CN115267753A - 一种水下激光雷达标定方法和设备 - Google Patents

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CN115267753A CN202211170146.1A CN202211170146A CN115267753A CN 115267753 A CN115267753 A CN 115267753A CN 202211170146 A CN202211170146 A CN 202211170146A CN 115267753 A CN115267753 A CN 115267753A
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Abstract

本申请涉及激光雷达标定技术领域，具体而言，涉及一种水下激光雷达标定方法和设备，一定程度上可解决难以对水下激光雷达信号进行稳定且高精度标定的问题。所述标定方法包括：将水下激光雷达标定设备下放至标定用水体中，水下激光雷达标定设备用于在测量时，接收从容纳有水下不同水层水体的透光体中发出的出射光线和散射光线的辐射亮度值；基于出射光线和散射光线的辐射亮度值分别确定第一水体光束衰减系数和第一后向散射系数；通过激光雷达测得第二水体光束衰减系数和第二后向散射系数；基于多个第一水体光束衰减系数和第二水体光束衰减系数确定第一计算式，基于多个第一后向散射系数和第二后向散射系数确定第二计算式，完成水下激光雷达标定。

Description

一种水下激光雷达标定方法和设备
技术领域
本申请涉及激光雷达标定技术领域，具体而言，涉及一种水下激光雷达标定方法和设备。
背景技术
水下激光雷达遥感是对地观测领域前沿技术之一，具有非直接接触水体、直接快速获取水下水体三维光学、水质信息的优势，在环保、水利等行业有着巨大应用潜力。随着硬件系统的不断成熟，水下激光雷达技术在推动大规模遥感应用的同时，对水体光学的深入理解和信息定量化反演提出更高需求。
激光雷达信号“矫正”装置是理解激光脉冲在水下场景内的光场分布、建立激光雷达信号与水质参数间定量关系的重要桥梁，为解决激光雷达定量遥感诸多难题，如水下逐层光学参数、悬浮物等水质信息定量反演等，提供了重要工具。
然而现有技术在测量水下逐层光学参数标定水下激光雷达时，水下逐层光学参数如水体逐层的后向散射系数、光束衰减系数，水下逐层水质参数（如悬浮物和叶绿素浓度等），多采用通过垂直采样器采集水下逐层水样，然后将水样送至实验室进行检测，最后用测量的水下逐层光学参数对激光雷达进行标定的方法。该方法存在的弊端有：
将利用垂直采样器等方法获取的水样经过封装、运输到实验室后再采用国标法测量的水下逐层光学参数与利用激光雷达原位方法测量的瞬时水体光学剖面信息，由于沉淀、光降解、藻类状态变化等原因，可能存在测量结果有偏差的问题，因此难以对水下激光雷达进行稳定的、高精度的矫正与标定。
发明内容
为了解决现有技术测量得到的水质参数与激光雷达原位法测量的瞬时水体光学剖面信息之间存在偏差，导致难以对水下激光雷达信号进行稳定且高精度标定的问题，本申请提供了一种水下激光雷达标定方法和设备。
本申请的实施例是这样实现的：
本申请实施例提供一种水下激光雷达标定方法，包括：
将水下激光雷达标定设备垂直于水平面并下放至标定用水体中，所述水下激光雷达标定设备包括沿标定用水体的深度方向均匀间隔预设距离布置的多个辐射亮度值测量装置，每个所述辐射亮度值测量装置包括光源、透光体、第一光接收器和第二光接收器，所述第一光接收器和所述第二光接收器分别用于在测量时，接收从容纳有水下不同水层水体的所述透光体中发出的出射光线和散射光线的辐射亮度值；
基于所述出射光线和散射光线的辐射亮度值分别确定所述标定用水体预设层每层的第一水体光束衰减系数和90°侧向散射系数，所述90°侧向散射系数用于计算得到第一后向散射系数；
通过激光雷达测得所述标定用水体预设层每层的第二水体光束衰减系数和第二后向散射系数；
基于多个所述第一水体光束衰减系数和对应的多个所述第二水体光束衰减系数确定第一计算式，以及基于多个所述第一后向散射系数和对应的多个所述第二后向散射系数确定第二计算式，完成水下激光雷达标定。
在本申请中，所述完成水下激光雷达标定后，所述方法还包括：
利用激光雷达测量待测水层，得到由激光雷达测量的水体光束衰减系数和后向散射系数；
将由激光雷达测量的水体光束衰减系数和后向散射系数分别代入第一计算式和第二计算式中，分别得到所述待测水层的水体光束衰减系数和后向散射系数。
在本申请中，所述方法还包括：
基于所述待测水层的后向散射系数确定所述待测水层的90°侧向散射系数；
基于所述待测水层的90°侧向散射系数计算所述待测水层的浊度；
基于所述浊度计算所述待测水层的悬浮物浓度、有机悬浮物浓度和无机悬浮物浓度。
在本申请中，所述激光雷达的垂直距离分辨率的数值等于所述预设距离。
本申请的又一实施例提供一种水下激光雷达标定设备，包括：
管体；
与所述管体一端连接的杆体；
沿所述杆体的轴向设置有多个均匀间隔预设距离的辐射亮度值测量装置；
每个所述辐射亮度值测量装置包括：透光体、光源、第一光接收器和第二光接收器；
所述透光体设置有内腔，所述内腔用于在测量时容纳水；所述第一光接收器和所述第二光接收器分别用于在测量时，接收从容纳有水的所述透光体中散射出的光；
在所述透光体外，在距离所述透光体第一侧面的第一预设距离处设置有所述光源、在距离所述透光体第二侧面的第二预设距离处设置有所述第一光接收器、以及距离所述透光体底面的第三预设距离处设置有所述第二光接收器；
所述第一侧面与所述第二侧面相对，所述光源与所述第一光接收器相对。
在本申请中，所述杆体上连接有滑杆，所述滑杆的轴线与所述杆体的轴线平行；
所述滑杆包括滑杆本体和与所述滑杆本体滑动连接的多个滑台，所述滑台上安装有所述辐射亮度值测量装置，通过滑动所述滑台调节相邻两个所述辐射亮度值测量装置之间的间隔距离。
在本申请中，所述管体为可伸缩管，所述可伸缩管包括外管、内管和卡件；
所述内管一端连接所述杆体；
所述外管内套接有所述内管，所述外管的内径与所述内管的外径匹配；
所述外管上设置有孔，所述内管的外表面沿轴向设置间隔均匀的多个卡槽，在将所述可伸缩管调节到预设长度时，将所述卡件通过所述孔与所述卡槽相抵接，使得所述内管与所述外管内相对固定；
所述可伸缩管远离所述杆体的一端设置有手柄。
在本申请中，所述管体包括第一管和第二管，所述第一管的内壁设置有螺纹，所述第二管的外壁设置有螺纹，所述第一管的内径与所述第二管的外径匹配，所述第二管在所述第一管内且与第一管螺纹连接。
在本申请中，所述第一光接收器和所述第二光接收器可以为辐射亮度探测器、分光光度计或者光电探测二极管。
在本申请中，所述透光体由玻璃制成，所述透光体为仅有侧面的长方体或正方体。
本申请的有益效果：通过水下激光雷达标定设备能够即时测量得到第一水体光束衰减系数和第一后向散射系数，测量结果准确度高且可一次性测量多个水层，测量效率高；通过高准确度、高精度的第一水体光束衰减系数和第一后向散射系数对水下激光雷达进行标定，实现对水下激光雷达信号稳定、高精度标定的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种水下激光雷达标定方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种水下激光雷达标定设备的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的辐射亮度值测量装置的俯视图；
图4为本申请实施例提供的又一种水下激光雷达标定设备的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一束单色窄光辐射通量穿过厚度为均质水体自然水体中的示意图；
图6为本申请实施例提供的二氧化硅颗粒混悬在四种粒径下的散射相函数分布图。
图示说明：
其中，100、水下激光雷达标定设备；
110、管体；111、外管；112、内管；113、卡件；114、卡槽；
120、杆体；
130、辐射亮度值测量装置；131、透光体；132、第一光接收器；133、第二光接收器；134、光源；135、内腔；
140、滑杆本体。
具体实施方式
为使本申请的目的、实施方式和优点更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，本申请中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本申请的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。
术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的所有组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。
术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
图1示出了一种水下激光雷达标定方法的流程图，如图1所示，本申请实施例提供一种水下激光雷达标定方法，通过以下步骤实现：
在步骤100中，将水下激光雷达标定设备垂直于水平面并下放至标定用水体中，水下激光雷达标定设备包括沿标定用水体的深度方向均匀间隔预设距离布置的多个辐射亮度值测量装置130，每个辐射亮度值测量装置130包括透光体131、第一光接收器132、第二光接收器133，和光源134；第一光接收器132和第二光接收器133分别用于在测量时，接收从容纳有水下不同水层水体的透光体131中发出的出射光线和散射光线的辐射亮度值。
将水下激光雷达标定设备放入水体中后，等待一段时间直至水体稳定，再控制光源发光，第一光接收器132和第二光接收器133接收对应的辐射亮度值。
在步骤200中，基于出射光线和散射光线的辐射亮度值分别确定标定用水体预设层每层的第一水体光束衰减系数和90°侧向散射系数，90°侧向散射系数用于计算得到第一后向散射系数。
在步骤300中，通过激光雷达测得标定用水体预设层每层的第二水体光束衰减系数和第二后向散射系数；
通过激光雷达测得激光雷达衰减系数和第二后向散射系数，将激光雷达衰减系数通过已知函数关系进行转换得到第二水体光束衰减系数，本申请是对激光雷达的该水体光束衰减系数和后向散射系数进行标定的。
在步骤400中，基于多个第一水体光束衰减系数和对应的多个第二水体光束衰减系数确定第一计算式，以及基于多个第一后向散射系数和对应的多个第二后向散射系数确定第二计算式，完成水下激光雷达标定。
基于多个第一水体光束衰减系数和对应的多个第二水体光束衰减系数确定第一计算式的具体方法包括以下步骤：
建立第一函数关系：建立第一水体光束衰减系数
Figure 925198DEST_PATH_IMAGE001
和第二水体光束衰减系数
Figure 107917DEST_PATH_IMAGE002
之 间的第一函数关系为：
Figure 418813DEST_PATH_IMAGE003
；
确定第一函数关系中的标定参数：将测得的多个第一水体光束衰减系数和对应的多个所述第二水体光束衰减系数代入函数关系中，确定第一函数关系中的标定参数；
确定第一计算式：将标定参数带入第一函数关系中，得到包含未知数
Figure 141918DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 218940DEST_PATH_IMAGE002
的第 一计算式。
在一些实施例中，第一计算式表示为
Figure 369299DEST_PATH_IMAGE002
=
Figure 167491DEST_PATH_IMAGE004
×
Figure 897549DEST_PATH_IMAGE001
+
Figure 832007DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 153267DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 438755DEST_PATH_IMAGE005
为标定参数。
基于多个第一后向散射系数和对应的多个第二后向散射系数确定第二计算式的具体方法包括以下步骤：
建立第二函数关系：建立第一后向散射系数
Figure 441346DEST_PATH_IMAGE006
和第二后向散射系数
Figure 495890DEST_PATH_IMAGE007
之间的第 二函数关系为：
Figure 456892DEST_PATH_IMAGE008
；
确定第二函数关系中的标定参数：将测得的多个第一后向散射系数
Figure 26414DEST_PATH_IMAGE006
和多个第 二后向散射系数代入第二函数关系中，确定第二函数关系中的标定参数；
确定第二计算式：将标定参数带入第二函数关系中，得到包含未知数
Figure 832696DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 7325DEST_PATH_IMAGE007
的第 二计算式。
在一些实施例中，第二计算式表示为
Figure 611001DEST_PATH_IMAGE007
=
Figure 871081DEST_PATH_IMAGE009
×
Figure 277791DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 306927DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 609733DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 825950DEST_PATH_IMAGE010
为标定参数。
在本申请中，激光雷达的垂直距离分辨率的数值等于相邻的辐射亮度值测量装置130之间间隔的预设距离。
完成水下激光雷达标定后，即可利用水下激光雷达测得的参数（即光束衰减系数和后向散射系数）、第一计算式和第二计算式对水体参数进行计算，水体参数包括但不限于水体光束衰减系数、后向散射系数、叶绿素浓度、浊度和悬浮物浓度。
在本申请中，利用完成标定的激光雷达获取待测水层的水体光束衰减系数和后向散射系数，通过以下步骤实现：
利用激光雷达测量待测水层，得到由激光雷达测量的水体光束衰减系数和后向散射系数；
将由激光雷达测量的水体光束衰减系数
Figure 239614DEST_PATH_IMAGE011
和后向散射系数
Figure 123256DEST_PATH_IMAGE012
分别代入第 一计算式和第二计算式中，分别得到待测水层的水体光束衰减系数
Figure 596963DEST_PATH_IMAGE013
和后向散射系数
Figure 362794DEST_PATH_IMAGE014
。其中，利用待测水层的水体光束衰减系数还可计算待测水层的叶绿素浓度。
在本申请中，还可以利用完成标定的激光雷达获取待测水层的浊度、悬浮物浓度等。
浊度是指悬浮物所引起的光散射使透过的光束变暗，浊度采集装置用于测量悬浮于水或透明液体中不溶性颗粒物质所产生的光的散射程度。浊度经常被用来作为水中悬浮物浓度的替代测量，浊度描述水样的光学性质，是光线透过水层时受到阻碍的程度，表示水层对光线散射和吸收的能力。浊度不仅与悬浮颗粒物有关，而且还与水中其他杂质，如细小分散的无机和有机物质、浮游生物以及其他微小生物体的成分有关。
本实施例讨论的悬浮物是指在水中保持悬浮一段相当长的时间而不会沉底的非常细微的颗粒物。水中悬浮物已被确定为重要的非点源污染物以及影响江河湖库发挥有效生态功能的普遍污染物。
同时，悬浮物浓度是水环境质量的重要影响因素之一，也是环境监测的一项重要指标。大量的水土流失造成江河湖海水中悬浮物大量增加，而地表水中存在过多的悬浮物，会引起水体浑浊，透明度降低，影响水生生物的呼吸和代谢，并且当水中悬浮物过多时，还可能造成河道阻塞，降低水库等水体的使用寿命，因此检测和监测水中的悬浮物浓度有重要意义。
传统的过滤称质量法测量水中悬浮物浓度是目前的标准测定方法，但是该方法存在测量效率低的问题。
在本申请中，利用完成标定的激光雷达获取待测水层的90°侧向散射系数、浊度和悬浮物浓度，通过以下步骤实现：
利用激光雷达测量待测水层，得到由激光雷达测量的水体光束衰减系数和后向散射系数；
将由激光雷达测量的水体光束衰减系数和后向散射系数分别代入第一计算式和第二计算式中，分别得到所述待测水层的水体光束衰减系数和后向散射系数；
利用待测水层的后向散射系数确定待测水层的90°侧向散射系数；
基于待测水层的90°侧向散射系数计算待测水层的浊度；
基于浊度计算待测水层的悬浮物浓度、有机悬浮物浓度和无机悬浮物浓度。
在本申请中，利用完成标定的激光雷达获取待测水层的90°侧向散射系数、浊度和悬浮物浓度具有测量速度快、效率高、准确度高的特点。
图2示出了一种水下激光雷达标定设备的结构示意图。如图2所示，水下激光雷达标定设备100包括管体110、杆体120和辐射亮度值测量装置130。
其中，管体110一端与杆体120连接；沿杆体120的轴向设置有多个均匀间隔预设距离的辐射亮度值测量装置130。
图3示出了辐射亮度值测量装置的俯视图。如图3所示，每个辐射亮度值测量装置130包括：透光体131、光源134、第一光接收器132和第二光接收器133。
透光体131设置有内腔135，内腔135用于在测量时容纳水，具体是容纳辐射亮度值测量装置130所在水层中在水平方向可自由流动的水体；第一光接收器132和第二光接收器133分别用于在测量时，接收从容纳有水的透光体131中散射出的光；
在透光体131外，在距离透光体131第一侧面的第一预设距离处设置有光源134、在距离透光体131第二侧面的第二预设距离处设置有第一光接收器132、以及距离透光体131底面的第三预设距离处设置有第二光接收器133；
第一侧面与第二侧面相对，光源134与第一光接收器132相对，在水下激光雷达标定设备处于水体中时，光源134的出射光线与水平面平行。
其中，第一预设距离优选为3mm，第二预设距离优选为3mm，第三预设距离优选为3mm，透光体131的厚度优选为3mm，透光体的内腔135的长度优选为10mm，当然当第一预设距离、第二预设距离、第三预设距离、透光体131厚度、透光体的内腔135长度的取值处于优选值附近时也同样可以处于本申请的保护范围。
在本申请中，透光体131由玻璃制成，透光体131为仅有四个侧面的长方体或正方体。
需要说明的是，第一光接收器132和第二光接收器133可以为辐射亮度探测器、分光光度计或者光电探测二极管等。
第一光接收器132和第二光接收器133的所能接收的光线的波段λ与激光雷达波段一致，λ可以为：
紫外波段：220、225、240、275；可见光波段：440、520、532、555、675；荧光波段：681、709。
其中的透光体131可选透射率高于90%的玻璃，玻璃的光束衰减系数为ρ(λ)是已知且稳定的。
在标定阶段中，通过第一光接收器132测得出射光线的辐射亮度值L1，通过L1与第一水体光束衰减系数c之间的关系式测得第一水体光束衰减系数c。
L1与第一水体光束衰减系数之间的关系式为-1/z×ln(L1/L4)=c(λ) + 2ρ(λ)，其中，z为透光体的内腔135的长度，L4为光源134的辐射亮度值，ρ为玻璃的光束衰减系数。
通过第二光接收器133测得的散射光线的辐射亮度值L2和散射相函数计算第一后向散射系数。
辐射亮度值测量装置130的个数根据实际测量需求设置，可以为2个、4个、6个、8个、10个、20个、50个等，将水下激光雷达标定设备100下放至水体中，可一次性对多个水层进行测量，测得多个出射光线和散射光线的亮度值，然后通过多个出射光线和散射光线的亮度值分别计算得到多个第一水体光束衰减系数和第二后向散射系数；然后通过激光雷达测得标定用水体预设层每层的第二水体光束衰减系数和第二后向散射系数，这就相当于采用不同的设备对同样的水体中的水层进行测量，因此可用第一水体光束衰减系数对第二后向散射系数进行标定、可用第一后向散射系数对和第二后向散射系数进行标定。
II类水体中，水体光谱的主要影响因素包括纯水、叶绿素、悬浮物和有色可溶性有机物。利用体散射函数及吸收系数，根据水体固有光学特性的闭合性(即：a+b=c)以及水体体散射函数与各散射系数之间的相关性，可以推算得到所有水体的固有光学特性参数。
图4示出了又一种水下激光雷达标定设备的结构示意图，如图4所示，杆体120上连接有滑杆，滑杆的轴线与杆体120的轴线平行；
滑杆包括滑杆本体140和与滑杆本体140滑动连接的多个滑台，滑台上安装有辐射亮度值测量装置130，通过滑动滑杆本体140上的滑台调节相邻两个辐射亮度值测量装置130之间的间隔距离。
对于不同的实验目的或不同类型的水体，每层水层的高度可能不一致，为适应不一致高度的水层，需对辐射亮度值测量装置130之间的距离进行对应调节。
通过滑杆本体140和滑台调节辐射亮度值测量装置130之间的间隔距离，同时，也可以自由增加或减少滑台的数量，以进一步调整辐射亮度值测量装置130的数量，辐射亮度值测量装置130的数量与预先设置的水体预设层的层数相同。
在本申请中，在调节辐射亮度值测量装置130之间的间隔距离时，为了方便观察辐射亮度值测量装置130之间的间隔距离，沿杆体120的轴向设置有长度刻度线，长度刻度线的0刻度位于远离管体110的一端。
根据不同的测量需求，需要测量一定距离深度的浊度。比如，需测量距水面2米至5米之间的水体浊度，此时无需在距水面0米-2米（不包括2米）之间的水体中放置辐射亮度值测量装置130。因此，本实施例将管体110设置为可伸缩管。
在本申请中，管体110为可伸缩管，可伸缩管包括外管111、内管112和卡件113；内管112一端连接杆体120；外管111内套接有内管112，外管111的内径与内管112的外径匹配；
外管111上设置有孔，内管112的外表面沿轴向设置间隔均匀的多个卡槽114，在将可伸缩管调节到预设长度时，将卡件113通过孔与卡槽114相抵接，使得内管112与外管111内相对固定。可伸缩管远离杆体120的一端设置有手柄。
在本申请中，管体110包括第一管和第二管，第一管的内壁设置有螺纹，第二管的外壁设置有螺纹，第一管的内径与第二管的外径匹配，第二管在第一管内且与第一管螺纹连接。通过调节第二管在第一管中的长度，调节管体110的长度，进而调节整个水下激光雷达标定设备100的长度。
在本申请中，激光雷达包括发射器和接收器，发射器向水体发射激光脉冲，接收器用于回收激光脉冲；激光雷达用于逐层测量水体的光学参数，光学参数包括水体光束衰减系数和后向散射系数。
在本申请中，通过激光雷达向水体发射激光脉冲并回收水体发射回来的激光脉冲，然后对向水体发射的激光脉冲与回收水体发射回来的激光脉冲进行比较，获得测量水体的光学参数，光学参数包括水体光束衰减系数和后向散射系数。
其中，水体光束衰减系数，是指沿光束传输方向单位传输距离内因水体的散射和吸收而损失的辐射通量与入射到该介质的辐射通量的比值。
后向散射系数，是散射相函数在后半球的积分，具体表达形式如下：
辐射度量是描述电磁、光和热辐射能的一种科学，它构成了自然水体中辐射传输 的基础。图5示出了一束单色窄光辐射通量穿过厚度为均质水体自然水体中的示意图，如图 5所示，一束单色窄光辐射通量
Figure 314569DEST_PATH_IMAGE015
穿过厚度为
Figure 52718DEST_PATH_IMAGE016
体积为
Figure 697326DEST_PATH_IMAGE017
的均质水体后，转化为三部 分通量：吸收部分
Figure 153715DEST_PATH_IMAGE018
、散射部分
Figure 726427DEST_PATH_IMAGE019
和透过部分
Figure 319082DEST_PATH_IMAGE020
，根据能量守恒定律，这三部分的能 量之和与入射能量相等，表示为：
Figure 134592DEST_PATH_IMAGE021
。
相对应地，光谱吸收系数
Figure 78277DEST_PATH_IMAGE022
、散射系数
Figure 371855DEST_PATH_IMAGE023
和衰减系数
Figure 84596DEST_PATH_IMAGE024
，单位均为
Figure 805427DEST_PATH_IMAGE025
， 恒等于：
Figure 33146DEST_PATH_IMAGE026
Figure 130415DEST_PATH_IMAGE027
Figure 697663DEST_PATH_IMAGE028
。
波长
Figure 589396DEST_PATH_IMAGE029
处单位距离单位散射角度
Figure 507673DEST_PATH_IMAGE030
的散射
Figure 408633DEST_PATH_IMAGE031
定义为：
Figure 630054DEST_PATH_IMAGE032
。
其中，散射在某一个立体角上的光谱能量密度，在数值上是光谱能量密度
Figure 958268DEST_PATH_IMAGE033
在散射方向
Figure 98262DEST_PATH_IMAGE030
上乘以这个单位立体角
Figure 537333DEST_PATH_IMAGE034
，即
Figure 79173DEST_PATH_IMAGE035
。
进一步地，如果入射能量穿过单位面积
Figure 578288DEST_PATH_IMAGE036
，那么瞬时辐射亮度值
Figure 2316DEST_PATH_IMAGE037
，而
Figure 245078DEST_PATH_IMAGE038
，因此：
Figure 641425DEST_PATH_IMAGE039
。
Figure 311440DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 160448DEST_PATH_IMAGE041
分别为前向散射和后向散射，分别定义为与入射光线前进方向
Figure 941322DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 457754DEST_PATH_IMAGE043
立体角度范围内散射能量的总和，公式如下。
Figure 95409DEST_PATH_IMAGE044
Figure 694362DEST_PATH_IMAGE045
；
引入光谱体散射相函数
Figure 278927DEST_PATH_IMAGE046
的概念，来表示各个角度上散射的概率：
Figure 384286DEST_PATH_IMAGE047
；
散射相函数基于MIE散射理论推导获得，散射相函数与粒径D有关，图6为二氧化硅颗粒混悬在四种粒径下的散射相函数分布图。
应当理解的是，虽然如上的实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照直线的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照直线指示的顺序依次执行，除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以按照其它顺序执行。
在对深度较大的水层进行数据采集时，考虑到水下激光雷达标定设备100的长度，不适宜下放水下激光雷达标定设备100到更深的水层中，此时可以考虑使用激光雷达，激光雷达具有探测性好、分辨率高，受水层深度影响不大，通过激光雷达测得水层的光学系数，然后将光学系数带入计算关系中，即得到对应水层的悬浮物浓度。
当然，待测水层深度较小时，也可以通过激光雷达获取对应水层的光学系数，进而基于光学系数和计算关系计算出对应水层的悬浮物浓度、浊度、水体光束衰减系数、后向散射系数等。
在本申请中，通过水下激光雷达标定设备能够即时测量得到第一水体光束衰减系数和第一后向散射系数，测量结果准确度高且可一次性测量多个水层，测量效率高；通过高准确度、高精度的第一水体光束衰减系数和第一后向散射系数对水下激光雷达进行标定，实现对水下激光雷达信号稳定、高精度标定的目的。
为了方便解释，已经结合具体的实施方式进行了上述说明。但是，上述在一些实施例中讨论不是意图穷尽或者将实施方式限定到上述公开的具体形式。根据上述的教导，可以得到多种修改和变形。上述实施方式的选择和描述是为了更好的解释原理以及实际的应用，从而使得本领域技术人员更好的使用实施方式以及适于具体使用考虑的各种不同的变形的实施方式。

Claims (10)

1.一种水下激光雷达标定方法，其特征在于，包括：
将水下激光雷达标定设备垂直于水平面并下放至标定用水体中，所述水下激光雷达标定设备包括沿标定用水体的深度方向均匀间隔预设距离布置的多个辐射亮度值测量装置，每个所述辐射亮度值测量装置包括光源、透光体、第一光接收器和第二光接收器，所述第一光接收器和所述第二光接收器分别用于在测量时，接收从容纳有水下不同水层水体的所述透光体中发出的出射光线和散射光线的辐射亮度值；
基于所述出射光线和散射光线的辐射亮度值分别确定所述标定用水体预设层每层的第一水体光束衰减系数和90°侧向散射系数，所述90°侧向散射系数用于计算得到第一后向散射系数；
通过激光雷达测得所述标定用水体预设层每层的第二水体光束衰减系数和第二后向散射系数；
基于多个所述第一水体光束衰减系数和对应的多个所述第二水体光束衰减系数确定第一计算式，以及基于多个所述第一后向散射系数和对应的多个所述第二后向散射系数确定第二计算式，完成水下激光雷达标定。
2.如权利要求1所述的水下激光雷达标定方法，其特征在于，所述完成水下激光雷达标定后，所述方法还包括：
利用激光雷达测量待测水层，得到由激光雷达测量的水体光束衰减系数和后向散射系数；
将由激光雷达测量的水体光束衰减系数和后向散射系数分别代入第一计算式和第二计算式中，分别得到所述待测水层的水体光束衰减系数和后向散射系数。
3.如权利要求2所述的水下激光雷达标定方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述待测水层的后向散射系数确定所述待测水层的90°侧向散射系数；
基于所述待测水层的90°侧向散射系数计算所述待测水层的浊度；
基于所述浊度计算所述待测水层的悬浮物浓度、有机悬浮物浓度和无机悬浮物浓度。
4.如权利要求1所述的水下激光雷达标定方法，其特征在于，所述激光雷达的垂直距离分辨率的数值等于所述预设距离。
5.一种水下激光雷达标定设备，其特征在于，包括：
管体；
与所述管体一端连接的杆体；
沿所述杆体的轴向设置有多个均匀间隔预设距离的辐射亮度值测量装置；
每个所述辐射亮度值测量装置包括：透光体、光源、第一光接收器和第二光接收器；
所述透光体设置有内腔，所述内腔用于在测量时容纳水；所述第一光接收器和所述第二光接收器分别用于在测量时，接收从容纳有水的所述透光体中散射出的光；
在所述透光体外，在距离所述透光体第一侧面的第一预设距离处设置有所述光源、在距离所述透光体第二侧面的第二预设距离处设置有所述第一光接收器、以及距离所述透光体底面的第三预设距离处设置有所述第二光接收器；
所述第一侧面与所述第二侧面相对，所述光源与所述第一光接收器相对。
6.如权利要求5所述的水下激光雷达标定设备，其特征在于，所述杆体上连接有滑杆，所述滑杆的轴线与所述杆体的轴线平行；
所述滑杆包括滑杆本体和与所述滑杆本体滑动连接的多个滑台，所述滑台上安装有所述辐射亮度值测量装置，通过滑动所述滑台调节相邻两个所述辐射亮度值测量装置之间的间隔距离。
7.如权利要求5所述的水下激光雷达标定设备，其特征在于，所述管体为可伸缩管，所述可伸缩管包括外管、内管和卡件；
所述内管一端连接所述杆体；
所述外管内套接有所述内管，所述外管的内径与所述内管的外径匹配；
所述外管上设置有孔，所述内管的外表面沿轴向设置间隔均匀的多个卡槽，在将所述可伸缩管调节到预设长度时，将所述卡件通过所述孔与所述卡槽相抵接，使得所述内管与所述外管内相对固定；
所述可伸缩管远离所述杆体的一端设置有手柄。
8.如权利要求5所述的水下激光雷达标定设备，其特征在于，所述管体包括第一管和第二管，所述第一管的内壁设置有螺纹，所述第二管的外壁设置有螺纹，所述第一管的内径与所述第二管的外径匹配，所述第二管在所述第一管内且与第一管螺纹连接。
9.如权利要求5所述的水下激光雷达标定设备，其特征在于，所述第一光接收器和所述第二光接收器可以为辐射亮度探测器、分光光度计或者光电探测二极管。
10.如权利要求5所述的水下激光雷达标定设备，其特征在于，所述透光体由玻璃制成，所述透光体为仅有侧面的长方体或正方体。
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