条纹管激光成像雷达海面回波畸变测量浅层海水衰减系数的遥感方法

摘要

条纹管激光成像雷达海面回波畸变测量浅层海水衰减系数的遥感方法，本发明涉及测量浅层海水衰减系数的遥感方法。本发明是要解决现有方法探测效率较低并且不能做到实时探测的问题。一、激光器产生光源，通过条纹管激光成像雷达的发射光学系统发射光功率的时域信号到海面；二、光反射回波由接收光学系统接收，通过窄带滤光片滤去杂光，使反射光照射到条纹管探测器上，条纹管探测器记录经过海平面畸变后的回波光，并通过条纹管激光器的A/D采集以及DSP处理，得到海平面回波的光功率信号；三、利用海平面回波的光功率信号计算出浅层海水的衰减系数。本发明应用于海洋探测领域。

说明书

技术领域

本发明涉及测量浅层海水衰减系数的遥感方法。

背景技术

海水对于激光的衰减系数(或衰减长度)测量是海洋学领域水下探测方向一直需要面 对和解决的问题。目前的测量方法都是通过采集水样或者实地测量等接触式测量为主，其 探测效率较低，且由于测量时间较长，水质发生变化，不能做到实时探测。

而非接触式海水激光衰减系数的探测方法是通过遥感方式，可以大面积，实时对于海 水衰减系数进行遥测，可以提高探测效率。海水对激光衰减系数的非接触式测量由于探测 效率高、精度高等特点备受人们的重视。特别，此项技术可以应用在机载平台上，其探测 效率可大大提高。

发明内容

本发明是要解决现有方法探测效率较低并且不能做到实时探测的问题，而提供了条纹 管激光成像雷达海面回波畸变测量浅层海水衰减系数的遥感方法。

条纹管激光成像雷达海面回波畸变测量浅层海水衰减系数的遥感方法按以下步骤实 现：

一、激光器产生光源，通过条纹管激光成像雷达的发射光学系统发射光功率的时域信 号到海面；

激光器产生的光功率的时域信号为：

$P_0\left(t\right)=A_0\exp \left(\frac{t^2}{{\sigma }^2}\right)---\left(1\right)$

其中，A₀为激光器固有光功率振幅；σ为激光脉宽的一半，t为信号的时域时间；

二、光反射回波由接收光学系统接收，通过窄带滤光片滤去杂光，使反射光照射到条 纹管探测器上，条纹管探测器记录经过海平面畸变后的回波光，并通过条纹管激光器的 A/D采集以及DSP处理，得到海平面回波的光功率信号；

三、利用海平面回波的光功率信号计算出浅层海水的衰减系数。

发明效果：

闪光式激光成像雷达海面成像原理，海面以下海水对激光的后向散射会对回波造成一 定的畸变。通过对这种畸变的探测和分析，可以计算出浅层海水的衰减系数。通过这种新 方法，利用Matlab仿真，探测了不同水质海水的衰减系数，该测量结果最大绝对误差小 于0.01/m。利用本方法可以替代传统的采集水样、逐点测量的传统方法，通过焦平面面 阵成像以及利用遥感方式大大增加了浅层海水衰减系数探测效率。

本发明提出一种利用闪光式激光成像雷达通过海面回波由于海水后向散射产生的畸 变探测浅层海水衰减系数的新方法。本方法是通过遥感的方式利用条纹管激光成像雷达对 浅层海水衰减系数进行面阵探测，大大提高了探测效率，并且可以做到非接触实时测量。 为了能够更加快捷、高效地探测浅层海水衰减系数，本发明基于条纹管海面激光成像技术， 提出一种利用其水下后向散射造成的回波畸变测量浅层海水激光衰减系数的方法。

附图说明

图1是具体实施方式一中的条纹管激光成像雷达的发射光学系统图；

图2是仿真实验中的探测器接收到的回波功率图；

图3(a)为仿真实验中H₀随衰减系数k₂的变化规律图；

图3(b)为仿真实验中P₁随衰减系数k₂的变化规律图；

图3(c)为仿真实验中P₂随衰减系数k₂的变化规律图；

图3(d)为仿真实验中S²随衰减系数k₂的变化规律图，当k₂取0.3/m时，S²取最小 值；

图4为仿真实验中不同水质的衰减系数数值模拟结果图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的条纹管激光成像雷达海面回波畸变测量浅层海水衰减 系数的遥感方法按以下步骤实现：

一、激光器产生光源，通过条纹管激光成像雷达的发射光学系统发射光功率的时域信 号到海面；

激光器产生的光功率的时域信号为：

$P_0\left(t\right)=A_0\exp \left(\frac{t^2}{{\sigma }^2}\right)---\left(1\right)$

其中，A₀为激光器固有光功率振幅；σ为激光脉宽的一半，t为信号的时域时间；

二、光反射回波由接收光学系统接收，通过窄带滤光片滤去杂光，使反射光照射到条 纹管探测器上，条纹管探测器记录经过海平面畸变后的回波光，并通过条纹管激光器的 A/D采集以及DSP处理，得到海平面回波的光功率信号；

三、利用海平面回波的光功率信号计算出浅层海水的衰减系数。

利用条纹管激光成像技术测量浅层海水衰减系数实验方案如图1所示。该装置有激光 器，光束整形器，光学发射系统，光学接收系统，窄带滤光片，条纹管探测器和信号处理 系统(A/D转换和DSP)组成。条纹管探测器分为单狭缝和多狭缝两种。利用多狭缝可 直接对于探测区域进行面阵探测。如是单狭缝条纹管探测器，其发射是线状光斑，可通过 搭载飞行器或者自身摆扫实现面阵探测。

首先打开激光器，使光源通过发射光学扩束系统，变为线状或者面圆光斑。光斑照射 到海面上，其反射回波由接收光学系统接收。通过窄带滤光片滤去杂光，使反射光照射到 条纹管探测器上。通过激光器发射的激光信号，条纹管探测器记录回波信号，通过A/D 采集，以及DSP处理，得到海平面回波光功率信号。利用海平面回波光功率信号我们可 以计算出浅层海水的衰减系数。

一定波长的激光对于海水具有一定的穿透能力，其波长范围表示为海洋的激光传输窗 口。某些波长不能够穿透海洋表面，则其海水衰减系数视为无穷大。

本实施方式效果：

闪光式激光成像雷达海面成像原理，海面以下海水对激光的后向散射会对回波造成一 定的畸变。通过对这种畸变的探测和分析，可以计算出浅层海水的衰减系数。通过这种新 方法，利用Matlab仿真，探测了不同水质海水的衰减系数，该测量结果最大绝对误差小 于0.01/m。利用本方法可以替代传统的采集水样、逐点测量的传统方法，通过焦平面面 阵成像以及利用遥感方式大大增加了浅层海水衰减系数探测效率。

本实施方式提出一种利用闪光式激光成像雷达通过海面回波由于海水后向散射产生 的畸变探测浅层海水衰减系数的新方法。本方法是通过遥感的方式利用条纹管激光成像雷 达对浅层海水衰减系数进行面阵探测，大大提高了探测效率，并且可以做到非接触实时测 量。

为了能够更加快捷、高效地探测浅层海水衰减系数，本发明基于条纹管海面激光成像技术， 提出一种利用其水下后向散射造成的回波畸变测量浅层海水激光衰减系数的方法。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二条纹管探测器记录 经过海平面畸变后的回波信号并通过条纹管激光器的A/D采集以及DSP处理，得到海平 面的回波的光功率信号具体为：

(一)条纹管探测器探测单元记录海表面散射光功率信号；

$\left(\begin{array}{c}{P}_r\left(t\right)=A_1\exp \left(\frac{{(t-2t_0)}^2}{{\sigma }^2}\right)\exp (-k_1·{2\mathrm{Ct}}_0)\\ =A_1\exp \left(\frac{{(t-2\frac{H_0}{C})}^2}{{\sigma }^2}\right)\exp (-k_1·{2H}_0)\end{array}\right)---\left(2\right)$

$A_1=P_{0}a\frac{\pi r^2}{{\left({\mathrm{Ct}}_0\right)}^2}{T_1}^2---\left(3\right)$

其中，A₁为条纹管探测器单元接收到的海表面散射光振幅，t为信号的时域时间，t₀为光 从激光器到海面所经历的时间，k₁为大气衰减系数，C为光速，H₀为装置距海面高度，σ 为激光脉宽一半，a为散射光功率空间分布函数；T₁为光学系统单程透过率，k₁为大气衰 减系数，A₀为激光器固有光功率振幅，r为条纹管探测器接收光学系统半径；

(二)条纹管探测器探测单元记录穿透海平面的散射光信号即水下后向散射光功率信 号；

首先假定在水下某一点S处，激光产生后向散射，其后向散射被条纹管探测器单元 接收到的光功率信号为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_b=(t,L)=A_2\exp (-\frac{{(t-{2t}_0-{2t}_2)}^2}{{\sigma }^2})\exp (-{2k}_{1}C(t-{2t}_0))\exp (-2k_2{C}_W{t}_2)\\ \stackrel{·}{=}{A}_2\exp (-\frac{{(t-{2t}_0-2t_2)}^2}{{\sigma }^2})\exp (-2k_1{H}_0)\exp (-2k_{2}L)\\ =A_2\exp (-\frac{{(t-2\frac{H_0}{C}-2\frac{\mathrm{nL}}{C})}^2}{{\sigma }^2})\exp (-2k_1{H}_0)\exp (-2k_{2}L)\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中，L为水面到S点距离；A₂为接收到后向散射光功率的振幅；n为折射率；k₂为浅层 海水衰减系数；t₂为激光从海面到S点所经历的时间，C_W为激光在水中速度；

其振幅A₂表示为：

$A_2=P_0{T_1}^2{T}_2{T}_3{T}_{4}b\frac{\pi r^2}{{(H_0+\mathrm{nL})}^2}---\left(5\right)$

其中，T₂为激光从空气进入海水的透过率；T₃为光线沿折射光线传播的比率；T₄为激光 从海水到空气的透过率；b为海水体后向散射系数，P₀激光器峰值功率；

计算激光从进入海水一直传播到S点处产生的总的后向散射光功率回波信号为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_b\left(t\right)=\underset{0}{\overset{+\infty }{\int }}{P}_b(t,L)\mathrm{dL}\\ =\underset{0}{\overset{+\infty }{\int }}{P}_0{T_1}^2{T}_2{T}_3{T}_{4}b\frac{\pi r^2}{(H_0+\mathrm{nL}{)}^2}·\exp (-\frac{{(t-2\frac{H_0}{C}-2\frac{\mathrm{nL}}{C})}^2}{{\sigma }^2})\exp (-2k_1{H}_0)\exp (-2k_{2}L)\mathrm{dL}\end{array}\right)---\left(6\right)$

(三)条纹管探测器记录海平面回波的光功率信号即经过海平面畸变后的回波信号总 功率为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_t\left(t\right)=P_{0}a\frac{\pi r^2}{{H_0}^2}{T_1}^2\exp (-\frac{{(t-2\frac{H_0}{C})}^2}{{\sigma }^2})\exp (-2k_1{H}_0)\\ +\underset{0}{\overset{+\infty }{\int }}{P}_0{T_1}^2{T}_2{T}_3{T}_{4}b\frac{\pi r^2}{(H_0+\mathrm{nL}{)}^2}·\exp (-\frac{{(t-2\frac{H_0}{C}-2\frac{\mathrm{nL}}{C})}^2}{{\sigma }^2})\exp (-2k_1{H}_0)\exp (-2k_{2}L)\mathrm{dL}\end{array}\right)---\left(7\right).$

由上式可以看出，各个参数可非为两类，一类是随着时间t，距离H₀，海水衰减系数 k₂变化的量，另外一类是不随这三个参数变化的量；

其中，t₀＝H_0/C

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三利用海平面回 波的光功率信号计算出浅层海水的衰减系数：

通过分离变量法得到：

P_t(t)＝P_t(P₁,P₂,H₀,t,k₂)＝P₁f(H₀,t)+P₂g(H₀,t,k₂)  (8)

其中，

P₁＝aT₁²P₀πr²  (9)

P₂＝P₀T₁²T₂T₃T₄b·πr²  (10)

$f(H_0,t)=\frac{1}{{H_0}^2}\exp (-\frac{{(t-2\frac{H_0}{C})}^2}{{\sigma }^2})\exp (-2k_1{H}_0)---\left(11\right)$

$g(H_0,t,k_2)=\underset{0}{\overset{+\infty }{\int }}\frac{1}{{(H_0+\mathrm{nL})}^2}·\exp (-\frac{{(t-2\frac{H_0}{C}-2\frac{\mathrm{nL}}{C})}^2}{{\sigma }^2})\exp (-2k_1{H}_0)\exp (-2k_{2}L)\mathrm{dL}---\left(12\right)$

假设在探测器中，实际探测的真实信号为G(t)，则该信号具有如下的特征：

$P_p=G\left(\frac{{2H}_1}{C}\right)=G\left(t_1\right)---\left(13\right)$

G′(t₁)＝0  (14)

$\underset{0}{\overset{\infty }{\int }}G\left(t\right)\mathrm{dt}=E_t---\left(15\right)$

其中，t₁为峰值时间；P_P为峰值功率；E_t为回波能量；G(t₁)实际探测信号的峰值功率， G′(t₁)实际探测到的功率信号在t1时刻的导数为0；

因此，P_t(t)函数需满足条件(13)，(14)，(15)；

P₁f′(H₀,t₁)+P₂g′(H₀,t₁,k₂)＝0     (16)

P₁f(H₀,t₁)+P₂g(H₀,t₁,k₂)＝P_p   (17)

$P_1\underset{0}{\overset{+\infty }{\int }}f(H_0,t)\mathrm{dt}+P_2\underset{0}{\overset{+\infty }{\int }}g(H_0,t,k_2)\mathrm{dt}=E_t---\left(18\right)$

根据方程(16)-(18)，可以得出：

$\frac{f(H_0,t_1)·g^{\prime }(H_0,t_1,k_2)-f^{\prime }(H_0,t_1)·g(H_0,t_1,k_2)}{\underset{0}{\overset{+\infty }{\int }}f(H_0,t)\mathrm{dt}·g^{\prime }(H_0,t_1,k_2)-f^{\prime }(H_0,t_1)·\underset{0}{\overset{+\infty }{\int }}g(H_0,t,k_2)\mathrm{dt}}{=P}_p/E_t---\left(19\right)$

$P_1=\frac{P_p·g^{\prime }(H_0,t_1,k_2)}{f(H_0,t_1)·g^{\prime }(H_0,t_1,k_2)-f^{\prime }(H_0,t_1)·g(H_0,t_1,k_2)}$

$\left(20\right)$

$P_2=\frac{-P_p·f^{\prime }(H_0,t_1)}{f(H_0,t_1)·g^{\prime }(H_0,t_1,k_2)-f^{\prime }(H_0,t_1)·g(H_0,t_1,k_2)}---\left(21\right)$

其中，H₀，P₁，P₂，K₂为未知数，由(19)-(21)得到H₀，P₁，P₂关于k₂的表达式； 得到H₀，P₁，P₂关于k₂的曲线；

引入函数S²，其表现为P_t(t)与函数G(t)的相似度：

$S^2=\underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{(P_{\mathrm{total}}\left(t\right)-G\left(t\right))}^2\mathrm{dt}---\left(22\right)$

S²越小，P_t(t)与函数G(t)相似度越高；

将由方程组(19)-(21)得出的H₀，P₁，P₂关于k₂的变化规律，将这些数值代入方 程(22)当S²取最小值时，得浅层海水衰减系数k₂。

其中，t₂＝L/C_w

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

仿真实验：

根据上面的理论分析，应用MATLAB来验证本发明提出方法的可行性，以YAG激 光器为例，其波长λ＝532nm。数值模拟参数如下表所示。

表1数值模拟参数列表

由上表中参数，可以获得探测器接收到的回波信号，如图2所示。虚线为回波总的功 率信号，实线为水下后向散射产生的回波功率信号，剩余曲线为来自海面反射的回波功率 信号。

可知，本仿真实验用于计算的海水的衰减系数为0.3/m。通过本发明提供的算法，利 用上图的信号波形，可以反算出如下结果。图3(a)(b)(c)分别为H₀，P₁，P₂随衰减 系数k₂的变化规律。图3(d)可以看出当k₂取0.3/m时，方差最小。因此，可以确定此 海水的衰减系数为0.3/m。

利用此方法，仿真实验分别模拟了不同水质的海水，以及通过本方法所得到的衰减系 数。如图4所示。