CN111766599B - 一种实时测量海浪高度的激光雷达装置及方法 - Google Patents

一种实时测量海浪高度的激光雷达装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实时测量海浪高度的激光雷达装置及方法，激光雷达装置安装在船体上，包括激光发射系统、接收系统、船体相对位置测量系统和数据采集处理系统；测量的步骤如下：(1)使用激光发射系统向海面发射激光，其漫反射信号被接收系统接收；数据采集处理系统从接收的信号中计算激光雷达装置与测量海面的距离信息；(2)使用船体相对位置测量系统测量角速度，数据采集处理系统实时获取激光雷达自身相对位置变化情况和倾斜角，并计算船体的绝对位置变化关系；(3)根据步骤(1)和(2)得到的信息，对船体和海浪进行建模，并通过傅里叶变换后的频谱校正最终计算得到海浪高度。利用本发明，可以在船上进行简易又实时的海浪高度测量。

Description

一种实时测量海浪高度的激光雷达装置及方法
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，尤其是涉及一种实时测量海浪高度的激光雷达装置及方法。
背景技术
海洋覆盖了地球面积的71％，在全球生态系统中发挥着非常重要的作用，能够调节全球年气候变化，影响全年降水量；且海洋生态系统复杂性极高，在生物圈中扮演着重要的角色。所以对海洋的探测显得尤为重要。而海浪作为最常见的海洋波动的现象，与海洋的开发与研究有着非常密切的关系。
海浪高度可以通过卫星遥感手段进行测量，例如，中国第一颗海洋动力环境监测卫星“海洋二号”可以利用主、被动微波遥感器进行微波探测，遥感载荷包括微波散射计、雷达高度计和微波辐射计等，可全天时、全天候获取中国近海和全球范围的海面高度、海浪等海洋动力环境信息。
海浪高度可以通过搭载于飞行器的微波遥感设备进行测量，公开号为CN108802724A的中国专利文献，公开了一种测试海浪高度的方法，包括以下步骤：A.将无线电高度表安装在飞行器上，高度表经过发射天线向地面发射连续调频的微波；B.高度表将接收到的海面反射回波和发射信号混频进行比较。混频后的信号频率代表了海平面的高度；C.利用频谱分析，得到高度表发射波和海面回波混频后的频谱。D.频谱的频率代表了海平面的高度，不同高度的海浪对应不同的频率，在海面上飞行的高度表收到的频谱会展宽。频谱的宽度，代表了海平面的起伏度，也就是海浪高度。
海浪高度可以通过浮标进行测量，公开号为CN209147988U的中国专利文献，公开了一种海浪高度测量机构，包含有内置在浮标内的测量仪，所述测量仪包含有集成在一起的MCU模块、GPRS通讯模块、GPS定位模块和AHRS惯性测量单元；所述AHRS惯性测量单元用于记录单位时间内海浪的加速度及该单位时间内对应时间节点的瞬时加速度，并将记录的数据传输给所述嵌入式计算机系统；所述MCU模块为单片机，用于接收AHRS惯性测量单元传输的数据并对该数据进行计算以获得海浪的高度；所述GPRS通讯模块用于将嵌入式计算机系统计算得出的海浪高度通过近海的电信基站传送回基地；所述GPS定位模块用于显示当前所记录的海浪所处的海域位置；达到快速便捷的测量海浪的高度和降低测量成本的目的。
采用卫星测量方式，空间分辨率有限，无法实现实时测量，无法简便快捷获取数据；采用飞行器测量方式，测量成本高昂，还需要面对恶劣海况等因素限制；采用浮标测量，布放等要求复杂。船载仪器可以实现实时测量海浪，且测量方便，然而目前还未见船载仪器对海浪探测的报道。
发明内容
针对现有海浪高度测量方法技术的不足，本发明提供了一种实时测量海浪高度的激光雷达装置及方法，通过船载海洋激光雷达仪器在船上进行简易又实时的海浪高度测量，具有低成本、实时、高效等特点。
一种实时测量海浪高度的激光雷达装置，安装在船体上，包括：
激光发射系统，包括激光器和扩束镜，用于向海面发射激光；
接收系统，包括望远镜和探测器，用于接收激光射向海面后产生的漫反射回波信号；
船体相对位置测量系统，包括激光陀螺组合，用于测量激光雷达装置的角速度；
数据采集处理系统，包括采集卡和计算机，采集卡分别与激光发射系统、接收系统和船体相对位置测量系统电连接，用于采集发射系统、接收系统和船体相对位置测量系统的信号信息，计算机对采集的信息进行处理后得到海浪高度。
优选地，所述的激光雷达装置安装在船体的船头位置，所述激光陀螺组合通过测量激光雷达装置的角速度来进一步计算倾角和相对位置变化。激光陀螺能够对敏感轴上的角速度有很高的测量精度，将三个敏感轴正交安装的激光陀螺封装在一起就构成一个激光陀螺组合，它可以准确测量安装点的角速度。
相较于普通激光雷达系统，本发明的装置添加了船体相对位置测量系统，其中包含有激光陀螺组合，与激光雷达系统设置在相同位置，记为LGU；且其中的激光发射系统可以使用任意波长的激光。
本发明还提供了一种实时测量海浪高度的方法，使用上述实时测量海浪高度的激光雷达装置，包括以下步骤：
(1)使用激光发射系统向海面发射激光，接收系统实时接收激光射向海面后产生的漫反射信号；数据采集处理系统从接收系统接收的回波信号中计算激光雷达装置与测量海面的距离信息；
(2)使用船体相对位置测量系统中的激光陀螺组合，测量激光雷达装置的角速度，数据采集处理系统实时获取激光雷达自身相对位置变化情况和倾斜角，并计算船体的绝对位置变化关系。
(3)根据步骤(1)和(2)计算得到的信息，对船体和海浪进行建模，并通过傅里叶变换后的频谱校正最终计算得到海浪高度。
步骤(1)中，根据得到的回波信号，利用飞行时间法提取激光雷达装置与测量海面的距离信息，记为w3(t)，计算公式如下：
H＝ct/2
式中，t为接收到激光雷达回波信号所需要的时间；c为光速；H为距离水面的高度，即所求的w3(t)。
在使用激光雷达装置进行测量前和测量后，通过设置零米定标板的方式，来定标激光出射的0米位置。
步骤(2)中，船体的绝对位置变化关系为w2(t)+x2，其中，w2(t)为激光雷达装置的相对位置变化，x2为船体本身的高度。
步骤(3)中，对船体和海浪进行建模，得到海浪的周期变化表示为：
w1(t)＝w3(t)+w2(t)+x2-x1
其中，x1为浪本身的高度，x2为船体本身的高度，x1和x2与时间无关，可看作常量；根据测量的w3(t)和w2(t)计算得出海浪的变化情况w1(t)。
通过傅里叶变换后的频谱校正最终计算得到海浪高度的过程如下：
(3-1)海浪的周期变化w1(t)包含海浪在时域上的变化w4(t)，以及由于船的航行产生的误差w5(t)；具体公式如下：
w4(t)＝Ancos(knx-ωnt+δn)
w5(t)＝Ancos[kn(x+vt)-ωnt+δn]＝Ancos[knx+(knv-ωn)t+δn]
kn＝ωn/g2
其中，An、kn、ωn、δn分别表示第n个余弦波的波幅、波数、频率及相位，v表示船速，g表示重力加速度，knv表示船速对海浪测量带来的误差影响；
(3-2)通过对w5(t)进行傅里叶变换，结合船速v，从频域上将w5(t)进行校正：实测得到的w1(t)往往由于船速的存在，符合w5(t)的形式，利用频率上的差异，可以通过对w5(t)进行傅里叶变换，从频域上消除knv带来的影响，使其成为w4(t)的形式，从而消除船速带来的误差影响，具体公式如下：
Figure BDA0002500241260000041
Figure BDA0002500241260000042
Figure BDA0002500241260000043
根据校正后得到的海浪高度变化w4(t)，进一步计算得出浪高的峰值和谷值，即得到当前时刻的海浪高度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用的是改进后的船载海洋激光雷达，通过海洋激光雷达回波，得到船体与浪之间的相对变化，再根据系统中设置有的激光陀螺组合，得到船体自身的相对变化和倾斜角，以此进一步推算出浪的变化，并通过傅里叶变换后的频谱校正最后计算得到海浪高度。本发明克服了传统海浪测量方法中使用下水的传感器造成的不便；使用飞行器进行微波测量的繁琐操作以及不能随时随地下载卫星数据的问题，避免了人力、物力、财力的消耗，能够通过船载海洋激光雷达仪器在船上进行简易又实时的海浪高度测量，具有低成本、实时、高效等特点，拓宽了船载海洋激光雷达的应用。
附图说明
图1为本发明一种实时测量海浪高度的激光雷达装置的系统示意图。
图2为本发明一种实时测量海浪高度的方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中船载海洋激光雷达测量及LGU坐标轴示意图；
图4为本发明实施例中建立海浪与船模型的流程示意图。
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，一种实时测量海浪高度的激光雷达装置，包括激光发射系统、接收系统、数据采集处理系统、船体相对位置测量系统。激光发射系统包括激光器1、扩束镜2及转向棱镜3和转向棱镜4，能量探测模块5用来监测激光器工作稳定性；接收系统包括望远镜6和探测器7；数据采集处理系统包括计算机8、采集卡9以及增益调节模块10；船体相对位置测量系统包括有激光陀螺组合11，激光陀螺能够对敏感轴上的角速度有很高的测量精度。将三个敏感轴正交安装的激光陀螺封装在一起就构成一个激光陀螺组合(LGU)，它可以准确测量安装点的角速度，激光发射系统可以使用任意波长的激光。
数据采集处理系统分别与激光器1、探测器7和激光陀螺组合11电连接，用于采集发射系统、接收系统和船体相对位置测量系统的信号信息，计算机对采集的信息进行处理后得到海浪高度。
如图2所示，一种实时测量海浪高度的方法，包括以下步骤：
首先，使用改进后的船载海洋激光雷达装置，通过向海面发射激光并接收海面的漫反射信号，可从信号中提取出海面信息，经过计算可以得到激光雷达与海浪之间的关系；然后，结合海洋激光雷达装置中的激光陀螺组合，测量激光雷达的角速度，实现对激光雷达自身相对位置变化情况和倾斜角的实时测量；通过对船与海浪进行建模，通过傅里叶变换后的频谱校正最终计算得到海浪高度。
由于船载海洋激光雷达通常设置在船头，这里认为船体和激光雷达系统可以作为一个整体来看，根据得到的回波信号，利用飞行时间法可提取激光雷达与测量海面的距离信息，记为w3(t)，其可以表示为式(1)：
H＝ct/2                       (1)
式中，t为接收到激光雷达回波信号所需要的时间；c为光速；H为距离水面的高度，即所求的w3(t)。
其中，在使用激光雷达系统进行测量前和测量后，通过设置零米定标板的方式，来定标激光出射的0米位置。
图3示出了激光雷达测量回波信号计算得到的船体与浪的相对位置关系w3(t)存在的误差。假设实时测量海浪高度的激光雷达装置设置在A点，如果激光雷达垂直打向水面，如AB所示，得到的距离信息即为我们想要的船体与浪的相对位置关系；但由于浪的存在造成船体晃动，在船上使用的海洋激光雷达会倾斜入射水面，如AC所示，其根据倾斜角θ计算得到的船体与浪的相对位置关系表示为AB′，存在一个测量误差。其误差大小与浪的大小、船体本身有密切的关系。往往在浪高非常小的情况时，测量误差会偏大；而对于大概率出现的中等风浪和大风浪来说，该测量误差处在可以接受的范围内。
根据图3所示的激光雷达位置设置及LGU坐标轴示意图建立方程，激光陀螺组合与船载激光雷达系统一同放置在船头，激光雷达系统进行海洋回波的探测，而LGU输出该点的角速度方向和大小，记为w。其中oy指向船头方向，oz垂直船身中心指向上方，ox可根据右手螺旋定则进行判断。则该点的某时刻的激光入射倾斜角和船体位置可以根据角速度的大小及方向分别计算得到，列出方程(2)：
Figure BDA0002500241260000061
和方程(3)：
Figure BDA0002500241260000062
式中，r表示激光雷达设置位置距船体中心的距离，其大小与时间无关，可视作常量。因此能够根据激光陀螺组合输出的角速度方向和大小的变化，进一步计算可以得到激光雷达的相对位置变化w2(t)和倾斜角θ，船体的绝对位置关系变化记为相对位置变化和本身高度之和w2(t)+x2。
w1(t)以及海平面自身固定的高度x1之和，w1(t)对应图3中的B点的位置变化；由激光雷达回波信号可以求出船体距离水面的距离、高度及激光入射角度，可以得到船体与海浪之间的相对变化w3(t)，对应图3中AB或AB′段的变化；船体自身的位置变化信息可以根据船体相对位置测量系统得到，测量相对位置变化记为w2(t)，对应图3中A点的位置变化。
根据图4所示的建模流程示意图，将激光雷达回波信号中提取出的激光本身距离当前海面的距离信息w3(t)与当前时刻船身的状态信息w2(t)相结合，待求的浪的高度可以设为浪的周期变化w1(t)以及浪本身的高度x1之和，进而可以得到浪的周期变化可以表示为式(4)：
w1(t)＝w3(t)+w2(t)+x2-x1               (4)
其中，x1和x2由于与时间无关，可看作常量，因此根据测量的w3(t)和w2(t)可以计算得出海浪的变化情况w1(t)。
海浪的周期变化w1(t)不仅仅包含海浪在时域上的变化w4(t)，而往往还包含有由于船的航行产生的海浪在空间上的变化；根据Longuet-Higgins模型，海浪波动可以用无数个随机余弦波的叠加来描述，用w4(t)进行表示，而船的航行产生的误差影响体现在w5(t)中，具体公式如下：
w4(t)＝Ancos(knx-ωnt+δn)               (5)
w5(t)＝Ancos[kn(x+vt)-ωnt+δn]＝Ancos[knx+(knv-ωn)t+δn]    (6)
kn＝ωn/g2                       (7)
其中，An、kn、ωn、δn分别表示第n个余弦波的波幅、波数、频率及相位，v表示船速，knv表示船速对海浪测量带来的误差影响，g表示重力加速度。通过对w5(t)进行傅里叶变换，结合船速v，从频域上将w5(t)进行校正：实测得到的w1(t)往往由于船速的存在，符合w5(t)的形式，利用频率上的差异，可以通过对w5(t)进行傅里叶变换，从频域上消除knv带来的影响，使其成为w4(t)的形式，从而消除船速带来的误差影响，具体公式如下：
Figure BDA0002500241260000071
Figure BDA0002500241260000081
Figure BDA0002500241260000082
根据校正后得到的海浪高度变化w4(t)，进一步计算得出浪高的峰值和谷值，即得到当前时刻的海浪高度。
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 (3)

1.一种实时测量海浪高度的方法，其特征在于，使用实时测量海浪高度的激光雷达装置，所述的激光雷达装置安装在船体上，包括：
激光发射系统，包括激光器和扩束镜，用于向海面发射激光；
接收系统，包括望远镜和探测器，用于接收激光射向海面后产生的漫反射回波信号；
船体相对位置测量系统，包括激光陀螺组合，用于测量激光雷达装置的角速度；
数据采集处理系统，包括采集卡和计算机，采集卡分别与激光发射系统、接收系统和船体相对位置测量系统电连接，用于采集发射系统、接收系统和船体相对位置测量系统的信号信息，计算机对采集的信息进行处理后得到海浪高度；
实时测量海浪高度的方法包括以下步骤：
(1)使用激光发射系统向海面发射激光，接收系统实时接收激光射向海面后产生的漫反射信号；数据采集处理系统从接收系统接收的回波信号中计算激光雷达装置与测量海面的距离信息，记为w3(t)，计算公式如下：
H＝ct/2
式中，t为接收到激光雷达回波信号所需要的时间；c为光速；H为距离水面的高度，即所求的w3(t)；
(2)使用船体相对位置测量系统中的激光陀螺组合，测量激光雷达装置的角速度，数据采集处理系统实时获取激光雷达自身相对位置变化情况和倾斜角，并计算船体的绝对位置变化关系为w2(t)+x2，其中，w2(t)为激光雷达装置的相对位置变化，x2为船体本身的高度；
(3)根据步骤(1)和(2)计算得到的信息，对船体和海浪进行建模，并通过傅里叶变换后的频谱校正最终计算得到海浪高度；
其中，对船体和海浪进行建模，得到海浪的周期变化表示为：
w1(t)＝w3(t)+w2(t)+x2-x1
其中，x1为浪的平均高度，x2为船体的平均高度，x1和x2与时间无关，可看作常量；根据测量的w3(t)和w2(t)计算得出海浪的变化情况w1(t)；
通过傅里叶变换后的频谱校正最终计算得到海浪高度的过程如下：
(3-1)海浪的周期变化w1(t)不仅仅包含海浪在时域上的变化，还包含有由于船的航行产生的海浪在空间上的变化误差；海浪在时域上的变化用w4(t)表示，实测得到的受船速影响的海浪变化用w5(t)表示；具体公式如下：
w4(t)＝Ancos(knx-ωnt+δn)
w5(t)＝Ancos[kn(x+vt)-ωnt+δn]＝Ancos[knx-(ωn-knv)t+δn]
kn＝ωn/g2
其中，An、kn、ωn、δn分别表示第n个余弦波的波幅、波数、频率及相位，v表示船速，g表示重力加速度，knv表示船速对海浪测量带来的误差影响；
(3-2)通过对w5(t)进行傅里叶变换，结合船速v，从频域上将w5(t)进行校正：实测得到的w1(t)往往由于船速的存在，符合w5(t)的形式，利用频率上的差异，通过对w5(t)进行傅里叶变换，从频域上消除knv带来的影响，使其成为w4(t)的形式，从而消除船速带来的误差影响，具体公式如下：
Figure FDA0004117216330000021
Figure FDA0004117216330000022
Figure FDA0004117216330000023
根据校正后得到的海浪在时域上的高度变化w4(t)，进一步计算得出浪高的峰值和谷值，即得到当前时刻的海浪高度。
2.根据权利要求1所述的实时测量海浪高度的方法，其特征在于，所述的激光雷达装置安装在船体的船头位置，所述激光陀螺组合通过测量激光雷达装置的角速度来进一步计算倾角和相对位置变化。
3.根据权利要求1所述的实时测量海浪高度的方法，其特征在于，在使用激光雷达装置进行测量前和测量后，通过设置零米定标板的方式，来定标激光出射的0米位置。
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