光雷达系统响应优化处理方法，其中，海洋激光雷达系统包括激光发射系统、接收系统、数据采集及处理系统，数据发射系统包括激光器和扩束镜，接收系统包括望远镜、光阑、窄带滤光片、会聚透镜和探测器，数据采集及处理系统包括采集卡和计算机，具体的优化处理方法包括：

(1)根据激光器、探测器和采集卡对系统响应的贡献，建立快速获取系统响应脉宽的近似模型，所述的近似模型采用高斯模型，表达式为：

其中，T′_T为近似的系统响应脉宽，T_L为激光器脉宽，T_D为探测器脉宽；

(2)根据近似模型计算得到近似的系统响应脉宽，并根据近似的系统响应脉宽估算所需的采集卡采样率SR；

(3)采集卡根据得到的采样率SR进行采样，系统通过计算得到实测浮游植物层厚度Thk；

(4)通过修正方程对系统响应导致的实测浮游植物层厚度的误差进行修正，最后得到修正后的浮游植物层厚度。

本发明基于工作在蓝绿光波段的海洋激光雷达，通过采用海洋激光雷达系统响应优化处理方法，可精确得到近水面和浮游植物层中的信息。

步骤(1)中，本发明提出了一种快速获取系统响应脉宽的近似模型，通过分析三种不同激光波形对系统响应的展宽影响，由于高斯模型符合大多数激光波形的情况，因此采用高斯模型。采用该模型，可快速计算近似的系统响应脉宽T′_T，大大减小了系统响应脉宽T_T的计算时间。

步骤(2)中，在根据近似模型计算得到近似的系统响应脉宽之后，还包括：基于水体浑浊度判断近似的系统响应脉宽是否符合测量条件，若满足，则继续进行采样率估算；若不满足，则重新设定激光器和探测器的脉宽。所述的测量条件为：

其中，T′_T为近似的系统响应脉宽，K_d为水体漫射衰减系数。

定义在水面以下的一段距离内，反演得到的漫射衰减系数相对误差大于10％的范围为信号失真区(SDZ)，在信号失真区内，回波信号会出现一定程度的畸变。信号失真区与水体类型以及所使用的激光雷达系统参数有关。本发明为使信号失真区小于一定值，通过分析系统响应与水体漫射衰减系数的关系，得知不同水体类型所对应的激光雷达系统响应脉宽具有一定的范围。随着水体的漫射衰减系数不断变大，系统响应脉宽范围逐渐变小。当系统响应脉宽与水体漫射衰减系数满足上述公式时，可使信号失真区范围与最大可探测的深度的比值小于20％，能够获得较准确的激光雷达信号，以反演较准确的水体光学参数。

步骤(2)中，估算所需的采集卡采样率SR的过程如下：

通过对数据进行线性拟合得到系统响应脉宽T_T与采样率SR之间的反比例线性关系，表达式为：

SR＝0.8234/T_T+3.3×10⁶

再将系统响应脉宽T_T用近似的系统响应脉宽T′_T代替，利用上述表达式，得到估算的采集卡采样率。得到的采样率SR需大于或等于两倍的系统带宽B。

根据奈奎斯特采样定理，以奈奎斯特速率或高于奈奎斯特速率采样的信号，能保证真实的水体信号可以被准确无误地反演出来。在激光雷达系统中，如果采集卡的采样率过低，导致采样时间大于总系统脉宽，则激光雷达系统对回波信号进行欠采样，这将导致激光雷达系统无法进行探测。由所述的公式所知，通过系统响应脉宽能够大致估算所需要的采集卡采样率。对于估算系统采样率，真实值T_T和近似模型T′_T所对应的结果近乎一致。

步骤(4)中，浮游植物层厚度校正时，当系统响应脉宽较大时，浮游植物层的厚度误差较大，步骤(4)中，所述的修正方程为：

其中，Thk′为修正后的浮游植物层厚度；Thk为浮游植物层的实测厚度；L_T为近似的系统响应脉冲长度，其由近似的系统响应脉宽T′_T通过光速匹配得到。

激光雷达系统及其参数会对浮游植物层的探测有一定的展宽作用。展宽效应主要表现为回波信号中浮游植物层的厚度变宽，探测得到的浮游植物层的厚度会随着激光脉宽和探测器响应的增加而增加。系统响应脉宽越小，浮游植物层的探测精度则越大。可以根据总时间响应来估算浮游植物层达到的精度，或者通过需要的浮游植物层精度来匹配所需要的。

本发明中，所述激光器的时域波形为高斯型，所述探测器的时域波形为重尾型。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果；

1、本发明优化了海洋激光雷达系统响应的器件选择和计算方法：提出了一种系统响应近似模型，可快速获取激光雷达系统响应脉宽；提出了激光器、探测器和采集卡三个器件之间的匹配选型方法，可发挥不同器件的最佳性能；

2、本发明对因海洋激光雷达系统响应导致的误差进行了抑制处理：通过选择适合不同水体的系统响应脉宽，以减小因水面反射和系统展宽导致的水面失真区；通过修正方程对系统响应导致的浮游植物层的测量误差进行修正。

3、本发明通过优化处理海洋激光雷达系统响应，能够便利于研制海洋激光雷达时的器件选取，降低系统响应对水体光学特性反演的影响。

附图说明

图1为本发明一种海洋激光雷达系统响应优化处理方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中近似模型相对误差与激光器、探测器的关系；

图3为本发明实施例中激光雷达采样率与系统时间响应的关系，其中，(a)提供了采集卡与激光器以及探测器的匹配情况，(b)表示T_T与SR之间的关系；

图4为本发明实施例中不同水体类型所对应的激光雷达系统响应脉宽；

图5为本发明实施例中浮游植物层厚度的相对误差与真实厚度以及系统响应脉宽的关系，其中，(a)为实测浮游植物层厚度的相对误差与真实厚度以及L_T的关系，(b)为修正后的浮游植物层厚度与真实值的相对误差分布情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种海洋激光雷达系统响应优化处理方法，基于工作在蓝绿光波段的海洋激光雷达，通过采用海洋激光雷达系统响应优化处理方法，精确得到近水面和浮游植物层中的信息。

首先，优化了海洋激光雷达系统响应的器件选择和计算方法：根据激光器、探测器和采集卡等三个关键器件对系统响应的贡献，提出了一种系统响应近似模型，快速获取激光雷达系统响应脉宽；提出了激光器、探测器和采集卡三个器件之间的匹配选型方法，发挥不同器件的最佳性能；其次，对因海洋激光雷达系统响应导致的误差进行了抑制处理：根据准单次散射近似的激光雷达方程，通过选择适合不同水体的系统响应脉宽，减小因水面反射和系统展宽导致的水面失真区；通过修正方程对系统响应导致的浮游植物层的测量误差进行修正。

本发明涉及到的出射激光脉冲形状模型通常为高斯模型、重尾模型或截段抛物线模型。其中本实施例使用的高斯模型可以表示为式(1)：

光电倍增管的下降沿时间是上升沿时间T_r的2～3倍，脉宽T_D是上升沿的2.5倍左右。PMT的时间响应函数可以用重尾模型来建模，假设T_D＝3T_r，PMT响应函数可表示为式(2)：

激光脉宽T_L选取范围为2～18ns，PMT上升沿时间设置为0.6～2.2ns内，对应的探测器脉宽T_D为1.8～6.6ns，采用控制变量法进行分析，并对激光雷达信号进行了归一化处理，将激光雷达信号的动态范围设置为常见的3个数量级。在仿真模型中，设置表面反射率为0.02，漫射衰减系数K_d大于等于0.1m^-1，大气损耗为1，水面反射的太阳辐射为0.14mw/m²srnm。具体仿真中用到的激光雷达系统参数如表1所示。

表1

本发明使用的激光雷达系统响应近似模型，通过分析三种不同激光波形对系统响应的展宽影响，综合考虑，由于高斯模型符合大多数激光波形的情况，采用高斯模型。激光脉宽用T_L表示，探测器脉宽用T_D表示，根据高斯函数卷积的特性，提出系统响应脉宽的近似模型可以表示为式(3)：

其中T_D为探测器脉宽，T_L为激光脉宽。系统响应脉宽T_T是激光器和探测器共同作用的结果。近似模型T′_T与真实值T_T之间的误差可写作式(4)：

图2展示了不同激光器、探测器脉宽情况下计算得到的系统响应近似模型T′_T与真值T_T之间的相对误差在3％以内，近似模型的相对误差分布取决于激光器脉宽与探测器脉宽的绝对差值，当绝对差值比较大时，误差较小。

本发明所述的系统器件带宽匹配方法，其特征在于采集卡的采样率SR必须大于或等于两倍系统带宽B(频域上的半高全宽值)才能正常探测信号。对数据进行线性拟合得到T_T与SR之间的关系可表示为式(5)：

SR＝0.8234/T_T+3.3×10⁶ (5)

图3示出了激光雷达系统采样率和系统响应各部分的关系。

图3中，(a)为系统响应与探测器脉宽以及激光器脉宽之间的关系，采集卡的采样率SR必须大于或等于两倍系统带宽B(频域上的半高全宽值)才能正常探测信号。图中提供了采集卡与激光器以及探测器的匹配情况，虚线表示系统采样率为120MHz时所对应的激光器脉宽和探测器脉宽，可以看出120MHz的采集卡满足绝大多数情况下的系统配置。

图3中，(b)示出了T_T与SR之间的关系，可以看出T_T与SR具有极好的反比例线性关系。其中，实线对应的是近似模型计算的结果，虚线对应真实值计算的结果，可以看出对于估算系统采样率，T_T、T′_T所对应的结果近乎一致。

本发明基于水体浑浊度的系统响应脉宽选择，不同水体类型需选择合适的激光雷达系统响应脉宽。水体漫射衰减系数K_d与允许的最大系统响应脉宽T_T满足关系式(6)：

如图4所示，进一步讨论分析系统响应与水体探测能力的关系，假设信号失真区与最大可探测的深度的比值为20％，探究不同水体类型所对应的激光雷达系统响应脉宽T_T。图中圈线表示选用任意的激光脉宽与探测器脉宽的情况，图中实线表示激光器固定为2ns的情况，图中的虚线表示探测器固定为1.8ns的情况。

分析图4可知，不同水体类型所对应的激光雷达系统响应脉宽具有一定的波动范围，且随着水体的漫射衰减系数不断变大，系统响应脉宽范围越来越小。波动范围的下边界为激光器脉宽固定为最小值的情况，上边界为探测器固定为最小值的情况。由于激光器和探测器的时域响应波形不同(激光器的时域波形为高斯型，探测器的时域波形为重尾型)，以探测器响应为主时，探测不同水体所允许的系统响应脉宽小于以激光器为主时的情况。

本发明浮游植物层厚度校正，在系统响应脉宽较大时，浮游植物层的厚度误差较大，厚度可以通过实测的厚度Thk和系统响应脉冲长度L_T进行修正，可表示为式(7)：

系统响应对浮游植物层探测的影响，主要指浮游植物层的厚度，系统响应脉宽T_T和探测到的浮游植物层厚度相关，T_T越小，浮游植物层的探测精度则越大。根据总时间响应估算浮游植物层达到的精度，或者通过需要的浮游植物层精度来匹配所需要的T_T。本发明所述的系统响应脉宽的近似模型T′_T同样适用于评估浮游植物层的探测。

通过图5，进一步展示并分析了浮游植物层厚度误差与系统响应脉宽之间的影响，其中，系统响应脉宽T_T设置范围为2.7～18.6ns，对应于水体中的脉冲长度L_T范围为0.3～2.1m，浮游植物层的厚度范围为0.2～4.2m。

图5中，(a)展示了实测浮游植物层厚度的相对误差与真实厚度以及L_T的关系，从图中可以看出，当真实厚度和L_T之间相差较大时，实测值的相对误差也会越来越小。图中线性拟合出了相对误差为10％、20％、40％的情况，当相对误差为定值时，浮游植物层厚度与总系统脉冲宽度T_T或L_T大致满足线性关系。在系统响应脉宽较大时，浮游植物层的厚度误差较大。

图5中，(b)为修正后的浮游植物层厚度与真实值的相对误差分布情况，修正后的相对误差平均值由原来的55％提升至6％。采用线性回归的方法拟合出了相对误差为5％、10％、20％的情况，当Thk＞0.5L_T+0.5时，修正误差不超过5％，当Thk＝0.4L_T+0.3附近时，相对误差稍微偏大，但其分布仍在10％左右。当Thk＜0.3L_T+0.1时，此时修正后的厚度误差仍然大于20％。综上，本发明所述的浮游植物层修正公式在绝大多数情况下能够校准实测浮游植物层的厚度。

本发明通过优化处理海洋激光雷达系统响应，能够便利于研制海洋激光雷达时的器件选取，降低系统响应对水体光学特性反演的影响。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种海洋激光雷达系统响应优化处理方法，其中，海洋激光雷达系统包括激光发射系统、接收系统、数据采集及处理系统，激光发射系统包括激光器和扩束镜，接收系统包括望远镜、光阑、窄带滤光片、会聚透镜和探测器，数据采集及处理系统包括采集卡和计算机，其特征在于，具体的优化处理方法包括：

(1)根据激光器、探测器和采集卡对系统响应的贡献，建立快速获取系统响应脉宽的近似模型，所述的近似模型采用高斯模型，表达式为：

其中，T′_T为近似的系统响应脉宽，T_L为激光器脉宽，T_D为探测器脉宽；

(2)根据近似模型计算得到近似的系统响应脉宽，并根据近似的系统响应脉宽估算所需的采集卡采样率SR；估算所需的采集卡采样率SR的过程如下：

通过对数据进行线性拟合得到系统响应脉宽T_T与采样率SR之间的反比例线性关系，表达式为：

SR＝0.8234/T_T+3.3×10⁶

再将系统响应脉宽T_T用近似的系统响应脉宽T_T′代替，利用上述表达式，得到估算的采集卡采样率；

(3)采集卡根据得到的采样率SR进行采样，系统通过计算得到实测浮游植物层厚度Thk；

(4)通过修正方程对系统响应导致的实测浮游植物层厚度的误差进行修正，最后得到修正后的浮游植物层厚度；所述的修正方程为：

其中，Thk′为修正后的浮游植物层厚度；Thk为浮游植物层的实测厚度；L_T为近似的系统响应脉冲长度，其由近似的系统响应脉宽T_T′通过光速匹配得到。

2.根据权利要求1所述的海洋激光雷达系统响应优化处理方法，其特征在于，步骤(2)中，在根据近似模型计算得到近似的系统响应脉宽之后，还包括：基于水体浑浊度判断近似的系统响应脉宽是否符合测量条件，若满足，则继续进行采样率估算；若不满足，则重新设定激光器和探测器的脉宽。

3.根据权利要求2所述的海洋激光雷达系统响应优化处理方法，其特征在于，所述测量条件为：

其中，T′_T为近似的系统响应脉宽，K_d为水体漫射衰减系数。

4.根据权利要求2所述的海洋激光雷达系统响应优化处理方法，其特征在于，不同水体浑浊度所对应的系统响应脉宽具有一定的波动范围，且随着水体漫射衰减系数不断变大，系统响应脉宽的波动范围逐渐变小；所述波动范围的下边界为激光器脉宽固定为最小值的情况，上边界为探测器脉宽固定为最小值的情况。

5.根据权利要求1或4所述的海洋激光雷达系统响应优化处理方法，其特征在于，步骤(2)中，采样率SR需大于或等于两倍的系统带宽B。

6.根据权利要求1所述的海洋激光雷达系统响应优化处理方法，其特征在于，所述激光器的时域波形为高斯型，所述探测器的时域波形为重尾型。

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