CN111443352A - 基于声光联合传感的海洋遥感测深方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于声光联合传感的海洋遥感测深方法及装置，该方法包括利用重频调制脉冲激光器输出重复频率受到调制的高功率脉冲激光束，高功率脉冲激光束垂直入射到被探测海域的水面，在水下激发出调频连续声波，同时在水面激发出同频变化的水表面声波；利用连续稳频激光器输出连续激光束，连续激光束聚焦到被探测海域的水面，由散射光接收耦合装置接收形成多普勒干涉信号，再通过相位生成载波调制解调方法解调出水表面声波；利用分数阶傅里叶变换进行时延参数估计，以及计算得到被测海域的水深。本发明可以实现深海水深的空中远距探测，具有可测深度大、覆盖面广、机动灵活等优势，能够弥补传统的声呐测深方法以及电磁波遥感测深方法的不足。
Description
技术领域
本发明涉及海洋遥感测距技术领域和激光多普勒干涉技术领域，具体为一种在空中利用 高功率脉冲激光激发水下声波的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法及装置。
背景技术
目前，包括单/多波束回声测深技术、侧扫声呐技术等在内的船载或拖拽声呐探测方法是 海洋测绘的主要技术手段。但它们都需要耗费大量的人力、物力、时间和金钱，其测量覆盖 面积小、现势性差。测量船也不能进入有争议的海区，这些原因使得传统的船载声呐测深技 术在应用上受到限制。
为了克服船载声呐测深技术在探测灵活度上的不足，上世纪60年代以来，国外研究人员 提出了各种遥感探测方法，例如光学遥感测深技术、机载蓝绿激光雷达测深技术、合成孔径 微波雷达(SAR)测深技术等。但无论是微波还是激光，它们在水中的衰减极大。因此，这 类利用电磁波的遥感探测技术在探测深度上都受到了很大限制，以机载蓝绿激光雷达探测技 术为例，其最大可测深度仅为50m，它一般仅用于浅海区域的水深探测中。
本世纪初开始，国内外学者逐渐开始尝试将激光与声这两种信息传感载体结合起来应用 到海洋探测中，并发展了一系列“激光-声”联合探测技术。它们包括激光致声技术、水表面声 波激光探测技术等。大功率脉冲激光在液体中能够激发出声波，其机理可分为热膨胀、汽化 和光击穿三种。可以说，激光致声技术基本解决了从空中激发水下声波的问题，目前基于激 光致声效应的水声换能器的发展相对比较成熟，已逐步走向商业应用。
由于声阻抗的失配，水气界面不是一个理想的压力释放表面，当水下声波入射到水气界 面时会激发出水表面横向传播的微幅波，被称为水表面声波。水表面声波暗含了水下声辐射 的信息，激光多普勒干涉技术已被用于微弱水表面声波的探测中。目前实验室条件下已能利 用激光多普勒干涉测量技术准确地从水表面的波谱中分离出中低频段的水表面声波。水表面 声波激光多普勒干涉探测技术在实验室条件下解决了从空中提取水下声信息的问题。但由于 自然水表面总是存在随机的低频大尺度波动，连续捕获多普勒回光是无法实现的，水下目标 的重访率极低，无法适应实际海况。因此，简单将激光致声技术与水表面声波探测技术相结 合仍然无法实现海洋深度的远距离探测。
综上所述，目前海洋测深技术存在的主要问题有：
传统的船载声呐技术耗费人力物力、覆盖面小、无法进入争议海区，缺乏探测的灵活性；
电磁波遥感探测方法可探测深度有限，无法满足深海探测需求；
激光致声技术和水表面声波激光干涉探测技术虽然分别解决空中激发声波和提取声信息 的问题，但应用到海洋测深中还需要解决由多普勒回光无法连续捕获引起水深信息无法解调 的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于声光联合传感的海洋遥感测深方法及装置， 既解决了电磁波遥感方法在可测深度上的不足，同时也解决了船载声呐探测灵活度小的问题。
为了实现上述目的，本发明具有如下构成：
该基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，所述方法结合了调频连续波激光致声技术， 激光多普勒干涉技术和调频连续波测距技术，将声传感手段和光传感手段联合起来进行海洋 深度探测。
所述基于声光联合传感的海洋遥感测深方法包括如下步骤：
(1)通过所述的调频连续波激光致声技术，利用重频调制脉冲激光器输出重复频率受到 调制的高功率脉冲激光束，高功率脉冲激光束垂直入射到被探测海域的水面，在水下激发出 的调频连续声波，同时在水面激发出同频变化的水表面声波，所述水表面声波包括所述重频 调制脉冲激光束在水面激发的第一水表面声波和所述调频连续声波经海底介质后对水表面激 发的第二水表面声波；
(2)通过所述的激光多普勒干涉技术，利用连续稳频激光器输出连续激光束，该激光束 聚焦到被探测海域水面，其后被散射光接收耦合装置接收形成多普勒干涉信号，再通过相位 生成载波调制解调方法解调出前述水表面声波；
(3)通过所述的调频连续波测距技术，利用分数阶傅里叶变换对两个水表面波进行时延 参数估计，最终根据时延及水中声速计算出被测海域的水深。
可选地，所述步骤(1)，包括如下步骤：
空基平台上使用重复频率可调高功率脉冲激光器输出重频调制脉冲激光束，该激光束经 扩束镜和金镜后被聚焦透镜聚焦到被测海域水表面；
根据激光致声原理，高功率脉冲激光束会在水中激发出调频连续声波，该调频连续声波 的主频与脉冲激光束重频一致，称为调频激光声；
与此同时，当高功率脉冲激光束作用于水表面时，由于热膨胀、热击穿等作用，其产生 的机械扰动还会激发与调频连续声波同频变化的第一水表面声波；
所述调频激光声经海底介质反射后回到水面，由于海气界面不是一个理想的压力释放表 面，此时调频激光声也能够激发出与调频连续声波同频变化的第二水表面声波。
可选地，所述重复频率受到调制的高功率脉冲激光束，其实现过程如下：使用信号发生 器输出的线性扫频信号作为大功率脉冲激光器重复频率的调制源，对重频可调Nd:YAG高功 率脉冲激光器进行重复频率线性调制。
可选地，所述步骤(2)包括如下步骤：
空基平台中的连续稳频激光器发出一束稳频的相干激光束，以聚焦的方式入射到被探测 海域的水表面；
该相干激光束探测到高功率脉冲激光扰动产生的第一水表面声波以及水下调频激光声回 波激励的第二水表面声波，其相位受到了这两种水表面声波的调制；
探测的相干激光束由水面散射，经过散射光接收耦合装置接收返回光纤激光多普勒干涉 测量组件；
返回的探测激光与相干系统的参考光进行干涉，经过隔直滤波后被数据采集卡采集；此 处干涉是根据激光多普勒干涉测量原理确定的，干涉的原理就是测量光与参考光进行干涉， 发生光学混频。测量光就是发射到被测物的光束，它的相位或频率受到被测物的调制，参考 光是干涉系统内部的光，不受到被测物的影响，两者干涉混频，得到干涉信号，从干涉信号 中可解调出被测信息；
利用相位生成载波(PGC)解调方法从采集到的干涉信号中解调出第一水表面声波和第 二水表面声波。
可选地，所述利用相位生成载波(PGC)解调方法从采集到的干涉信号中解调出前述水 表面声波，包括如下步骤：
分别使用一倍频和二倍频载波与所述干涉信号进行混频，得到两路混频信号；
两路混频信号经过低通滤波，可得两路正交信号；
再利用微分交叉相乘法(DCM法)，对两路正交信号进行微分交叉相乘；
最后对微分交叉相乘后的信号进行高通滤波，便从采集到的干涉信号中解调出水表面声 波。
其中，所述将声和光传感手段联合起来进行海洋深度探测的基本原理在于：空中利用重 频可调激光器激发水下声波；水中采用调频连续声波实现海水深度信息传递；水表面声波则 起到了信息交换的媒介作用；再到空中利用稳频激光束来实现海水深度信息的获取。
其中，所述到空中利用稳频激光束来实现海水深度信息的获取，其机理如下：由于受到 自然水表面随机低频大尺度波动的影响，连续捕获多普勒回光是无法实现的；但是由高功率 脉冲激光束激发的水下调频连续声波所传递的时延信息是连续传送的；一旦光纤激光多普勒 干涉测量组件接收到多普勒回光，即使其持续时间很短，长度有限的干涉信号中仍然包含了 时延信息。
其中，所述利用分数阶傅里叶变换对两个水表面波进行时延参数估计，其实现过程如下：
根据重频调制脉冲激光的重频调制斜率，估算信号的分数阶傅里叶变换阶数；
在估算的分数阶傅里叶变换阶数附近，取一个阶数区间，对阶数区间进行小步长离散化；
取离散化阶数对水表面声波激光干涉探测信号进行分数阶傅里叶变换，求出信号在每个 阶数的分数阶傅里叶变换域的分布；
选出最大幅值所对应的阶数为最佳分数阶傅里叶变换阶数；
在最佳分数阶傅里叶变换域，找出两个调频水表面声波引起的峰值，根据两个波峰的位 置，估算两个水表面波的中心频率；
利用两个水表面波的中心频率的差值与信号调频斜率来求解两个水表面声波的时延。
本发明实施例还提供一种基于声光联合传感的海洋测深装置，所述海洋测深装置包括： 水下声波激发组件、光纤激光多普勒干涉测量组件、信号采集及处理组件。
所述水下声波激发组件由信号发生器、重频可调Nd:YAG高功率激光器、扩束镜、金镜 和聚焦透镜组成，主要功能是产生重复频率线性调制的大功率脉冲激光束，并聚焦到水面上；
所述光纤激光多普勒干涉测量组件由尾纤连续稳频激光器、光隔离器、9:1分光耦合器、 光衰减器、压电陶瓷(PZT)、PZT控制器、光偏振控制器、散射光接收耦合模块、大口径光 准直器和合束器组成，其中散射光接收耦合模块主要功能是接收包含了水深信息多普勒回光， 在合束器中接收到水面多普勒回光与相位受到PZT高频载波调制的参考光进行光学混频，产 生激光多普勒干涉信号；用于发射所述参考光的所述相干系统可以包括尾纤连续稳频激光器、 压电陶瓷(PZT)、PZT控制器等。
所述信号采集及处理组件由光电接收器、数据采集卡(DAQ)以及计算机组成，对前述 光纤激光多普勒干涉测量组件接收的干涉信号进行光电转换、隔直滤波、PGC解调和分数阶 傅里叶等处理，得到时延信息，进而测得海底深度。
采用了该发明中的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法及装置，具有如下有益效果：
(1)该方法在空中利用高功率脉冲激光的致声效应，激发水下调频声波，利用该声波在 水中进行深度信息的传感，在空中则利用稳频激光实现信息的传递，既解决了电磁波遥感方 法在可测深度上的不足，同时也解决了船载声呐探测灵活度小的问题。
(2)该方法不要求连续捕获激光多普勒回光，能在捕获有限长度多普勒回光的条件下解 调出被测水深，表现出较强的环境适应性。
附图说明
图1为本发明一实施例的声光联合传感海洋遥感测深方法原理架构示意图；
图2为本发明一实施例的声光联合传感海洋测深装置的系统构成图；
图3为本发明一实施例的测深方案信息传感与解调流程；
图4为本发明一实施例的激光多普勒干涉信号PGC解调算法流程；
图5为本发明一实施例的仿真信号PGC解调结果与原始信号对比图；
图6为本发明一实施例的分数阶傅里叶变换法提取水表面声波时延处理流程。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明实施例提供一种基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，所述海洋遥感测深方法 结合了调频连续波激光致声技术，激光多普勒干涉技术和调频连续波测距技术，将声传感手 段和光传感手段联合起来进行海洋深度探测。如图1所示，其主要实现过程为：
空基平台上搭载所述重频可调大功率脉冲激光器，发射出的重复频率线性调制的大功率 脉冲激光束被聚焦在被测海域水表面，由于热膨胀、汽化或者击穿机制，脉冲激光束会在水 中激发出声波，该声波被称为调频激光声，它具有很强的指向性，与此同时，当致声激光作 用于水表面时，其产生的机械扰动还会激发同频变化的第一水表面声波。
调频激光声经海底介质反射后回到水面，海气界面不是一个理想的压力释放表面，此时 调频激光声也能够激发出同频变化的第二水表面声波；
空基平台发出一束连续稳频的相干激光，该激光束探测到致声激光扰动产生的第一水表 面声波以及水下调频激光声激发的第二水表面声波，其相位受到了这两种水表面声波的调制；
相干探测激光由水面反射，经过空基平台上的多普勒回光接收装置接收与相干系统的参 考光进行干涉，从干涉信号中解调出两个水表面声波，而两个水表面声波之间的时延则反映 了被测水体的深度；
两个表面声波由同一个激励源产生，它们具有很强的时间相关性，对两个水表面声波的 时延进行估计，再根据时延和海水中声波的传播速度即可计算出海水的深度。
如图2所示，为本发明的声光联合传感海洋测深装置系统构成图。
本发明的声光联合传感海洋测深装置包括了水下声波激发组件、光纤激光多普勒干涉测 量组件、信号采集及处理组件。
水下声波激发组件由信号发生器、重频可调Nd:YAG高功率激光器、扩束镜、金镜和聚 焦透镜组成，主要功能是产生重复频率线性调制的大功率脉冲激光束，并聚焦到水面上；
光纤激光多普勒干涉测量组件由尾纤激光器、光隔离器、9:1分光耦合器、光衰减器、压 电陶瓷(PZT)、PZT控制器、光偏振控制器、散射光接收耦合模块、大口径光准直器和合束器 组成，其中散射光接收耦合模块主要功能是接收包含了水深信息多普勒回光，在合束器中接 收到水面多普勒回光与相位受到PZT高频载波调制的参考光进行光学混频，产生激光多普勒 干涉信号；
信号采集及处理组件由光电接收器、数据采集卡(DAQ)以及计算机组成，对前述光纤 激光多普勒干涉测量组件接收的干涉信号进行光电转换、隔直滤波、PGC解调和分数阶傅里 叶等处理，得到时延信息，进而测得海底深度。
如图3所示，为声光联合传感测深方案的信息传感与解调流程图。
假设脉冲激光器的重复频率调制宽度为B，重频调制周期为TB，重频的起始频率为f0， 初始相位为
那么该脉冲激光聚焦到水面后引发的热膨胀、汽化或者击穿，一方面对水表 面产生机械扰动而激发出水表面声波(1)即第一水表面声波，另一方面则在水下激发出调频 连续声波。假设激发的水表面声波和水下调频声波都具有正弦波形，则这两个声波可由公式 (1)来描述：
公式(1)中，t为时间，W1为水表面声波(1)，A1(t)为其波幅，它受到脉冲功率起伏的影响，有一定程度的低频调制，其尺度大小一般为微米量级；W2为水下调频声波，P1(t) 为其声压，同样受到脉冲功率起伏的调制，由于激光致声过程从冲击波逐渐变化为连续声波有一定的时延，记该时延为τ0，
为因为时延τ0产生的累积相位延迟。
当水下调频声波抵达水底后，由于水底介质与水介质之间存在较大的声阻抗差异，调频 声波的主要能量被反射。调频反射回波抵达水表面后，由于水表面不是一个理想的压力释放 表面，它将会激发出水表面横向传播的水表面声波(2)即第二水表面声波。该水表面声波相 对于入射调频声波有时延τ1，其波幅则因显著小于水表面声波(1)。水表面声波(2)可由公 式(2)来描述：
式中，W3为水表面声波(2)，A3(t)为其波幅，τ1为调频声波传输造成的时延，
为因为时延τ0和τ1产生的累积相位延迟。
此时，水表面声波(2)和水表面声波(1)有着τ0+τ1的相对延时，光纤激光多普勒干涉 测量组件探测这两个水表面声波。它们对探测激光进行相位调制，于是光纤激光多普勒干涉 测量组件接收到的多普勒干涉信号Sin可由公式(3)来描述：
式中，A(t)为干涉信号强度，它受到多普勒回光功率起伏的低频调制；k为相干激光的 波数，k＝2π/λ，λ为激光束的波长。
为若干个低频的自然水表面环境扰动，n 为正整数脚标，ωn为第n个环境扰动的角频率，
为第n个环境扰动的初相位；为实现干涉 信号的PGC解调，对相位生成了高频载波项
Am为高频载波的振幅，ωm为高频载波的角频率，
为高频载波的初相位；
为干涉信号的初相位。A1(t)为脉冲激光 激发的水表面声波的波振幅，前文已述；A3(t)为水下调频声波入射到水面激发的水表面声 波的波振幅，前文已述。
该干涉信号被信息采集及处理装置采集，送入PGC解调算法中，PGC解调方法能够实现 非平稳多普勒干涉信号的相位解调。
经过PGC解调和高通滤波后，输出信号Sout可由下式表示：
式中，C为PGC解调和高通滤波后的增益系数。
此时，由于两个水表面声波存在时延τ0和τ1，使得两个水表面声波处于不同的频段内， 容易通过滤波将两个水表面声波分别提取出来，记为S1和S2。利用广义互相关算法处理这两 个水表面声波信号，选择合适的加权函数进行加权运算，最终得到两个调频水表面声波的时 延τ。
得到水表面声波时延τ后可利用标准水深距离对激光致声时延τ0进行标定，最终可得到 调频连续声波传播时延τ1。此时，被测水深D为：
式中，c为水中声波传播速度。
如图4所示，是PGC解调算法流程，其核心思想是通过一倍频和二倍频载波与干涉信号 混频，经过低通滤波后可得两路正交信号，再利用微分交叉相乘法(DCM法)或者反正切方 法实现解相。
图5是PGC解调效果对比图，在仿真中，低频干扰(6)和两路水表面波(7)分别为：
仿真时：取采样间隔为1/51200s，采样点数为51200；波数k＝2π/(632.8*10-9)；取两个 水表面声波时延τ为0.1s；激光声重频调制速度B＝2000Hz/s，起始频率为1kHz，初相位；低 频扰动波振幅为2μm，频率为5Hz，初相位为0.02π；两个水表面声波的振幅均为10nm；初 相位
取0.1π，
取0.03π。
根据模拟低频的自然水表面环境扰动和两路水表面声波，使用所述的PGC算法进行解调， 通过对两个信号时域和频域的对比可以发现，PGC算法基本还原了两路水表面波，达到了预 期效果。
图6是利用分数阶傅里叶变换对两个水表面声波时延进行估计的流程图。
主要过程就是在估计的分数阶傅里叶变换阶数小区间内进行小步长搜索，找到两个水表 面波的最佳分数阶傅里叶变换阶数，并以最佳阶数对两个水表面波进行分数阶傅里叶变化， 所得的两个波峰便分别对应着两个水表面波的中心频率，根据中心频率之差以及调频斜率便 可得到时延参数。
表1所示为时延提取仿真实验所得时延数据，从表中20次试验可以看出，两个水表面波 的时延估计较为准确。
表1
采用了该发明中的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法及装置，具有如下有益效果：
(1)该方法在空中利用高功率脉冲激光的致声效应，激发水下调频声波，利用该声波在 水中进行深度信息的传感，在空中则利用稳频激光实现信息的传递，既解决了电磁波遥感方 法在可测深度上的不足，同时也解决了船载声呐探测灵活度小的问题。
(2)该方法不要求连续捕获激光多普勒回光，能在捕获有限长度多普勒回光的条件下解 调出被测水深，表现出较强的环境适应性。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种 修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限 制性的。
Claims (7)
1.一种基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，其特征在于，所述方法结合调频连续波激光致声技术、激光多普勒干涉技术和调频连续波测距技术，将声传感手段和光传感手段联合进行海洋深度探测；所述方法包括如下步骤：
(1)通过所述调频连续波激光致声技术，利用重频调制脉冲激光器输出重频调制脉冲激光束，所述重频调制脉冲激光束垂直入射到被探测海域的水面，在水下激发出调频连续声波，同时在水面激发出同频变化的水表面声波，所述水表面声波包括所述重频调制脉冲激光束在水面激发的第一水表面声波和所述调频连续声波经海底介质后对水表面激发的第二水表面声波；
(2)通过所述激光多普勒干涉技术，利用连续稳频激光器输出连续激光束，所述连续激光束聚焦到被探测海域的水面，由散射光接收耦合装置接收形成多普勒干涉信号，再通过相位生成载波调制解调方法解调出水表面声波；
(3)通过所述调频连续波测距技术，利用分数阶傅里叶变换对所述水表面波进行时延参数估计，以及根据估计得到的时延及水中声速计算得到被测海域的水深。
2.根据权利要求1所述的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，其特征在于，所述步骤(1)，包括如下步骤：
在空基平台上使用重频调制脉冲激光器输出重频调制脉冲激光束，所述重频调制脉冲激光束经扩束镜和金镜后被聚焦透镜聚焦到被测海域水表面；
根据激光致声原理，所述重频调制脉冲激光束在水中激发出调频连续声波，该调频连续声波的主频与所述重频调制脉冲激光束的重频一致，称为调频激光声；
同时，当所述重频调制脉冲激光束作用于水表面时，产生的机械扰动激发与所述调频连续声波同频变化的第一水表面声波；
所述调频连续声波经海底介质反射后回到水面，所述调频连续声波激发出与所述调频连续声波同频变化的第二水表面声波。
3.根据权利要求2所述的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，其特征在于，所述使用重频调制脉冲激光器输出重频调制脉冲激光束，包括使用信号发生器输出的线性扫频信号作为所述重频调制脉冲激光器重复频率的调制源，对重频调制脉冲激光器进行重复频率线性调制。
4.根据权利要求2所述的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下步骤：
在空基平台上使用连续稳频激光器发出一束稳频的相干激光束，以聚焦的方式入射到被探测海域的水表面；
所述相干激光束探测到重频调制脉冲激光束扰动产生的第一水表面声波以及水下调频连续声波激励的第二水表面声波，所述相关激光束的相位受到了第一水表面声波和第二水表面声波的调制；
所述相干激光束由水面散射，经过散射光接收耦合装置接收返回光纤激光多普勒干涉测量组件；
返回的所述相干激光束与参考光进行干涉，经过隔直滤波后的干涉信号被数据采集卡采集；
利用相位生成载波解调方法从采集到的干涉信号中解调出第一水表面声波和第二水表面声波。
5.根据权利要求4所述的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，其特征在于，所述利用相位生成载波解调方法从采集到的干涉信号中解调出第一水表面声波和第二水表面声波，包括如下步骤：
分别使用一倍频和二倍频载波与所述干涉信号进行混频，得到两路混频信号；
所述两路混频信号经过低通滤波，得到两路正交信号；
利用微分交叉相乘法对所述两路正交信号进行微分交叉相乘；
对微分交叉相乘后的信号进行高通滤波，以从采集到的干涉信号中解调出水表面声波。
6.根据权利要求5所述的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对所述水表面波进行时延参数估计，包括如下步骤：
根据所述重频调制脉冲激光束的重频调制斜率，估算信号的分数阶傅里叶变换阶数；
在估算的分数阶傅里叶变换阶数附近，取一个阶数区间，对阶数区间进行小步长离散化；
取离散化阶数对光纤激光多普勒干涉测量组件的输出信号进行分数阶傅里叶变换，求出信号在每个阶数的分数阶傅里叶变换域的分布；
选出最大幅值所对应的阶数为最佳分数阶傅里叶变换阶数；
在最佳分数阶傅里叶变换域，找出第一水表面声波和第二水表面声波引起的波峰，根据两个波峰的位置，估算第一水表面声波和第二水表面声波的中心频率；
利用第一水表面声波和第二水表面声波的中心频率的差值与信号调频斜率求解第一水表面声波和第二水表面声波的时延。
7.一种基于声光联合传感的海洋遥感测深装置，其特征在于，应用于权利要求1至6中任一项所述的基于声光联合传感的海洋遥感测深方法，所述装置包括：
水下声波激发组件，包括重频调制脉冲激光器，所述重频调制脉冲激光器用于输出重频调制脉冲激光束，所述重频调制脉冲激光束垂直入射到被探测海域的水面，在水下激发出调频连续声波，同时在水面激发出同频变化的水表面声波，所述水表面声波包括所述重频调制脉冲激光束在水面激发的第一水表面声波和所述调频连续声波经海底介质后对水表面激发的第二水表面声波；
光纤激光多普勒干涉测量组件，包括连续稳频激光器和散射光接收耦合装置，所述连续稳频激光器用于输出连续激光束，所述连续激光束聚焦到被探测海域的水面，由所述散射光接收耦合装置接收形成多普勒干涉信号，再通过相位生成载波调制解调方法解调出水表面声波；
信号采集及处理组件，用于利用分数阶傅里叶变换对所述水表面波进行时延参数估计，以及根据估计得到的时延及水中声速计算得到被测海域的水深。
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