一種基于混沌激光裝置及其相關(guān)法的航道水深測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光雷達(dá)測(cè)深的航道水深測(cè)量方法，具體是一種基于混沌激光裝 置及其相關(guān)法的航道水深測(cè)量方法，屬于水下探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 水運(yùn)航道是基礎(chǔ)設(shè)施，水運(yùn)航道建設(shè)不僅促進(jìn)了水運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，而且在國(guó)際貿(mào) 易不斷發(fā)展的背景下，其經(jīng)濟(jì)作用日益突出。為了確保航道通航安全，對(duì)航道水深的測(cè)量至 關(guān)重要。
[0003]現(xiàn)有航道水深的測(cè)量方法主要有：?jiǎn)尾ㄊ暭{技術(shù)，多波束聲納技術(shù)，基于多光譜 的遙感探測(cè)技術(shù)，基于微波的遙感探測(cè)技術(shù)，以及機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)。
[0004] 單波束和多波束聲納技術(shù)，其原理都是利用水聲換能器發(fā)射和接收聲波信號(hào)，根 據(jù)波束在水中的往返時(shí)間以及聲速確定水深。相對(duì)于單波束，多波束聲納測(cè)深技術(shù)探測(cè)范 圍更廣、測(cè)量效率和測(cè)量精度更高，已成為海底地形測(cè)量最廣泛使用的探測(cè)技術(shù)。例如，德 國(guó)的L3ELACNautk公司已研制出了多波束聲納Seabeam系列產(chǎn)品，最大測(cè)深達(dá)到11000 米。挪威的KongsbergMaritime公司已生產(chǎn)出DDS9000多波束聲納探測(cè)系統(tǒng)，最大測(cè)深為 1000米。
[0005] 多光譜遙感測(cè)深技術(shù)，就是利用衛(wèi)星上可見(jiàn)光或近紅外波段的兩個(gè)以上的光譜通 道的傳感器對(duì)淺水區(qū)域進(jìn)行同步成像的一種遙感技術(shù)，通過(guò)對(duì)水面反射的若干光譜段的電 磁波信息的接收和記錄，從而提取出淺水區(qū)域的水深信息。例如，澳大利亞昆士蘭大學(xué)近 來(lái)利用Quickbird衛(wèi)星記錄的多光譜數(shù)據(jù)，對(duì)該國(guó)的摩頓灣進(jìn)行了水深和水下地形的測(cè)圖 (RemoteSensing, 3，42-64，2011)。我國(guó)內(nèi)蒙古大學(xué)利用Landsat衛(wèi)星記錄的多光譜遙 感信息反演了我國(guó)烏梁素海淺水湖泊的水深(水科學(xué)進(jìn)展，20(1)，111-117，2009)。
[0006]對(duì)于微波遙感測(cè)深技術(shù)，合成孔徑雷達(dá)（SyntheticApertureRadar,SAR)是一 種主動(dòng)式的微波成像雷達(dá)，通過(guò)獲得淺水區(qū)域后向散射強(qiáng)度的圖像，反演計(jì)算淺水區(qū)域的 水深。目前研宄影響較大的淺海水深SAR遙感探測(cè)技術(shù)是荷蘭科學(xué)家Calkoen等人采用 迭代方式建立的"水深估測(cè)系統(tǒng)"，并在反演淺海區(qū)域的水深值時(shí)獲得了較高精度（/AT.7； Remote Sensing,22(15), 2973-2998, 2001)〇
[0007] 機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)作為多波束聲納測(cè)深技術(shù)的補(bǔ)充，在淺水區(qū)域的水深測(cè)量方面 顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA研發(fā)成功了EAARL激光雷達(dá)系統(tǒng)，其測(cè) 深范圍為0. 3-26米，已完成了加利福尼亞州克拉瑪斯河的測(cè)量（/otfraa/ 〇/iAe辦?erica/? 49(1)，183-204，2013)。中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所和海軍 海洋測(cè)繪研宄所已完成了機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)樣機(jī)的研制，其測(cè)深范圍〇. 5-50米，測(cè)深精度 為 ±0.3 米(海洋測(cè)繪，34(2)，72-75，2014)。
[0008]對(duì)于上述測(cè)量航道的水深方法，單波束和多波束聲納測(cè)深技術(shù)主要應(yīng)用在深水區(qū) 域，特別是在幾百米以上的水域，其測(cè)深能力無(wú)法匹敵。然而，對(duì)于淺水區(qū)域，由于溫躍層對(duì) 聲場(chǎng)分布影響很大，致使聲速的確定只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算獲得，使得利用聲納技術(shù)測(cè) 量淺水水深會(huì)有很大的誤差。盡管個(gè)別多波束聲納系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了對(duì)淺水水深的測(cè)量，但算 法復(fù)雜，耗時(shí)量大，不便于快速反應(yīng)和現(xiàn)場(chǎng)決策。甚至在周?chē)h(huán)境變化很大的淺水區(qū)域，現(xiàn) 有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔ?huì)失效，從而測(cè)得了錯(cuò)誤的水深信息，這會(huì)嚴(yán)重危及到航道的通行安全。
[0009] 多光譜和微波遙感探測(cè)技術(shù)能夠反演淺海水域的水深，但都需要建立圖像信息與 海洋物理和大氣參數(shù)之間復(fù)雜的相關(guān)模型。由于它們之間存在著較復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系，導(dǎo) 致最終建立的相關(guān)模型也有著較大的不確定性。因而，模型的誤差較大，對(duì)不同的水體實(shí)用 性較差。另一方面，由于水體受波浪、潮汐與海流的影響較大，采用上述兩種遙感探測(cè)技術(shù) 要想達(dá)到10%以?xún)?nèi)的相對(duì)測(cè)深精度是比較困難的。
[0010] 激光雷達(dá)測(cè)深技術(shù)能夠用于測(cè)量淺水區(qū)域，并在實(shí)際的測(cè)量中得到了應(yīng)用。但該 技術(shù)主要是基于脈沖飛行法，由于自身原理的缺陷，這種技術(shù)存在0.5m左右的測(cè)深盲區(qū)， 其最淺測(cè)深能力受到極大限制。而且，對(duì)于該技術(shù)，水下目標(biāo)的距離分辨率與探測(cè)深度存在 著無(wú)法調(diào)和的矛盾，其距離分辨率是由探測(cè)脈沖的寬帶決定，目前采用的脈沖寬度通常為 5~10ns，對(duì)應(yīng)的距離分辨率大約為1.lm左右。為了提高距離分辨率，需采用脈寬更窄的 探測(cè)脈沖，但這樣會(huì)明顯降低探測(cè)脈沖的能量，進(jìn)而減少了可探測(cè)的深度。
[0011] 上述對(duì)于淺水區(qū)域的航道水深測(cè)量，單波束和多波束聲納測(cè)深技術(shù)的測(cè)深能力捉 襟見(jiàn)肘。采用多光譜和微波遙感測(cè)深技術(shù)可以反演淺水區(qū)域的航道水深，但是，其測(cè)量誤差 較大。相對(duì)而言，激光雷達(dá)測(cè)深技術(shù)在淺水區(qū)域的航道水深測(cè)量方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，但 存在著0. 5m左右的測(cè)深盲區(qū)、距離分辨率與探測(cè)深度之間矛盾、探測(cè)精度低等諸多問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明提供一種基于混沌激光裝置及其相關(guān)法的航道水深測(cè)量方法，用以解決現(xiàn) 有淺水區(qū)域航道測(cè)量方法的距離分辨率與測(cè)量深度之間的矛盾，進(jìn)一步提高最淺測(cè)深能 力，以及探測(cè)精度。
[0013] 本發(fā)明上述所提供的一種基于混沌激光裝置及其相關(guān)法的航道水深測(cè)量方法，其 特征在于：所述混沌激光裝置是混沌固體激光器輸出的激光經(jīng)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和分束鏡后， 被分成兩束，一束光輸入光電探測(cè)器I;另一束光直接照射航道水底面，經(jīng)航道水底面反射 后被望遠(yuǎn)鏡接收，然后輸入光電探測(cè)器II;光電探測(cè)器I輸出端、可調(diào)電延遲線(xiàn)、數(shù)據(jù)采集 裝置II和信號(hào)處理裝置依次由高頻同軸電纜連接；同時(shí)光電探測(cè)器II輸出端、數(shù)據(jù)采集裝 置I和信號(hào)處理裝置依次由高頻同軸電纜連接；信號(hào)處理裝置左側(cè)輸出端連接有顯示裝 置； 所述航道水深測(cè)量方法是在航道水面載體上，將混沌激光裝置發(fā)出的波長(zhǎng)為532nm、帶 寬為10GHz以上的混沌激光分為探測(cè)光和參考光，將平均光功率為85W以上的探測(cè)光直接 垂直照射到水體濁度為100NTU以下的航道中，經(jīng)反射率為0. 05~0. 15的航道水底面反射 回來(lái)的探測(cè)光信號(hào)，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡收集并利用光電探測(cè)器II轉(zhuǎn)化成電信號(hào)；另一束參考光經(jīng) 光電探測(cè)器I轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，兩路電信號(hào)經(jīng)存儲(chǔ)后，再進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，獲得探測(cè)光信號(hào)在 航道水中往返的飛行時(shí)間進(jìn)而計(jì)算出航道的水深。
[0014] 進(jìn)一步的附加技術(shù)特征如下。
[0015] 所述混沌固體激光器是由泵浦源半導(dǎo)體激光器模塊、激光晶體、倍頻晶體、四分之 一波片和Etalon標(biāo)準(zhǔn)具依次連接構(gòu)成? 所述混沌固體激光器是基于倍頻晶體中多縱模非線(xiàn)性耦合過(guò)程產(chǎn)生功率為85W以上， 寬帶為10GHz以上的混沌綠光。
[0016] 所述淺水區(qū)域的水體渾濁度是100NTU以下。
[0017] 所述淺水區(qū)域的水深范圍是0? 01-30米。
[0018] 本發(fā)明上述所提供的一種基于混沌激光裝置及其相關(guān)法的航道水深測(cè)量方法，與 現(xiàn)有用于淺水區(qū)域的測(cè)量航道水深的激光雷達(dá)技術(shù)相比，其突出的優(yōu)點(diǎn)與積極效果如下。
[0019] 本方法采用混沌激光相關(guān)法測(cè)量航道的淺水深，其距離分辨率是由互相關(guān)曲線(xiàn)上 峰值的半高全寬決定，而這一半高全寬又取決于混沌激光信號(hào)的帶寬，將帶寬10GHZ以上 的混沌激光信號(hào)作為探測(cè)信號(hào)，其半高全寬可以小于〇.Ins。因此本發(fā)明可以獲得厘米量級(jí) 甚至亞厘米量級(jí)的距離分辨率，而且這一距離分辨率與探測(cè)深度無(wú)關(guān)，因而解決了目前激 光雷達(dá)技術(shù)用于航道淺水深測(cè)量中距離分辨率與探測(cè)深度之間的突出矛盾。
[0020] 本方法用于航道淺水深測(cè)量，其測(cè)量盲區(qū)極小，與現(xiàn)有的激光雷達(dá)技術(shù)相比，測(cè)量 盲區(qū)由0.5m左右降低到了10cm以下，其最淺測(cè)深能力也得到明顯地提高，最小測(cè)深可小于 10cm〇
[0021] 本方法采用混沌激光信號(hào)的互相關(guān)曲線(xiàn)提取混沌激光在航道水中的飛行時(shí)間，由 于混沌信號(hào)具有類(lèi)噪聲、不可重復(fù)的特性，其互相關(guān)曲線(xiàn)只能是混沌信號(hào)與其自身延遲的 信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算獲得。因此，本發(fā)明抗干擾能力強(qiáng)，噪聲容忍度大。
[0022] 本方法測(cè)量精度高，在激光器出