CN111780726A - 海洋激光测深方法及系统 - Google Patents

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赵灵峰
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Abstract

本发明提供了一种海洋激光测深方法及系统，包括：对机载测深系统的激光信号传输特性进行分析，获取激光信号传输特性的变化趋势；根据所述激光信号传输特性的变化趋势，计算所述机载测深系统的参数，并根据所述机载测深系统的参数计算所述机载测试系统的最大深度探测指标；根据不同深度的所述激光信号传输特性及所述最大深度探测指标，形成对应不同深度的匹配滤波器，并形成自适应匹配滤波算法；通过仿真对比分析所述自适应匹配滤波算法与固定匹配滤波的测深精度指标，形成比对结果；根据所述比对结果调整所述机载测深系统的参数。

Description

海洋激光测深方法及系统
技术领域
本发明涉及海洋测深技术领域，特别涉及一种海洋激光测深方法及系统。
背景技术
近年来，随着我国特别是南海海洋开发的不断深入，急需对岛礁、近海大陆架、暗礁等海区进行精确测绘。近海海底的地形地貌测绘是通过覆盖一定海域、以一定间隔测点的海深测量实现的。它以深度基准面或平均海平面作为基准，以海域具体坐标点的水深值作为量度来反映海底的地貌信息。只有全面、准确地获得了目标水域的水深值，才能得到准确的该水域的海底地貌信息，因此，发展快速、准确的海洋测深方法就具有十分重要的意义。与传统的声呐等水声波测深技术相比，机载海洋激光测深系统具有高精度、高分辨率、灵活机动、快速高效和全覆盖的测深特点等诸多优点，尤其适用于船舶难以到达的浅海海域和岛礁水域作业，是实现海洋测绘的最经济、有效的手段。
根据国际海道测量规范IHO-44的要求，对于海洋测深精度应优于0.3m；在海水衰减系数优于0.2m-1时，要求机载海洋激光测深系统能在白天达到50m的穿透能力。海洋测绘中的最大探测深度指标主要受接收信噪比的影响，综合考虑海浪影响、探测器热噪声等因素后，可把海底可探测的最小信噪比(SNR)定义为3。海洋测绘中的测深精度指标主要受回波信号的定位精度影响，海洋激光雷达波形处理方法与陆地激光雷达不同，并且更加复杂。这是因为在进行陆地测绘时，空气对激光传播的影响几乎可以忽略，陆地波形通常被认为是多高斯回波的叠加，而激光在海洋中传播时，受到海气界面和水体吸收散射等影响，从而出现复杂的脉冲展宽，造成严重的波形失真，同时回波强度也随海水深度呈指数衰减。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海洋激光测深方法及系统，以解决现有的激光海洋测深定位精度较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种海洋激光测深方法及系统，包括：
对机载测深系统的激光信号传输特性进行分析，获取激光信号传输特性的变化趋势；
根据所述激光信号传输特性的变化趋势，计算所述机载测深系统的参数，并根据所述机载测深系统的参数计算所述机载测试系统的最大深度探测指标；
根据不同深度的所述激光信号传输特性及所述最大深度探测指标，形成对应不同深度的匹配滤波器，并形成自适应匹配滤波算法；
通过仿真对比分析所述自适应匹配滤波算法与固定匹配滤波的测深精度指标，形成比对结果；
根据所述比对结果调整所述机载测深系统的参数。
可选的，在所述的海洋激光测深方法中，所述激光信号传输特性包括激光信号经过信道传输后的脉冲展宽、激光信号经过信道传输后的能量衰减、以及激光信号经过信道传输后的光斑扩展。
可选的，在所述的海洋激光测深方法中，所述信道为依次经过的大气、海气界面、海水、海气界面及大气。
可选的，在所述的海洋激光测深方法中，设计所述机载测深系统的参数包括：
设置白天最大深度测量指标为50米，使所述机载测深系统的参数符合国际海道测量规范IHO-44的要求；
设置回波信号信噪比大于3，使所述机载测深系统的参数满足所述最大深度探测指标。
可选的，在所述的海洋激光测深方法中，对机载测深系统的激光信号传输特性进行分析，获取激光信号传输特性的变化趋势包括：
设置激光波长为532nm，激光峰值功率为108W，光斑半径为0.5cm，激光发散角为1mrad，初始脉冲宽度为2ns；
设置海底反射率为0.1，大气光学厚度为0.08，海面风速为10m/s；
利用实测海水数据，对飞机高度500m，水下深度10m～70m的回波信号进行蒙特卡罗仿真，分析不同海水深度下的激光传输特性变化。
可选的，在所述的海洋激光测深方法中，根据所述激光信号传输特性的变化趋势，计算所述机载测深系统的参数包括：
激光信号传输特性的变化趋势包括：激光信号经过信道传输后的能量衰减随海水深度的增加而呈指数倍衰减，激光信号经过信道传输后的光斑扩展随海水深度的增加而呈线性扩展，获得接收平面光斑仿真结果；
所述接收平面光斑仿真结果作为机载测深系统接收参数计算的输入条件；
激光信号传输特性的变化趋势还包括：激光信号经过信道传输后的脉冲展宽在不同深度下，回波信号脉冲展宽及失真随海水深度的增长而增加，获得不同深度回波信号脉冲展宽；
所述不同深度回波信号脉冲展宽作为自适应匹配滤波算法的输入条件。
可选的，在所述的海洋激光测深方法中，根据所述机载测深系统的参数计算所述机载测试系统的最大深度探测指标包括：
所述最大深度探测指标由回波信号信噪比决定，回波信号信噪比为：
Figure BDA0002572796220000031
其中，Ps为通过蒙特卡罗仿真获得的回波信号光功率，B＝50MHz为探测器电子学频宽，id＝2nA为探测器暗电流，S(λ)＝0.4A/W为探测器的响应度；
k为波尔兹曼常量，T为探测器工作温度，R为负载电阻，Pb为背景光噪声功率。
可选的，在所述的海洋激光测深方法中，所述背景光噪声功率由大气辐射分析模块仿真得到，水质透射窗口的波段通过选择激光波长以改善回波信号信噪比；
当水质透射窗口的绿光波段时，激光波长λ＝518.5nm，白天的背景噪声辐射量为IB＝0.01458W·cm-2·sr-1·μm-1；
当水质透射窗口的蓝光波段时，激光波长λ＝486.2nm，白天的背景噪声辐射量为IB＝0.01869W·cm-2·sr-1·μm-1；
所述背景光噪声功率为：
Figure BDA0002572796220000041
其中r与θfov分别为接收半径与接收视场角。Δλ为滤光片带宽，滤光片用于滤除带外背景；
随着测距深度的增加，增加接收孔径以增加回波信号信噪比；
结合SNR>3的最大深度探测指标，r＝30cm，θfov＝50mrad时，所述机载测深系统的白天最大深度探测指标为50m，夜晚最大深度探测指标为70m。
可选的，在所述的海洋激光测深方法中，根据不同深度的所述激光信号传输特性及所述最大深度探测指标，形成对应不同深度的匹配滤波器，并形成自适应匹配滤波算法包括：
根据所述不同深度回波信号脉冲展宽，匹配波形y(t)由二项指数函数叠加表示为：
y(t)＝a exp(bt)+c exp(dt)
其中，t为回波信号时间：
所述回波信号时间与深度h的换算关系为：
Figure BDA0002572796220000042
其中，n为海水折射率，c为真空中光速；
对海水深度10m至70m的回波信号波形进行最小绝对值残差法拟合，根据不同深度回波信号波形设计的不同匹配波形用于自适应匹配滤波算法，提高机载测深系统测深精度；
对任意时刻的回波信号，计算回波信号波形与匹配波形在匹配窗口宽度内所有采样点的均方根误差：
Figure BDA0002572796220000051
其中，τ为匹配窗口宽度，根据所述不同深度回波信号脉冲展宽，设置τ＝200ns，τN为采样间隔，以模数转换器采样率为10Gsps计算，则N＝2000，y(t)为匹配波形；
测距精度为：
Figure BDA0002572796220000052
其中ΔRc为测时电路中的时间测量电路变化引起的测距误差；
探测器输出脉冲匹配的测距误差ΔRs为：
Figure BDA0002572796220000053
Figure BDA0002572796220000054
为选取D(t)为最小值时的时刻t，t0为回波信号的真值时间，则回波信号的测时误差为：
Figure BDA0002572796220000055
对10m至70m深度的回波信号进行仿真，分别采用自适应匹配滤波算法与固定匹配滤波算法进行波形位置提取。
可选的，在所述的海洋激光测深方法中，通过仿真对比分析所述自适应匹配滤波算法与固定匹配滤波的测深精度指标，形成比对结果，根据所述比对结果调整所述机载测深系统的参数包括：
对于深度小于20m的浅海测绘，采用自适应匹配滤波算法或固定匹配滤波进行探测，消除测时电路中的时间测量电路变化引起的测深/测距误差和大气信道引起的测距误差以提升精度；
对于深度大于20m的深海测绘，采用自适应匹配滤波算法消除激光衰减提升精度；
对于最大深度探测，白天50m水深情况下，采用自适应匹配滤波算法消除激光衰减提升精度。
本发明还提供一种实施如上任一项所述的海洋激光测深方法的系统。
在本发明提供的海洋激光测深方法及系统中，根据从波形失真的回波信号中准确定位激光信号的位置是测深精度的关键，通过将采用实测水质数据对回波信号进行蒙特卡罗(Monte Carlo)仿真，利用蒙特卡罗仿真激光脉冲展宽结果设计自适应匹配滤波器，对不同深度的回波信号进行自适应匹配滤波，提高测深精度。
附图说明
图1是本发明一实施例中的不同深度海水衰减系数与吸收系数；
图2是本发明另一实施例中的接收平面光斑扩展；
图3是本发明另一实施例中的不同深度下回波信号脉冲展宽；
图4是本发明另一实施例中的白天背景光噪声辐射光谱；
图5是本发明另一实施例中的不同接收参数、不同接收时间、不同深度下的接收信噪比；
图6是本发明另一实施例中的不同深度匹配波形；
图7是本发明另一实施例中的自适应匹配滤波算法与固定匹配滤波算法在白天与夜晚的测深精度对比；
图8是本发明另一实施例海洋激光测深方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的海洋激光测深方法及系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种海洋激光测深方法及系统，以解决现有的激光海洋测深定位精度较低的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种海洋激光测深方法及系统，包括：对机载测深系统的激光信号传输特性进行分析，获取激光信号传输特性的变化趋势；根据所述激光信号传输特性的变化趋势，计算所述机载测深系统的参数，并根据所述机载测深系统的参数计算所述机载测试系统的最大深度探测指标；根据不同深度的所述激光信号传输特性及所述最大深度探测指标，形成对应不同深度的匹配滤波器，并形成自适应匹配滤波算法；通过仿真对比分析所述自适应匹配滤波算法与固定匹配滤波的测深精度指标，形成比对结果；根据所述比对结果调整所述机载测深系统的参数。
<实施例一>
本发明首先对机载测深系统的激光信号传输特性展开分析，详细分析激光信号经过大气-海气界面-海水-海气界面-大气的信道传输后的脉冲展宽、能量衰减和光斑扩展；其次根据以激光传输特性的变化指导系统参数设计，以白天最大测量深度50米为标准，设计机载激光测深系统参数以满足国际海道测量规范IHO-44的要求，并类推出系统的夜晚最大深度探测指标；在此基础上，根据不同深度回波信号特性设计对应匹配滤波器，并设计自适应匹配滤波算法；最后，通过仿真对比分析自适应匹配滤波算法与固定匹配滤波的测深精度指标，为进一步提升机载海洋激光测深系统的性能提供新的技术途径。
具体的，激光信号传输特性分析包括：根据国际海道测量规范IHO-44的要求，在海水衰减系数优于0.2m-1时，要求机载海洋激光测深系统能在白天达到50m的穿透能力。本节利用实测海水数据，对飞机高度500m，水下深度10～70m的回波信号进行蒙特卡罗仿真，分析不同海水深度下的激光传输特性变化。
在机载海洋测深中，激光信号会依次经过大气、海气界面和海水到达海底发生反射，再经过海水、海气界面和大气传输至接收平面(飞机所处平面)。激光传输信道复杂，大气信道会对激光脉冲产生双程的吸收，海气界面由于海水和风的运动，海面通常处于波涛起伏的状态，在海平面不同位置光子包会根据海平面法线抽样发生折射进入海水。海水信道对激光具有吸收和散射作用，这会造成远场激光空间分布展宽、发散角弥散、能量衰减以及脉冲展宽。
蒙特卡罗仿真时所需的参数主要分为激光脉冲参数、信道参数和接收条件三类。激光脉冲参数主要包括波长、峰值功率、光斑大小、远场发散角和初始脉冲宽度。蓝绿波段为海水的透射窗口，考虑到海洋测绘中的最大测深指标，光源需要峰值功率高的激光器，结合脉冲激光器的研究现状，将光源参数设计为激光波长532nm、激光峰值功率108W、光斑半径0.5cm、激光发散角1mrad、初始脉冲宽度2ns。海底反射率0.1，大气光学厚度0.08，飞机高度500m，海面风速10m/s。与海水信道蒙特卡罗仿真有关的信道参数包括衰减系数c、吸收系数a以及不对称因子g，g＝0.924可以很好地符合绝大多数海水情况。水质参数采用实测水质，如图1所示。
光斑空域扩展仿真结果如图2所示，由于激光脉冲经过500m大气传输，再经过海水的吸收和散射，最后经过500m大气传输到达接收平面。从仿真结果可以看出，由于受海水强吸收的影响，光斑总能量随海水深度的增加而呈指数倍衰减。光斑在经过10m至70m水深后最终扩展成半径9.3m至327.6m的大光斑，光斑空域随海水深度的增加而快速扩展。光斑扩展的本质原因在于激光信号经过海水信道后的强散射使其发散角弥散，因此接收孔径和接收视场角都会对接收信噪比产生影响，图2所获得的接收平面光斑仿真结果将作为机载海洋激光测深系统接收参数设计的输入条件。
受海水信道强吸收与强散射的影响，回波信号除了强度随海水深度的增加呈指数倍衰减、光斑随深度的增加而扩展外，激光信号的回波波形也会出现展宽和失真。利用蒙特卡罗法进行激光传输仿真，不同深度下的回波信号波形如图3所示。从图3中可以看出，脉冲展宽、失真随海水深度的增长而加剧，脉宽由原始脉宽2ns进入海水后从10m水深25.4ns展宽到101.6ns。根据脉冲展宽仿真结果，波形由原始的高斯波形逐渐变成上升沿陡，下降沿缓的波形，此时采用原始波形作为固定匹配滤波波形会产生较大的脉冲定位误差，影响测深精度。图3所获得的不同深度回波信号脉冲展宽将作为自适应匹配算法设计的输入条件。
进一步的，系统接收参数设计包括：机载激光测深系统的最大测量深度由信噪比决定，根据第一节的仿真分析，由于回波信号的光斑扩展及发散角弥散，接收信噪比将受接收孔径及接收视场角的影响，同时也受噪声的影响。噪声主要由散粒噪声、暗电流、热噪声和背景光噪声构成。最大探测深度由回波信号信噪比决定，信噪比表达式如式(1)所示。
Figure BDA0002572796220000091
其中，Ps为信号光功率，本发明中回波信号功率通过蒙特卡罗仿真获得。式中B为探测器电子学频宽，其大小取50MHz，id＝2nA为探测器暗电流，S(λ)＝0.4A/W为探测器的响应度。k为波尔兹曼常量，T为探测器工作温度，R为负载电阻。Pb为背景光噪声功率，背景光噪声由大气辐射分析软件(Modtran)仿真得到，白天时背景噪声辐射量光谱如图4所示。对于机载海洋激光测深系统选用的532nm波段，其白天背景噪声辐射量为IB＝0.03429W·cm-2·sr-1·μm-1，夜间噪声辐射量为IB＝0.03429μW·cm-2·sr-1·μm-1。从图4中可以看出，Jerlov IB、II类水质透射窗口的绿光波段，当波长λ＝518.5nm时，白天的背景噪声辐射量为IB＝0.01458W·cm-2·sr-1·μm-1，相较于λ＝532nm波段，信噪比可以提升3.71dB。对于优于Jerlov IB水质透射窗口的蓝光波段，当波长λ＝486.2nm时，白天的背景噪声辐射量为IB＝0.01869W·cm-2·sr-1·μm-1，相较于λ＝532nm波段，信噪比可以提升2.64dB。上述两种波段都处于弗朗禾费暗线，可以通过波长的选择大幅改善信噪比，但目前在λ＝518.5nm和λ＝486.2nm波段针对海洋测绘的高峰值功率脉冲激光器研发尚不成熟，因此本发明系统中仍选用λ＝532nm波段激光器，可将上述两个波段作为未来海洋激光测绘的激光器关键技术开展技术攻关。背景光噪声功率由式(2)计算：
Figure BDA0002572796220000092
其中r与θfov分别为接收半径与接收视场角。Δλ为滤光片带宽，滤光片用于滤除带外背景光，Δλ越小越好，综合考虑目前窄带滤光片的工艺难度，选取带宽为0.5nm的滤光片。
不同接收孔径和接收视场在不同测距深度下的信噪比如图5所示，从图5中可以看出，随着深度的增加，接收信号功率呈指数倍衰减。从图5(a)、5(c)中可以看出，由于光斑扩展，增加接收口径会增加信噪比，越大效果越好，但考虑机载、星载平台条件，不宜过大；从图5(b)，5(d)中可以看出白天扩大视场角，背景光接收也随之增多，信噪比几乎没有改善，夜晚增大视场角有明显改善。结合SNR>3的最大深度探测标准，r＝30cm，θfov＝50mrad时，白天50m深度信噪比为4.459，夜晚70m深度信噪比为3.81，机载海洋激光测深系统可以实现白天50m，夜晚70m的最大探测深度。
根据本节分析，机载海洋激光测深系统参数设置如表1所示可以满足飞机高度500m时，白天最大测深深度50m，夜晚最大测深深度70m的指标。
表1机载海洋激光测深系统参数
参数名称 参数值
波长 532nm
激光峰值功率 10<sup>6</sup>W
发射光斑半径 0.5cm
激光发散角 1mrad
滤光片带宽 0.5nm
初始脉冲宽度 2ns
接收半径 30cm
接收视场角 50mrad
另外，自适应匹配滤波算法设计包括：根据第一节图3所示脉冲展宽仿真结果，波形由原始的高斯波形逐渐变成上升沿陡，下降沿缓的波形，匹配波形y(t)可由二项指数函数叠加表示，表达式如式(3)所示。t为回波信号时间，其与深度h的换算关系如式(4)所示，其中，n为海水折射率，c为真空中光速。
y(t)＝a exp(bt)+c exp(dt) (3)
Figure BDA0002572796220000101
对海水深度10m至70m的回波波形进行最小绝对值残差法(Least-absolute-residuals)拟合，各参数拟合结果如表2所示，七种深度拟合的均方根误差(RMSE)均小于10-5，对应的脉冲展宽波形如图6所示。根据不同深度回波波形设计的不同匹配波形，可以用于自适应匹配滤波算法，提高机载海洋激光测深系统测深精度。
表2不同深度对应匹配波形参数
h/m 0～15 15～25 25～35 35～45 45～55 55～65 65～75
t/ns 0～134 134～223 223～313 313～402 402～491 491～581 581～670
a 5.3e-4 9.05e-4 2.1e-4 5.6e-5 1.4e-5 2.7e-6 9.3e-07
b -3.8e-2 -3.0e-2 -2.6e-2 -2.7e-2 -2.4e-2 -2.2e-2 -2.2e-2
c 1.1e-3 -3.2e-4 -1.5e-4 -5.3e-5 -1.4e-5 -3.1e-6 -9.8e-7
d -2.7e-2 -0.1417 -0.1497 -0.112 -7.8e-2 -7.9e-2 -4.5e-2
RMSE 4.2e-08 1.11e-07 1.38e-07 3.83e-07 4.23e-07 1.76e-06 3.17e-06
对任意时刻的回波信号，计算回波波形与匹配波形在匹配窗口宽度内所有采样点的均方根误差，如式(5)所示
Figure BDA0002572796220000111
其中，τ为匹配窗口宽度，根据脉冲展宽仿真结果，取τ＝200ns可满足测距深度要求，τN为采样间隔，以模数转换器(ADC)采样率为10Gsps计算，则N＝2000，y(t)为匹配波形。测距精度由式(6)计算，
Figure BDA0002572796220000112
式中ΔRc为测时电路中的时间测量电路变化引起的测距误差。激光雷达系统采用飞行时间测量方法测量目标的距离，采用高精度时间测量芯片(TDC)测量激光脉冲的飞行时间，测试精度可达27ps，对应的海洋测距精度为3mm。ΔRs为探测器输出脉冲匹配的测距误差。ΔRs可由式(7)计算。
Figure BDA0002572796220000113
Figure BDA0002572796220000114
记为选取D(t)为最小值时的时刻t，t0为回波信号的真值时间，则回波信号的测时误差表示如式(8)所示
Figure BDA0002572796220000121
对10m至70m深度的回波信号进行仿真，分别采用自适应匹配滤波算法与固定匹配滤波算法进行波形位置提取，白天与夜晚的测深精度仿真如图7所示。
从图7的仿真结果可以得出以下三个结论：
1)对于深度小于20m的浅海测绘，由于信噪比较高，且激光脉冲展宽不明显，自适应算法与固定匹配滤波性能接近，此时无论选择何种匹配算法对探测精度影响较小，探测精度主要受限于测时电路中的时间测量电路变化引起的测深/测距误差和大气信道引起的测距误差。
2)对于深海测绘，由于激光衰减强烈，导致接收信噪比降低，且激光脉冲出现明显的波形展宽与失真，测距精度开始明显下降。由于自适应匹配滤波器根据深度自适应选择波形进行匹配，相较于固定匹配滤波有显著的测距精度提高，且深度越大，波形失真越大，自适应匹配滤波器对测距精度的提升越明显。
3)对于最大深度探测，白天50m水深情况下，自适应匹配滤波相较于固定匹配滤波算法可将测距精度从206mm提高到166mm，精度提高40mm。夜晚70m水深情况下，自适应匹配滤波相较于固定匹配滤波算法可将测距精度从239mm提高到172mm，精度提高67mm。
本发明通过采用实测水质结合蒙特卡罗仿真分析了不同深度下回波信号空间扩展、能量衰减以及脉冲个展宽，并结合信噪比优于3的标准进行机载海洋测深系统参数设计。根据仿真结果，所设计系统参数能实现白天最大测深深度50m，夜间最大测深深度70m的测深性能，满足国际海道测量规范IHO-44的要求。根据不同深度的回波波形设计了自适应匹配滤波算法，白天50m水深情况下，自适应匹配滤波相较于固定匹配滤波算法可将测距精度从206mm提高到166mm，精度提高40mm。夜晚70m水深情况下，自适应匹配滤波相较于固定匹配滤波算法可将测距精度从239mm提高到172mm，精度提高67mm。基于自适应匹配滤波算法的高精度激光测深技术可以在满足我国南海近海大陆架的测绘要求。
从背景光噪声辐射光谱的分析中可以看出，选用弗朗禾费暗线的λ＝518.5nm和λ＝486.2nm作光源可以大幅改善信噪比，开展λ＝518.5nm和λ＝486.2nm的高功率脉冲激光器关键技术攻关有望为未来海洋激光测绘提供更高的测绘深度和精度，进一步完善和提升机载海洋激光测深系统的性能。
综上，上述实施例对海洋激光测深方法及系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种海洋激光测深方法，其特征在于，包括：
对机载测深系统的激光信号传输特性进行分析，获取激光信号传输特性的变化趋势；
根据所述激光信号传输特性的变化趋势，计算所述机载测深系统的参数，并根据所述机载测深系统的参数计算所述机载测试系统的最大深度探测指标；
根据不同深度的所述激光信号传输特性及所述最大深度探测指标，形成对应不同深度的匹配滤波器，并形成自适应匹配滤波算法；
通过仿真对比分析所述自适应匹配滤波算法与固定匹配滤波的测深精度指标，形成比对结果；
根据所述比对结果调整所述机载测深系统的参数。
2.如权利要求1所述的海洋激光测深方法，其特征在于，所述激光信号传输特性包括激光信号经过信道传输后的脉冲展宽、激光信号经过信道传输后的能量衰减、以及激光信号经过信道传输后的光斑扩展。
3.如权利要求2所述的海洋激光测深方法，其特征在于，所述信道为依次经过的大气、海气界面、海水、海气界面及大气。
4.如权利要求1所述的海洋激光测深方法，其特征在于，设计所述机载测深系统的参数包括：
设置白天最大深度测量指标为50米，使所述机载测深系统的参数符合国际海道测量规范IHO-44的要求；
设置回波信号信噪比大于3，使所述机载测深系统的参数满足所述最大深度探测指标。
5.如权利要求1所述的海洋激光测深方法，其特征在于，对机载测深系统的激光信号传输特性进行分析，获取激光信号传输特性的变化趋势包括：
设置激光波长为532nm，激光峰值功率为108W，光斑半径为0.5cm，激光发散角为1mrad，初始脉冲宽度为2ns；
设置海底反射率为0.1，大气光学厚度为0.08，海面风速为10m/s；
利用实测海水数据，对飞机高度500m，水下深度10m～70m的回波信号进行蒙特卡罗仿真，分析不同海水深度下的激光传输特性变化。
6.如权利要求1所述的海洋激光测深方法，其特征在于，根据所述激光信号传输特性的变化趋势，计算所述机载测深系统的参数包括：
激光信号传输特性的变化趋势包括：激光信号经过信道传输后的能量衰减随海水深度的增加而呈指数倍衰减，激光信号经过信道传输后的光斑扩展随海水深度的增加而呈线性扩展，获得接收平面光斑仿真结果；
所述接收平面光斑仿真结果作为机载测深系统接收参数计算的输入条件；
激光信号传输特性的变化趋势还包括：激光信号经过信道传输后的脉冲展宽在不同深度下，回波信号脉冲展宽及失真随海水深度的增长而增加，获得不同深度回波信号脉冲展宽；
所述不同深度回波信号脉冲展宽作为自适应匹配滤波算法的输入条件。
7.如权利要求6所述的海洋激光测深方法，其特征在于，根据所述机载测深系统的参数计算所述机载测试系统的最大深度探测指标包括：
所述最大深度探测指标由回波信号信噪比决定，回波信号信噪比为：
Figure FDA0002572796210000021
其中，Ps为通过蒙特卡罗仿真获得的回波信号光功率，B＝50MHz为探测器电子学频宽，id＝2nA为探测器暗电流，S(λ)＝0.4A/W为探测器的响应度；
k为波尔兹曼常量，T为探测器工作温度，R为负载电阻，Pb为背景光噪声功率。
8.如权利要求7所述的海洋激光测深方法，其特征在于，所述背景光噪声功率由大气辐射分析模块仿真得到，水质透射窗口的波段通过选择激光波长以改善回波信号信噪比；
当水质透射窗口的绿光波段时，激光波长λ＝518.5nm，白天的背景噪声辐射量为IB＝0.01458W·cm-2·sr-1·μm-1；
当水质透射窗口的蓝光波段时，激光波长λ＝486.2nm，白天的背景噪声辐射量为IB＝0.01869W·cm-2·sr-1·μm-1；
所述背景光噪声功率为：
Figure FDA0002572796210000031
其中r与θfov分别为接收半径与接收视场角。Δλ为滤光片带宽，滤光片用于滤除带外背景；
随着测距深度的增加，增加接收孔径以增加回波信号信噪比；
结合SNR>3的最大深度探测指标，r＝30cm，θfov＝50mrad时，所述机载测深系统的白天最大深度探测指标为50m，夜晚最大深度探测指标为70m。
9.如权利要求7所述的海洋激光测深方法，其特征在于，根据不同深度的所述激光信号传输特性及所述最大深度探测指标，形成对应不同深度的匹配滤波器，并形成自适应匹配滤波算法包括：
根据所述不同深度回波信号脉冲展宽，匹配波形y(t)由二项指数函数叠加表示为：
y(t)＝a exp(bt)+c exp(dt)
其中，t为回波信号时间：
所述回波信号时间与深度h的换算关系为：
Figure FDA0002572796210000032
其中，n为海水折射率，c为真空中光速；
对海水深度10m至70m的回波信号波形进行最小绝对值残差法拟合，根据不同深度回波信号波形设计的不同匹配波形用于自适应匹配滤波算法，提高机载测深系统测深精度；
对任意时刻的回波信号，计算回波信号波形与匹配波形在匹配窗口宽度内所有采样点的均方根误差：
Figure FDA0002572796210000041
其中，τ为匹配窗口宽度，根据所述不同深度回波信号脉冲展宽，设置τ＝200ns，τN为采样间隔，以模数转换器采样率为10Gsps计算，则N＝2000，y(t)为匹配波形；
测距精度为：
Figure FDA0002572796210000042
其中ΔRc为测时电路中的时间测量电路变化引起的测距误差；
探测器输出脉冲匹配的测距误差ΔRs为：
Figure FDA0002572796210000043
Figure FDA0002572796210000044
为选取D(t)为最小值时的时刻t，t0为回波信号的真值时间，则回波信号的测时误差为：
Figure FDA0002572796210000045
对10m至70m深度的回波信号进行仿真，分别采用自适应匹配滤波算法与固定匹配滤波算法进行波形位置提取。
10.如权利要求7所述的海洋激光测深方法，其特征在于，通过仿真对比分析所述自适应匹配滤波算法与固定匹配滤波的测深精度指标，形成比对结果，根据所述比对结果调整所述机载测深系统的参数包括：
对于深度小于20m的浅海测绘，采用自适应匹配滤波算法或固定匹配滤波进行探测，消除测时电路中的时间测量电路变化引起的测深/测距误差和大气信道引起的测距误差以提升精度；
对于深度大于20m的深海测绘，采用自适应匹配滤波算法消除激光衰减提升精度；
对于最大深度探测，白天50m水深情况下，采用自适应匹配滤波算法消除激光衰减提升精度。
11.一种实施如权利要求1～10中任一项所述的海洋激光测深方法的系统。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112859099A (zh) * 2021-02-25 2021-05-28 哈尔滨工业大学 云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统
CN116594045A (zh) * 2023-01-30 2023-08-15 中国科学院国家空间科学中心 一种弹载探测器高度测量方法、装置、设备和介质

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GIOVANNI JACOVITTI: "《Discrete Time Techniques for Time Delay Estimation》", 《IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING》 *
亓超: "《基于分层异构模型的机载激光测深波形拟合算法》", 《红外与激光工程》 *
刘梦庚: "《海洋激光雷达的自适应深度提取算法》", 《中国激光》 *
汪权东: "《机载海洋激光测深系统参量设计与最大探测深度能力分析》", 《光学学报》 *
王雅培: "《星载激光测高仪海面回波的仿真与分析》", 《科学技术与工程》 *
罗远: "《基于声光扫描的三维视频激光雷达技术》", 《中国激光》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112859099A (zh) * 2021-02-25 2021-05-28 哈尔滨工业大学 云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统
CN112859099B (zh) * 2021-02-25 2023-11-10 哈尔滨工业大学 云雾环境中基于环形分离器实时补偿的高精度测距系统
CN116594045A (zh) * 2023-01-30 2023-08-15 中国科学院国家空间科学中心 一种弹载探测器高度测量方法、装置、设备和介质
CN116594045B (zh) * 2023-01-30 2023-11-14 中国科学院国家空间科学中心 一种弹载探测器高度测量方法、装置、设备和介质

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