CN116106925A - 严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法 - Google Patents
严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116106925A CN116106925A CN202211411317.5A CN202211411317A CN116106925A CN 116106925 A CN116106925 A CN 116106925A CN 202211411317 A CN202211411317 A CN 202211411317A CN 116106925 A CN116106925 A CN 116106925A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- coordinate system
- underwater
- laser radar
- model
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 title claims abstract description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 28
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 78
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 11
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 15
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 10
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 6
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 4
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 238000001161 time-correlated single photon counting Methods 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 241001489705 Aquarius Species 0.000 description 1
- 241000201308 Boschniakia Species 0.000 description 1
- 241000282326 Felis catus Species 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000012447 hatching Effects 0.000 description 1
- 238000009532 heart rate measurement Methods 0.000 description 1
- CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N helium neon Chemical compound [He].[Ne] CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012958 reprocessing Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000033772 system development Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 238000003809 water extraction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/16—Matrix or vector computation, e.g. matrix-matrix or matrix-vector multiplication, matrix factorization
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal
- G01C13/008—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal measuring depth of open water
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
- G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Algebra (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Software Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法，主要包括以下步骤：(1)分析光子计数激光雷达扫描系统结构，建立激光反射光线水面的入射角、方位角与反射镜法线向量的几何关系模型；(2)构建激光水面入射点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；(3)提出水下层内常光速光线跟踪模型，构建水下测深点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；(4)建立激光扫描参考坐标系与WGS84空间直角坐标系的关系模型，将激光水下测深点坐标归位到WGS84空间直角坐标系中。通过以上步骤，可实现水下激光雷达测深点坐标的精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法，特别涉及基于水下光线跟踪的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法。
背景技术
美国是世界上最早开展机载激光测深系统研究的国家，1968年，美国Syracuse大学的Hickman和Hogg建造了世界上第一个激光海水测量系统，首次验证了激光水深测量技术的可行性，初步建立了海洋激光探测技术的理论基础[1]；此后，美国海军成功研制了机载脉冲激光系统(PLADS)，并于1971年进行了试验[2]；美国国家大气与空间管理局(NASA)成功研制机载激光水深测量仪(ALB)[3]，于1971年至1974年进行了试验，采用50Hz的Nd:YAG激光器，在水质圆盘透明度为5m时测深达10m左右；20世纪70年代末，NASA又研制了一种具有扫描和高速数据记录能力的机载水文激光雷达(AOL)设备[4]，采用400Hz低峰值功率2kW氦氖激光器，绘制出水深小于10m的海底地貌。20世纪80年代，美国海军采用500Hz燃料激光器，采用水晶器实现圆扫描，接收信号动态范围为120dB，配合全球定位系统(GPS)定位，1GHz采样率，采用对数放大器、差分和低通滤波器进行信号处理，处理结果用彩色编码显示，人工识别和再处理，具有5MIPS的处理速度，但是比实际要求的实时处理速度还低1～2个数量级。随后，美国采用了新计算机系统，将处理速度提高到300MIPS，以保证任何可行的算法都可以实现[5]。该系统于1990年2月在Florida沿海进行了试验。
20世纪80年代中期，美国陆军工程兵部队(USACE)启动了生产机载激光扫描测深系统(SHOALS)的发展项目[6]，该项目最终在加拿大Optech公司的支持下得到了发展。SHOALS系统最开始应用于导航线路环境测量，很快就发展成海岸区域作图系统。如今，SHOALS已经成为近海测深的主要手段之一，Optech公司与美国海军气象、海洋指挥中心、海军海洋办公室均有合作关系。基于这样的关系，使得SHOALS系统承担了大量的海图制作以及为军队演练做出快速的环境估算等任务。Optech公司经过三十多年努力和技术攻关，相继成功开发了用于水深测量的SHOALS 200(1993年)、SHOALS 400(1998年)、SHOALS 1000(2003年)、SHOALS 3000(2006年)系列产品[7]。其中，SHOALS3000T作为其最新型号，集结了Optech公司多年的研究成果和实际作业经验，是已成功定型的商业机载激光测深系统，具有水深、地形同步测量功能，并可以选配高分辨率数码相机、高光谱遥感、超光谱等先进配件。该设备重达217kg，一般用于大型直升机平台，基本无法在无人机平台上应用。目前，其主要用户是美国海军及国家海洋与大气管理局，另外，该系统在日本海岸警卫队以及Fugro-pelagos商业公司得到了推广应用。表1为几种浅海测绘激光雷达系统参数对比。
表1几种浅海测绘激光雷达系统参数对比
| 参数 | SHOALS 3000T | Hawk Eye II | LADS MK II |
| 测量频率 | 3KHz | 4KHz | 900Hz |
| 飞行高度 | 300～400m | 250～500m | 366～671m |
| 水深测量精度 | IHO Order1 | IHO Order1 | IHO Order1 |
| 水平精度 | IHO Order1 | IHO Order1 | 5m CEP 95％ |
| 最小探测深度 | 0.2 | 0.3 | 0.5 |
| 最大探测深度 | 50 | 3倍圆盘透明度 | 70m |
| 扫描宽度 | 最大0.75倍航高 | 100～350m |
此外，RIEGL公司研发的机载水深激光扫描系统具有较大竞争力，其研发的两款水路联测激光扫描系统与本系统的参数对比如表2所示。RIEGL研发的水陆联测激光扫描系统分为轻小型的BathyCopter和高效型的VQ-880-G两种类型[8]，BathyCopter质量小但是只能进行单点扫描，测绘效率低下；VQ-880-G采用线性探测体制，无法满足潮间带测绘滩涂低反射率现状下的信噪比要求，系统笨重而功耗较高，无法应用于无人机平台。本系统则采用光子计数体制进行潮间带测绘，在满足高探测效率的同时，实现系统对小型化、低功耗和高精度的要求。
表2RIEGL水陆联测激光扫描系统参数对比
传统的测绘激光雷达探测体制而言，无论是波形数字化采样，还是多脉冲测量或脉宽测量，其本质都是对回波波形的探测。这种探测体制不能充分利用回波脉冲中的光子能量，从而对激光单脉冲能量和系统光学口径要求较高。为了解决线性探测体制的低效率问题，一种具有单光子灵敏度的光子计数探测体制被引入到了测绘激光雷达领域。
光子计数体制的激光雷达首次用于对地测绘是在NASA P-3飞行器的仪器孵化计划(IIP)中成功实现的。NASA哥达德空间中心最早开展了这方面的研究工作。其第一代机载验证系统系统被称为Micro Altimeter，激光波长532nm，重复频率10KHz，脉冲能量2uJ，采用工作在光子计数模式的2×2元光电倍增管(PMT)作为回波探测器，发射和接收共用20cm口径的离轴望远镜并配合望远镜前的单光楔实现对地圆锥扫描成像[9]。
在Micro Altimeter的基础上，哥达德空间中心和Sigma公司的研究人员开发了第二代机载验证系统Imaging Photon-counting Altimeter(IPA)[10]。其激光波长仍为532nm，重频提高到22KHz，脉冲能量为6.4uJ，同时仍然选用工作在光子计数模式的PMT作为回波探测器，但元数增加到10×10。系统采用双光楔扫描器为不同平台速度提供一维和二维扫描，为单次飞越领空实现宽幅成像。
由于具有极高的灵敏度，光子计数探测体制可以穿透一定的水深而获得浅水区地形，在此基础上，美国佛罗里达大学的研究人员研发了光子计数体制的激光雷达原理样机(Coastal Tactical-Mapping System,CATS)[11]用于海岸带地区测量，并成功测到了水深5m以下地形。
美国NASA于2003年发射的ICESat-1是全球首个搭载了激光测高雷达的卫星，其最主要的载荷是地球科学激光测高仪(Geoscience Laser Altimeter System,GLAS)，而ICESat-2作为ICESat-1的后续星，其主要载荷是高级地形测量激光高度计系统(AdvancedTopographic Laser Altimeter System，ATLAS)[12]，该载荷实现了ICESat-1没有实现的多波束推扫功能，且由于采用高重频(10k Hz)光子计数探测体制，系统所需的激光能量大幅下降，分光前脉冲总能量仅为400μJ，却实现了约10cm的测量精度和约70cm的水平分辨率。
我国对激光雷达测深技术的研究始于20世纪80年代，进行了相关技术研究和系统研制。目前，最新研制的Mapper5000系统已经在南海某些海岛附近海域完成多架次飞行试验，获得南海岛礁的三维地形数据，其最大实测深度为51.00m，最浅深度为0.25m，测深精度为0.23m，为我国星载海洋探测激光雷达发展奠定了良好的技术基础[13]。
在激光雷达测深算法方面，国内外学者也做出了很多的工作。Guenther经统计分析发现蓝绿通道的接收波形中水面回波强度受环境因素影响可能出现较大偏差，并指出有时检测到的水面回波有可能是与水体后向散射的混合，或者是单纯的水体后向散射波形，他将这一问题称为“水面不确定”问题，认为仅利用蓝绿波形确定的水面位置是不准确的[14]。Allouis提出了一种综合使用近红激光和蓝绿激光以提高浅水提取精度的算法流程，首先对红波段和蓝绿波段进行振幅改正和时间偏移改正，然后调整近红外波段的振幅使其与绿波段相对应，绿波段信号再减去调整后的近红外信号得到水底信号，最终将近红外和水底信号的波峰差对应距离作为浅水水深[15]。Allouis等人使用两个高斯函数分别拟合了海面和海底的回波信号，通过拟合波形图可知，回波信号的拟合效果良好[15]。但是该方法对海体后向散射回波信号的处理效果较差，可能导致海底回波信号被海体后向散射干扰信号覆盖。Wang等采用模拟数据和Optech Aquarius采集的真实数据验证了峰值探测、平均平方差异函数、高斯分解、四边形拟合、RL反卷积和维纳滤波六种算法，实验结果表明RL反卷积算法具有明显的优势[16]。Wong和Antoniou提出采用指数修正的高斯函数(Exponentially Modified Gaussian,EMG)将波形分解为水面回波和水底回波两部分，从而自动计算水深，称该方法即使当两部分回波几乎完全重合时也可以较为准确地估计水深[17]。Cheng等人认为水体后向散射会使水面、水底回波的峰值位置发生偏移，因此提出利用EMG将波形分解为水面回波、水体后向散射、水底回波三部分[18]。Liu等开发了一种同时考虑海面波动和波束入射角的折射校正方法，该模型使用海面波动理论和斯涅尔定律确定光子在水中的传播距离，并通过几何关系进行位置校正。该研究选取地点对提出的模型进行了实际验证，表明所提出的折射校正方法可以更准确有效地校正水深误差[19]。
综上所述，尽管无人机载激光雷达有很多优势，但是目前的技术仍然存在以下缺陷：
(1)无人机载激光雷达容易受风力影响而导致姿态传感器抖动太大，造成姿态误差较大，最终影响激光雷达的测绘精度。
(2)由于水体是由不同温度、盐度、密度的水团组成，光线在这些不同水团界面上会发射折射现象，而目前的水下激光测深点坐标计算模型未顾及这个问题，进而会影响水下测深点坐标的计算精度。
参考文献：
[1]Howard R.,Gordon.Interpretation of airborne oceanic lidar:effectsof multiple scattering[J].Applied Optics,1982,21(16):2996-3001.
[2]邱剑飞.美国海军研制机载水道激光测深仪[J].海洋学研究,1983,1(4):76.
[3]秦海明,王成,习晓环,et al.机载激光雷达测深技术与应用研究进展[J].遥感技术与应用,2016,31(4):617-624.
[4]李松.机载激光海洋测深及其质量控制[D].武汉大学,2002.
[5]Davis J.P.,Keck T.,Umehara M.J.Imaging display method for airborneoceanographic LIDAR[J].Proc Spie,1990,1302.
[6]Elston G.R.,Gardner J.V.Lake Tahoe bottom characteristicsextracted from SHOALS lidar waveform data and compared to backscatter datafrom a Multibeam echo sounder[C].In Agu Fall Meeting,2002.
[7]Narayanan R.,Kim H.B.,Sohn G.Classification of SHOALS3000bathymetric LiDAR signals using decision tree and ensemble techniques[C].In Science&Technology for Humanity,IEEE Toronto International Conference,2009.
[8]Boavida J.,Oliveira A.,Santos B.Precise Long Tunnel Survey usingthe Riegl VMX-250Mobile Laser Scanning System[C].In RIEGL LiDAR 2012,2012.
[9]Degnan J.J.Photon-counting multikilohertz microlaser altimetersfor airborne and spaceborne topographic measurements[J].Journal ofGeodynamics,2002,34(3-4):503-549.
[10]Herzfeld U.C.,Trantow T.M.,Harding D.Surface-Height Determinationof Crevassed Glaciers-Mathematical Principles of an Autoadaptive Density-Dimension Algorithm and Validation Using ICESat-2 Simulator(SIMPL)Data[J].IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING,2017,55(4):1874-1896.
[11]Shrestha K.Y.,Carter W.E.,Slatton K.C.Shallow Bathymetric Mappingvia Multistop Single Photoelectron Sensitivity Laser Ranging[J].IEEETRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING,2012,50(11):4771-4790.
[12]Thomas A.N.,Anthony J.M.,Thorsten M.,et al.The Ice,Cloud,and LandElevation Satellite–2Mission:A global geolocated photon product derived fromthe advanced topographic laser altimeter system[J].Remote Sensing ofEnvironment,2019,(233):1-16.
[13]贺岩,胡善江,陈卫标,et al.国产机载双频激光雷达探测技术研究进展[J].激光与光电子学进展,2018,55(8):7-17.
[14]Guenther G.C.,Cunningham A.G.,Larocque P.E.Meeting the accuracychallenge in airborne Lidar bathymetry[C].In Proceedings of EARSeL-SIG-Workshop LIDAR,2000:1.
[15]Allouis T.,Bailly J.S.,Pastol Y.,et al.Comparison of LiDARwaveform processing methods for very shallow water bathymetry using Raman,near-infrared and green signals[J].Earth Surface Processes&Landforms,2010,35(6):640-650.
[16]Wang C.,Li Q.,Liu Y.,et al.A comparison of waveform processingalgorithms for single-wavelength LiDAR bathymetry[J].ISPRS Journal ofPhotogrammetry and Remote Sensing,2015,10122-35.
[17]Wong H.,Antoniou A.Characterization and decomposition ofwaveforms for Larsen 500airborne system[J].IEEE Transactions on Geoscience&Remote Sensing,1991,29(6):912-921.
[18]Cheng W.,Lu W.S.,Antoniou A.Efficient waveform decomposition onairborne laser bathymetry[C].In Pacific Rim Conference on IEEE,1995:627-630.
[19]Liu C.D.,Qi J.W.,LI J.,et al.Accurate Refraction Correction—Assisted Bathymetric Inversion Using ICESat-2and Multispectral Data[J].RemoteSensing,2021,13(21):4355.
[20]华康健.水下光子计数激光雷达关键技术研究[D].北京:中国科学院大学,2021.
[21]丁国强.惯性导航系统传递对准技术关键问题研究[D].哈尔滨工程大学,2010.
[22]何林帮,赵建虎,张红梅,et al.顾及姿态角的多波束声线精确跟踪方法[J].哈尔滨工程大学学报,2015,(1):46-50.
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对目前未顾及水体不同水团界面上光线发生折射而导致水下激光雷达测深点坐标计算精度较低的问题，在分析光子计数激光雷达扫描系统结构的基础上，建立了反射光线水面入射角、方位角与反射镜法线向量之间的几何关系，构建水面激光入射点在激光雷达扫描参考坐标系中的坐标计算模型；并提出水下层内常光速跟踪模型，构建水下测深点在激光雷达扫描参考坐标系中的坐标计算模型；最后通过激光雷达参考坐标系与WGS84空间直角坐标系的几何关系模型，将水下激光测深点归位到WGS84空间直角坐标系中。
为达到上述目的，本发明提供的严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法，包括以下步骤：
(1)分析光子计数激光雷达扫描系统结构，建立激光反射光线水面的入射角、方位角与反射镜法线向量的几何关系；
(2)构建激光水面入射点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；
(3)提出水下层内常光速光线跟踪模型，构建水下测深点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；
(4)建立激光扫描参考坐标系与WGS84空间直角坐标系的关系模型，将激光水下测深点坐标归位到WGS84空间直角坐标系中。
在本发明的一个实施例中，建立激光反射光线水面的入射角、方位角与反射镜法线向量的几何关系模型，主要包括以下步骤：
(1)分析光子计数激光雷达扫描系统结构；
(2)激光雷达扫描参考坐标系及其过渡坐标系的建立；
(3)激光雷达扫描参考坐标系下反射镜法线向量计算；
(4)激光雷达扫描参考坐标系下反射光线水面的入射角、方位角与反射镜法线向量的几何关系模型建立。
在本发明的一个实施例中，构建激光水面入射点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型，主要包括以下步骤：
(1)分解激光反射光线水面入射角在X轴、Y轴的分量，分别建立其分量与反射镜法线向量的关系；
(2)计算激光水面入射点三维坐标值；
在本发明的一个实施例中，提出水下层内常光速光线跟踪模型，构建水下测深点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型，主要包括以下步骤：
(1)构建水下光速剖面；
(2)提出水下层内常光速光线跟踪模型；
(3)构建水下测深点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型。
在本发明的一个实施例中，建立激光扫描参考坐标系与WGS84空间直角坐标系的关系模型，将激光水下测深点坐标归位到WGS84空间直角坐标系中，主要包括以下步骤：
(1)根据激光扫描参考坐标系与WGS84空间直角坐标系的构建原则，建立两者之间的关系模型；
(2)将激光水下测深点坐标归位到WGS84空间直角坐标系中。
本发明要解决的技术问题主要包括如下几个方面：
(1)分析单光子激光雷达扫描系统结构，建立激光反射光线与反射镜法向量的几何关系模型；
(2)构建激光雷达水面入射点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；
(3)提出水下层内常光速光线跟踪模型；
(4)建立水下激光测深点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；
(5)将水下测深点坐标归位到WGS84空间直角坐标系下。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)通过研究光子计数激光雷达扫描结构，构建了激光反射光线与反射镜法向量的几何关系模型，能够精确计算出水面激光入射点的坐标；
(2)提出基于光速剖面的层内常光速光线跟踪模型，建立水下激光测深点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型，能够较大程度提高水下测深点的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的光子计数激光雷达椭圆扫描系统结构示意图；
图2是本发明的反射镜法线方向向量的两个笛卡儿直角坐标系；
图3是本发明的反射光线在传感器坐标系下的几何角度；
图4是本发明的从法线变化计算出射激光的几何结构示意图；
图5是本发明的激光海面入射点示意图；
图6是本发明的层内常光速光线跟踪示意图；
图7是本发明的激光雷达水下光路示意图；
图8是严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
首先，本发明涉及如下技术术语：
光子计数激光雷达
光子计数激光雷达又被称为单光子激光雷达，是一种具有高灵敏度、高时间分辨率的激光雷达。它采用能探测低至单个光子量级弱回波信号的光电探测器—单光子探测器作为光电转换器件，再配合高精度的时间相关单光子计时技术(Time Correlated SinglePhoton Counting,TCSPC)可以完成弱信号的高精度探测，适用于远距离、低反射率目标等回波强度受限的场景[20]。
惯性导航系统
惯性导航系统(INS，以下简称惯导)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统[21]。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
水下光线跟踪法
光线跟踪是建立在水下光速剖面基础上的一种追踪水下激光测深点(投射点)在激光雷达扫描参考坐标系中的坐标计算方法[22]。以每个水柱层内光子以常速运动的假设前提下，根据Snell法则计算出每个水柱层界面上的光线入射角和折射角，分别计算出光线在每个水柱层内的旅行时间和水平位移量，直至光线在界面或层内某处消失为止。
本发明严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法，主要包括以下步骤：
(1)分析光子计数激光雷达扫描系统结构，建立激光反射光线水面的入射角、方位角与反射镜法线向量的几何关系模型；
(2)构建激光水面入射点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；
(3)提出水下层内常光速光线跟踪模型，构建水下测深点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；
(4)建立激光扫描参考坐标系与WGS84空间直角坐标系的关系模型，将激光水下测深点坐标归位到WGS84空间直角坐标系中。
参见图1至图7所示，现在对本发明的具体实施方式进行如下详细描述：
(1)总体技术方案
首先，分析光子计数激光雷达扫描系统结构，建立激光反射光线水面的入射角、方位角与反射镜法线向量的几何关系模型；其次，构建激光水面入射点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；再次，提出水下层内常光速光线跟踪模型，构建水下测深点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；最后，建立激光扫描参考坐标系与WGS84空间直角坐标系的关系模型，将激光水下测深点坐标归位到WGS84空间直角坐标系中。
(2)水面激光光斑在激光雷达扫描参考坐标系下的坐标计算
1)光子计数激光雷达椭圆扫描系统结构
本文介绍的海洋激光雷达为常规的椭圆扫描结构(图1所示)，使用一个可绕旋转轴旋转的棱镜作为反射镜，控制发射激光束的方向，发射激光被棱镜反射后指向海面。棱镜的法线方向与旋转轴的夹角为7.5°，当棱镜面绕着旋转轴旋转时，激光以近似15°的入射角在海面绘制轨迹。由于在扫描一周的过程中入射角并非均等于15°(与法线方向有关)，最终飞机在悬停状态时海面激光点轨迹为近似椭圆的卵形，因此该扫描结构又被称为卵形扫描结构。
2)激光雷达扫描参考坐标系
激光雷达扫描参考坐标系定义：以反射镜中心点为坐标原点O，Xs轴指向出射激光的负方向，Ys轴指向飞行方向，Zs轴与Xs、Ys轴构建右手坐标系，方向垂直向上。入射激光和马达转轴在同一个平面(XsZs面)，激光水平入射(沿Xs轴负方向)，激光的反射镜入射点为反射镜中心。为了方便理解，如图2所示，将原来的XsYsZs坐标系绕Ys轴逆时针旋转45°得到新的坐标系Xs′Ys′Zs′，此时Zs′轴和马达的转动方向相重合。反射镜法线在XsZs面的投影与Zs轴的夹角
在YsZs面的投影与Zs轴的夹角
如图3所示，反射光线在XsZs、YsZs平面的投影与Z轴的夹角分别为φx、φy，其天底角为φ。由于激光沿着Xs轴的负方向入射，法线在YsZs面的投影与Zs轴的夹角
等于反射激光在YsZs面的投影与Zs轴的夹角φy(因为入射激光线、反射镜法线、反射激光线共面，而入射激光线垂直于YsZs面，根据一个平面经过另一个平面垂线，此时，两个平面正交的定理)，因此，在YsZs平面上，法线转动的角度与反射光线转动的角度同步(即法线转动θ角，反射光线也转动θ角)。而在XsZs平面上，当反射镜转动(即法线)θ角时，反射光线则转动2θ角。当法线角度变化后，夹角
也随之发生变化，由
容易求解φx，并进而解算光束的天底角φ和方位角
因此法线的角度变化是关键所在。
3)反射镜法线的方向向量
在图2中，反射镜法线在Xs′Ys′Zs′坐标系的法线向量(Fx′,Fy′,Fz′)：
再通过绕Ys′坐标轴顺时针旋转45°即可得到XsYsZs坐标系的反射镜法线向量(Fx,Fy,Fz)：
4)反射光线在激光扫描参考坐标系中的相关角度
由图2、图4几何关系可知，
因此有：
φx(θ)＝2arctan(Fx/|Fz|)-90° (3)
由图2几何关系可知，
而
所以：
φy(θ)＝arctan(Fy/|Fz|) (4)
由图3的几何关系得出天底角φ和方位角
为：
5)水面光斑脚印在激光雷达扫描参考坐标系下的坐标
如图5所示，如果海面为平面，激光海面入射点为P1，激光器中心表示为S，激光束在空中的斜距为L1，方位角为
反射镜中心的测量高度为H，则激光海面入射点P1的位置坐标为：
xs＝H tan(φx) (7)
ys＝H tan(φy) (8)
zs＝-H (9)
(3)水下光斑脚印在激光雷达扫描参考坐标系下的坐标计算
1)基于水体层内常光速假设下的光线跟踪算法
由于水体垂直方向每个水团的温度、盐度及密度不同，从而导致在每个水团中旅行的光速也不同，同时光线也会在不同水团界面处发生折射现象。所以需要利于海洋光速剖面仪获取到垂直方向的水深及光速值序列后，再对光线进行精确跟踪，进而获得高精度的水下光斑脚印坐标。
假设激光光束经历由N层组成的水柱，光速在层内以常光速传播(图6)，根据Snell法则有：
如图6所示，设水柱层厚度为Δzi(Δzi＝zi+1-zi)，则光束在层i内的水平位移yi和传播时间ti为：
根据式(11)和式(12)，光束经历整个水柱的水平距离和传播时间分别为：
假设光束没有经历全部的水柱层，而在Zr处消失，此时光束在该层的水平位移为Δyr，垂直位移为Δzr。光束在全部水柱层中经历的时间为tall，在该层经历的时间为tr，则光束在该层经历的光程ΔSr为：
Δzr＝ΔSr·cosθr (16)
Δyr＝ΔSr·sinθr (17)
所以，光束在水体中总的水平位移和垂直位移分别为：
2)水下激光脚印在激光扫描参考坐标系下的坐标
如图7所示，激光以入射角φ在水面P1点入射，折射角为θ0，依次经过不同的水层的P2、P3，最终达到点P4处光能消失。OP4′为水下激光雷达测深点在水面的投影点到坐标原点的距离Ls，则其值为：
则激光雷达水下测深点的xw、yw坐标值分别为：
Zs＝-Ha-Hw＝-Ha-z′ (23)
(4)水下测深点在WGS84空间直角坐标系下的坐标
而(XGPS,YGPS,ZGPS)为：
式(24)、(25)中，(Xs-wgs84,Ys-wgs84,Zs-wgs84)为激光雷达水下测深点在WGS84空间直角坐标系下的坐标；(XGPS,YGPS,ZGPS)为气垫船载GPS天线中心在WGS84空间直角坐标系的坐标；R(yaw,pitch,roll)为本体坐标系向当地导航坐标系转换的旋转矩阵；
包括两部分，即激光扫描参考坐标系中心和IMU本体坐标系中心的偏心差，以及GPS天线中心IMU本体坐标系中心的偏心差；
为激光扫描参考坐标系相对于IMU本体坐标系的安置偏角。
由此可见，本发明中解决了下列技术问题：
(1)分析了光子计数激光雷达扫描系统结构，建立了激光反射光线与反射镜法线向量的几何关系模型；
(2)构建了激光雷达水面入射点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；
(3)提出了水下层内常光速光线跟踪模型；
(4)建立了水下激光雷达脚印在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；
(5)将水下测深点坐标归位到WGS84空间直角坐标系下。
另外，本发明的技术特点如下：
(1)分析了单光子激光雷达扫描系统结构，建立了激光反射光线入射角、方位角与反射镜法向量的几何关系模型；
(2)提出了水下层内常光速光线跟踪模型，精确跟踪了水下激光脚印，提高了水下激光测深点的坐标精度。
Claims (5)
1.严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分析光子计数激光雷达扫描系统结构，建立激光反射光线水面的入射角、方位角与反射镜法线向量的几何关系模型；
(2)构建激光水面入射点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；
(3)提出水下层内常光速光线跟踪模型，构建水下测深点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型；
(4)建立激光扫描参考坐标系与WGS84空间直角坐标系的关系模型，将激光水下测深点坐标归位到WGS84空间直角坐标系中。
2.如权利要求1所述的严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法，其特征在于，步骤(1)中所述建立激光反射光线水面的入射角、方位角与反射镜法线向量的几何关系模型，包括以下步骤：
1)分析光子计数激光雷达扫描系统结构；
2)激光扫描参考坐标系及其过渡坐标系的建立；
3)激光扫描参考坐标系下反射光线水面的入射角、方位角与反射镜法线向量的关系模型建立。
3.如权利要求1所述的严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法，其特征在于，步骤(2)中所述构建激光水面入射点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型，包括以下步骤：
1)分解激光反射光线水面入射角在X轴、Y轴的分量，分别建立其分量与反射镜法线向量的关系；
2)计算激光水面入射点三维坐标值。
4.如权利要求1所述的严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法，其特征在于，步骤(3)中所述提出水下层内常光速光线跟踪模型，构建水下测深点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型，包括以下步骤：
1)构建水下光速剖面；
2)提出水下层内常光速光线跟踪模型；
3)构建水下测深点在激光扫描参考坐标系中的坐标计算模型。
5.如权利要求1所述的严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法，其特征在于，步骤(4)中所述建立激光扫描参考坐标系与WGS84空间直角坐标系的关系模型，将激光水下测深点坐标归位到WGS84空间直角坐标系中，包括以下步骤：
1)根据激光扫描参考坐标系与WGS84空间直角坐标系的构建原则，建立两者之间的关系模型；
2)将激光水下测深点坐标归位到WGS84空间直角坐标系中。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211411317.5A CN116106925A (zh) | 2022-11-11 | 2022-11-11 | 严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211411317.5A CN116106925A (zh) | 2022-11-11 | 2022-11-11 | 严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116106925A true CN116106925A (zh) | 2023-05-12 |
Family
ID=86260489
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211411317.5A Pending CN116106925A (zh) | 2022-11-11 | 2022-11-11 | 严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116106925A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116609759A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-08-18 | 自然资源部第一海洋研究所 | 一种机载激光测深海底弱回波增强识别方法及系统 |
-
2022
- 2022-11-11 CN CN202211411317.5A patent/CN116106925A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116609759A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-08-18 | 自然资源部第一海洋研究所 | 一种机载激光测深海底弱回波增强识别方法及系统 |
| CN116609759B (zh) * | 2023-07-21 | 2023-10-31 | 自然资源部第一海洋研究所 | 一种机载激光测深海底弱回波增强识别方法及系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110779498B (zh) | 基于无人机多视点摄影的浅水河流水深测绘方法及系统 | |
| Jaakkola et al. | A low-cost multi-sensoral mobile mapping system and its feasibility for tree measurements | |
| Xie et al. | Design and data processing of China's first spaceborne laser altimeter system for earth observation: GaoFen-7 | |
| Quadros et al. | Integration of bathymetric and topographic LiDAR: A preliminary investigation | |
| Lund et al. | On shipboard marine X-band radar near-surface current ‘‘calibration’’ | |
| WO2020151213A1 (zh) | 一种空地结合的潮间带一体化测绘方法 | |
| Zhang et al. | Refraction and coordinate correction with the JONSWAP model for ICESat-2 bathymetry | |
| Li et al. | Exploring modern bathymetry: A comprehensive review of data acquisition devices, model accuracy, and interpolation techniques for enhanced underwater mapping | |
| Gruno et al. | Determining sea surface heights using small footprint airborne laser scanning | |
| CN109298431B (zh) | 一种三波段机载激光雷达系统 | |
| CN111766599A (zh) | 一种实时测量海浪高度的激光雷达装置及方法 | |
| CN115755071A (zh) | 基于声光遥感和vr技术的深海原位精细探测框架设计方法 | |
| CN116027349A (zh) | 基于激光雷达和侧扫声呐数据融合的珊瑚礁底质分类方法 | |
| CN116106925A (zh) | 严密的光子计数机制激光雷达水下测深点坐标计算方法 | |
| CN116105685A (zh) | 基于声光遥感和滚轮的潮间带地形无缝一体化测量方法 | |
| Zhou et al. | Adaptive High-Speed Echo Data Acquisition Method for Bathymetric LiDAR | |
| Abileah | Mapping shallow water depth from satellite | |
| Holland et al. | Littoral environmental reconnaissance using tactical imagery from unmanned aircraft systems | |
| CN113238202B (zh) | 光子激光三维成像系统的坐标系点云计算方法及其应用 | |
| Feygels et al. | Coastal Zone Mapping and Imaging Lidar (CZMIL): first flights and system validation | |
| Boeder et al. | Initial experience with the integration of a terrestrial laser scanner into the mobile hydrographic multi sensor system on a ship | |
| Filin | Calibration of airborne and spaceborne laser altimeters using natural surfaces | |
| Popescu et al. | An overall view of LiDAR and Sonar systems used in geomatics applications for hydrology. | |
| Feixiang et al. | Research on Marine Buoy Surface Reconstruction Algorithm Based on Point Cloud Data | |
| Li et al. | Sea Fall Point Measurement Method Based on Cone Angle Intersection |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |