CN111239713B - 一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法。计算单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量；计算由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率；计算由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率；计算由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率；计算由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率；计算由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率；计算由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量；计算单发脉冲总噪声光子数量；计算待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达系统的最大测深深度。本发明可以快速准确地计算最大测深能力。

Description

一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法

技术领域

本发明属于激光遥感技术领域，尤其涉及一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法。

背景技术

得益于单光子探测器(又称光子计数体制，photon-counting detectors)极高的灵敏度，能对一个光子量级的能量进行响应(约10^-18J量级)，其比传统线性体制探测器提高了约1000倍。单光子探测器的应用，使卫星激光雷达的性能得到了极大提升，如果搭载在水体中透射效率较高的蓝绿激光，可实现浅水地形测绘的目标。目前美国最新一代星载单光子体制激光雷达ICESat-2在水质清澈的巴哈马群岛附近海域已经实现了基于卫星平台的40m浅水水深测量能力。

在探测能力评估层面，美国宇航局在设计ICESat-2卫星激光载荷时，已经建立了较为完备的单光子激光雷达在冰、云层和陆地地表的探测模型和仿真软件，并以此为理论和方法支撑设计ICESat-2单光子激光雷达的硬件参数。然而，对于星载单光子激光雷达的水深测量和水下目标探测，在探测能力评估研究较为薄弱，目前仅是从实测数据层面举例说明。虽然传统全波形激光测深雷达已经有较完备的测深能力评估方法，但并不能适用于单光子体制，这是因为：单光子激光雷达接收信号很弱，信噪比水平远低于全波形激光雷达，因此能测得到水下信号光子与能有效识别出水下信号光子是不同的概念，测深能力必须与信号提取结合起来讨论。

目前，国内外尚未有通过理论建模的方式建立星载单光子激光雷达水深测量能力的评估方法，现有方式使用已有单光子激光雷达在不同测量环境下得出的测深能力列表来表达，在时间成本、设备成本和人工成本上都远远大于基于理论模型的测深能力评估方法。因此，建立一种基于理论模型的测深能力评估方法，即：只要给定单光子激光雷达的硬件系统参数，测量环境、测量目标的各项参数时，能够准确评估该条件下最大的水深测量能力，这对于已有单光子激光雷达系统在实际工程测量时能否满足测量要求，以及设计用于水深测量的激光雷达硬件系统参数都是亟需的也是必要的。

发明内容

本发明主要基于所建立的星载单光子激光雷达水深测量能力的理论模型，为给定星载单光子激光雷达在具体测量环境条件下包含大气、水体、水底各项参数的一种最大测量能力的评估方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

步骤1，计算单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量；

步骤2，计算由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤3，计算由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤4，计算由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤5，计算由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤6，计算由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤7，计算由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量；

步骤8，计算单发脉冲总噪声数量；

步骤9，通过单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、单发脉冲总噪声数量计算待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达系统的最大测深深度。

作为优选，步骤1所述水下目标平均信号光子数量为：

其中，η_t表示系统发射效率，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，E_t为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，A_r表示接收望远镜面积，R_h为星载单光子激光雷达的轨道高度，θ_p为激光雷达光轴的天底角，R_w为待测量水深；

T_a表示垂直单层大气透过率，T_w表示海洋表面的透射率，可以表示为T_w＝(1-W)·(1-ρ_s)，其中W为海面泡沫覆盖比例，满足

U₁₀为海面上方10m的风速，ρ_s为水面镜面反射率，ρ_b为水下目标或水底的反射率，θ_b为水下目标表面坡度，n为水体折射率(约等于1.334)，θ_pw为进入水中光线的天底角，可以表示为θ_pw＝arcsin(sinθ_p/n)，c_a是水体衰减系数；

作为优选，步骤2所述由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，这些都是激光雷达的硬件系统参数，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，T_a表示垂直单层大气透过率，上述参数在给定单光子激光雷达系统和测量环境时都是已知值；

作为优选，步骤3所述水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，T_a表示垂直单层大气透过率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，T_a表示垂直单层大气透过率，ρ_l表示水面泡沫反射率，海水泡沫的反射率与海水泡沫的年龄有关；

作为优选，步骤4所述由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，T_a表示垂直单层大气透过率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，erf为误差函数，s为海面平均斜率，其平方与海面上方风速有关，可以表示为s²＝0.003+0.00512U₁₀；

作为优选，步骤5所述由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，T_a表示垂直单层大气透过率，T_w表示海洋表面的透射率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，β_b为水体的后向散射系数，θ_pw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，c_a是水体衰减系数，R_w表示待测量水深；

作为优选，步骤6所述计算由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率；为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，ρ_b为水下目标或水底的反射率，θ_b为水下目标表面坡度，T_a表示垂直单层大气透过率，T_w表示海洋表面的透射率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，θ_pw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，c_a是水体衰减系数，R_w为待测量水深；

作为优选，步骤7所述由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量为：

其中，η_t表示系统发射效率，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，E_t为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，A_r表示接收望远镜面积，R_h为星载单光子激光雷达的轨道高度，R_w为待测量水深，θ_pw为进入水中光线的天底角，T_a表示垂直单层大气透过率，T_w表示海洋表面的透射率，θ_p为激光雷达光轴的天底角，β_b为水体的后向散射系数，n为水体折射率，c_a是水体衰减系数，θ_pw为进入水中光线的天底角，R_w为待测量水深，Δh为激光信号可覆盖的深度范围，表示为：Δh＝4cσ_h/n，其中c为真空中的光速，σ_h为接收信号脉冲宽度，可以表示为：

其中，σ_h为激光接收脉冲宽度，σ_t为发射激光脉冲宽度，R_D为激光照射在地面的足印，可以表示为R_D＝R_hθ_t，R_h为星载单光子激光雷达的轨道高度，Var(R_D)为光斑范围内的粗糙度的平方，θ_t为激光光束发散角，θ_b为水下目标表面坡度；

作为优选，步骤8所述单发脉冲总噪声数量为：

N_b(R_w)＝4σ_h·(f_n,atm+f_n,foam+f_n,specular+f_n,column+f_n,bottom)+4σ_h·f_d+N_s,column(R_w,4cσ_h/n)

其中，σ_h为激光接收脉冲宽度，f_d为探测器固有的暗噪声频率，c为真空中的光速(等于299792458m/s)，n为水体折射率，f_n,atm为由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,foam为由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,specular为由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,column为由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,bottom为由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率，N_s,column为由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量，R_w为待测量水深；

作为优选，步骤9所述计算待测量水深的具体数值具体为：

N_s,bottom(R_w)＝N_b(R_w)

通过步骤1所述单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、步骤8所述单发脉冲总噪声数量联立计算得到待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达系统在特定测量环境条件下的最大测深深度。

因此，本方法主要有以下优点：

本发明填补了目前星载单光子激光雷达针对水下目标测量时最大测深能力评估理论模型的空白，所需要输入的各项参数，要么是单光子激光雷达的硬件的系统参数，要么是测量的大气、水体、目标环境参数，可以快速有效地评估给定单光子激光雷达系统参数和测量环境参数条件下的最大测深能力；本发明所建立的模型和方法不仅可以用于评估已有单光子激光雷达系统在实际工程测量时能否满足测量要求，还可以反向应用，例如设计一个单光子激光雷达系统时，对于最大测深深度有具体要求，可以反向计算激光雷达硬件参数的具体要求。

附图说明

图1：本发明方法流程图。

图2：是当太阳背景光照射至水面时，由水体镜面反射的光子被激光雷达望远镜接收的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明以美国ICESat-2卫星单光子激光雷达作为样例，其具有固定的系统硬件参数，即：系统发射效率η_t＝0.4，探测器量子效率η_q＝0.15，接收系统效率η_r＝0.41，单脉冲发射能量E_t＝160μJ，接收望远镜面积A_r＝0.79m²，星载单光子激光雷达的轨道高度R_h＝500km，激光雷达光轴天底角θ_p＝0.38°，激光雷达滤光片的带宽Δλ＝30pm，探测器固有的暗噪声频率f_d＝50Hz，激光雷达视场角θ_r＝85μrad，激光光束发散角θ_t＝35μrad。当ICESat-2单光子激光雷达在2018年10月22日下午15:22:42飞过我国西沙群岛附近海域时，此时太阳辐射天底角θ_s＝57.7°，海面上方10m的风速U₁₀＝7.7m/s；该水域水体后向散射系数β_b＝0.39×10^-3m^-1sr^-1，水体衰减系数c_a＝0.0618m^-1；该水域水下为海砂覆盖反射率ρ_b＝0.15，水底坡度约为θ_b＝2°，水底粗糙度的平方Var(R_D)＝1m。

下面结合图1至图2，介绍本发明的具体实施方式为：

步骤1，计算单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量；

步骤1所述水下目标平均信号光子数量为：

其中，η_t表示系统发射效率，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，E_t为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，对于波长为532nm的光束，v＝1.77×10^-15Hz，A_r表示接收望远镜面积，R_h为星载单光子激光雷达的轨道高度，θ_p为激光雷达光轴的天底角，R_w为待测量水深；

T_a表示垂直单层大气透过率(晴朗天空条件下约为0.7)，T_w表示海洋表面的透射率，可以表示为T_w＝(1-W)·(1-ρ_s)，其中W为海面泡沫覆盖比例，满足

U₁₀为海面上方10m的风速，ρ_s为水面镜面反射率，对于532nm绿光而言，ρ_s＝0.02，ρ_b为水下目标或水底的反射率，θ_b为水下目标表面坡度，n为水体折射率，θ_pw为进入水中光线的天底角，可以表示为θ_pw＝arcsin(sinθ_p/n)，c_a是水体衰减系数；

步骤2，计算由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤2所述由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，这些都是激光雷达的硬件系统参数，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，在532nm绿光时其值约为1.83w/m²·nm，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，T_a表示垂直单层大气透过率(晴朗天空条件下约为0.7)，上述参数在给定单光子激光雷达系统和测量环境时都是已知值；

步骤3，计算由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤3所述水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，h为普朗克常数，ν表示光子频率，T_a表示垂直单层大气透过率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，ρ_l表示水面泡沫反射率，海水泡沫的反射率与海水泡沫的年龄有关，在无先验知识的前提下，通常ρ_l＝0.22；其余变量符号与前面公式相同，都是已知值；

步骤4，计算由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤4所述由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，h为普朗克常数，ν表示光子频率，T_a表示垂直单层大气透过率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，erf为误差函数，s为海面平均斜率，其平方与海面上方风速有关，可以表示为s²＝0.003+0.00512U₁₀；其余变量符号与前面公式相同，都是已知值。

步骤5，计算由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤5所述由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数，ν表示光子频率，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，T_a表示垂直单层大气透过率，T_w表示海洋表面的透射率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，β_b为水体的后向散射系数，θ_pw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，c_a是水体衰减系数，sec是正割函数，R_w表示待测量水深；

步骤6，计算由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤6所述由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数，ν表示光子频率，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，ρ_b为水下目标或水底的反射率，θ_b为水下目标表面坡度，T_a表示垂直单层大气透过率，T_w表示海洋表面的透射率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，θ_pw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，c_a是水体衰减系数，R_w为待测量水深；

步骤7，计算由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量；

步骤7所述由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量为：

其中，η_t表示系统发射效率，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，E_t为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，A_r表示接收望远镜面积，R_h为星载单光子激光雷达的轨道高度，R_w为待测量水深，θ_pw为进入水中光线的天底角，T_a表示垂直单层大气透过率，T_w表示海洋表面的透射率，θ_p为激光雷达光轴的天底角，β_b为水体的后向散射系数，n为水体折射率，c_a是水体衰减系数，θ_pw为进入水中光线的天底角，R_w为待测量水深，Δh为激光信号可覆盖的深度范围，表示为：Δh＝4cσ_h/n，其中c为真空中的光速，σ_h为接收信号脉冲宽度，可以表示为：

其中，σ_h为激光接收脉冲宽度，σ_t为发射激光脉冲宽度，R_D为激光照射在地面的足印，可以表示为R_D＝R_hθ_t，R_h为星载单光子激光雷达的轨道高度，Var(R_D)为光斑范围内的粗糙度的平方，θ_t为激光光束发散角，θ_b为水下目标表面坡度；

步骤8，计算单发脉冲总噪声数量；

步骤8所述单发脉冲总噪声数量为：

N_b(R_w)＝4σ_h·(f_n,atm+f_n,foam+f_n,specular+f_n,column+f_n,bottom)+4σ_h·f_d+N_s,column(R_w,4cσ_h/n)

其中，σ_h为激光接收脉冲宽度，f_d为探测器固有的暗噪声频率，c为真空中的光速，n为水体折射率，f_n,atm为由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,foam为由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,specular为由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,column为由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,bottom为由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率，N_s,column为由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量，R_w为待测量水深；

步骤9，通过单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、单发脉冲总噪声数量计算待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达系统的最大测深深度。

步骤9所述计算待测量水深的具体数值具体为：

N_s,bottom(R_w)＝N_b(R_w)

通过步骤1所述单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、步骤8所述单发脉冲总噪声数量联立计算得到待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达系统在特定测量环境条件下的最大测深深度。

根据前述步骤，最终解算待测量水深R_w＝17.1m。实际ICESat-2在当地所采集的最大水深为17.2m，与本发明所计算的理论结果非常一致。因此，本发明可以快速准确地计算给定单光子激光雷达系统参数和测量环境参数条件下的最大测深能力，用于评估已有单光子激光雷达系统在实际工程测量时能否满足测量要求。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量；

步骤2：计算由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤3：计算由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤4：计算由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤5：计算由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤6：计算由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率；

步骤7：计算由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量；

步骤8：计算单发脉冲总噪声数量；

步骤9：通过单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、单发脉冲总噪声数量计算待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达系统的最大测深深度；

步骤8所述单发脉冲总噪声数量为：

N_b(R_w)＝4σ_h·(f_n,atm+f_n,foam+f_n,specular+f_n,column+f_n,bottom)+4σ_h·f_d+N_s,column(R_w,4cσ_h/n)

其中，σ_h为激光接收脉冲宽度，f_d为探测器固有的暗噪声频率，c为真空中的光速，n为水体折射率，f_n,atm为由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,foam为由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,specular为由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,column为由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率，f_n,bottom为由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率，N_s,column为由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量，R_w为待测量水深；

步骤9所述计算待测量水深的具体数值具体为：

N_s,bottom(R_w)＝N_b(R_w)

通过步骤1所述单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、步骤8所述单发脉冲总噪声数量联立计算得到待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达系统在特定测量环境条件下的最大测深深度，N_b(R_w)为单发脉冲总噪声数量；N_s,bottom(R_w)为水下目标平均信号光子数量。

2.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：

步骤1所述水下目标平均信号光子数量为：

其中，η_t表示系统发射效率，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，E_t为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，A_r表示接收望远镜面积，R_h为星载单光子激光雷达的轨道高度，θ_p为激光雷达光轴的天底角，R_w为待测量水深；

T_a表示垂直单层大气透过率，T_w表示海洋表面的透射率，可以表示为T_w＝(1-W)·(1-ρ_s)，其中W为海面泡沫覆盖比例，满足

U₁₀为海面上方10m的风速，ρ_s为水面镜面反射率，ρ_b为水下目标或水底的反射率，θ_b为水下目标表面坡度，n为水体折射率，θ_pw为进入水中光线的天底角，可以表示为θ_pw＝arcsin(sinθ_p/n)，c_a是水体衰减系数。

3.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：

步骤2所述由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，h为普朗克常数等于6.63×10^{- 34}J·s，ν表示光子频率，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，这些都是激光雷达的硬件系统参数，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，T_a表示垂直单层大气透过率，上述参数在给定单光子激光雷达系统和测量环境时都是已知值。

4.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：

步骤3所述水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，T_a表示垂直单层大气透过率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，T_a表示垂直单层大气透过率，ρ_l表示水面泡沫反射率，海水泡沫的反射率与海水泡沫的年龄有关。

5.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：

步骤4所述由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，T_a表示垂直单层大气透过率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，erf为误差函数，s为海面平均斜率，其平方与海面上方风速有关，可以表示为s²＝0.003+0.00512U₁₀，ρ_s为水面镜面反射率，U₁₀为海面上方10m的风速。

6.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：

步骤5所述由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，T_a表示垂直单层大气透过率，T_w表示海洋表面的透射率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，β_b为水体的后向散射系数，θ_pw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，c_a是水体衰减系数，R_w表示待测量水深。

7.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：

步骤6所述由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：

其中，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，N_λ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，θ_r为激光雷达视场角，A_r表示接收望远镜面积，ρ_b为水下目标或水底的反射率，θ_b为水下目标表面坡度，T_a表示垂直单层大气透过率，T_w表示海洋表面的透射率，θ_s为太阳辐射天底角，θ_p为激光雷达光轴的天底角，θ_pw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，c_a是水体衰减系数，R_w为待测量水深。

8.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：

步骤7所述由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量为：

其中，η_t表示系统发射效率，η_q表示探测器量子效率，η_r表示接收系统效率，E_t为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10^-34J·s，ν表示光子频率，A_r表示接收望远镜面积，R_h为星载单光子激光雷达的轨道高度，R_w为待测量水深，θ_pw为进入水中光线的天底角，T_a表示垂直单层大气透过率，T_w表示海洋表面的透射率，θ_p为激光雷达光轴的天底角，β_b为水体的后向散射系数，n为水体折射率，c_a是水体衰减系数，θ_pw为进入水中光线的天底角，R_w为待测量水深，Δh为激光信号可覆盖的深度范围，表示为：Δh＝4cσ_h/n，其中c为真空中的光速，σ_h为接收信号脉冲宽度，可以表示为：

其中，σ_h为激光接收脉冲宽度，σ_t为发射激光脉冲宽度，R_D为激光照射在地面的足印，可以表示为R_D＝R_hθ_t，R_h为星载单光子激光雷达的轨道高度，Var(R_D)为光斑范围内的粗糙度的平方，θ_t为激光光束发散角，θ_b为水下目标表面坡度。

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