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        機(jī)載激光測深技術(shù)的研究進(jìn)展

        2018-11-01 08:34:04張熠星尚建華
        激光技術(shù) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:藍(lán)綠水深海水

        張熠星,尚建華*,賀 巖

        (1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620;2.上海大恒光學(xué)精密機(jī)械有限公司,上海 201899)

        引 言

        海洋是人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,也是各類礦產(chǎn)資源的寶藏。對海洋環(huán)境、海洋資源的探索和研究,是世界各國的重要戰(zhàn)略性發(fā)展規(guī)劃。我國海域遼闊、海岸線漫長,且沿海水域水深較淺、水體渾濁。例如,渤海灣的平均水深為18m左右、最大水深約30m左右,東海、黃海大陸架的大部分水深基本不超過100m,而南海海域約有13×104km2的水體深度在2m~50m之間[1]。對于上述水深較淺的水域范圍,中型和大型船舶的安全駛?cè)氪嬖谝欢ǖ碾y度。因此,需要尋求一種新的測量方法和技術(shù)手段,以有效實(shí)現(xiàn)上述海域水體深度的準(zhǔn)確測量。

        聲吶技術(shù)是水深測量的傳統(tǒng)技術(shù)手段,是借助超聲波的傳播時間實(shí)現(xiàn)該處水體深度的測量。在測量作業(yè)時,聲吶需要搭載在船舶上。然而,當(dāng)待測水域水深較淺或存在暗礁時,聲吶測量技術(shù)往往使用受限,測量效率也急劇下降,且存在著嚴(yán)重的安全隱患[2]。從20世紀(jì)70年代起,激光技術(shù)、多光譜掃描和攝影技術(shù)的迅猛發(fā)展給海洋測深遙感提供了新的發(fā)展思路,但其在一定程度上仍會受到大氣環(huán)境、海洋環(huán)境等動態(tài)參量的影響,因而實(shí)際測量所得結(jié)果往往存在較大誤差[3]。

        較上述兩種水深測量方法而言,機(jī)載激光水下探測技術(shù)充分發(fā)揮了激光技術(shù)和空中平臺兩者的優(yōu)勢,利用特定波長激光在水中的良好穿透特性和低衰減特性,并借助飛機(jī)搭載平臺,因而能夠靈活地測量并獲得船舶無法駛?cè)雲(yún)^(qū)域的水深數(shù)據(jù)。機(jī)載激光測深技術(shù)一經(jīng)提出,即受到了各國專家學(xué)者的廣泛關(guān)注,并已得到了快速的發(fā)展。

        1 機(jī)載激光測深技術(shù)

        1.1 機(jī)載激光測深系統(tǒng)的工作原理

        機(jī)載激光測深系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)向海面同時發(fā)射波長為1.064μm和波長為0.532μm的兩束高功率、窄脈沖激光。其中,波長為1.064μm的紅外激光用于測量飛機(jī)平臺的飛行高度,該束激光在達(dá)到空氣-海水界面時發(fā)生反射,借助其發(fā)射和返回系統(tǒng)的時間差可以確定飛機(jī)的飛行高度,由于海水中存在著藍(lán)綠激光的穿透窗口,因而測深系統(tǒng)發(fā)射的波長為0.532μm的藍(lán)綠激光在海水中衰減系數(shù)最小,進(jìn)入水體和返回接收系統(tǒng)之間的能量損失也最小[4]。其將穿透海水直達(dá)海底,在經(jīng)海底反射后再穿透海水由接收望遠(yuǎn)鏡接收,通過測量該藍(lán)綠激光的發(fā)射和返回的時間差就可進(jìn)一步得到待測海水的深度。

        圖1 機(jī)載藍(lán)綠激光測深系統(tǒng)工作原理

        機(jī)載激光測深系統(tǒng)接收的回波信號波形如圖2所示?;夭ㄐ盘栔杏袃蓚€峰值,峰值較高的信號是海表面反射的回波信號,峰值較低的信號是由海底反射的,二者之間的時間差為Δt。因此,激光在水中傳播所遇到的目標(biāo)深度D如下式所示:

        (1)

        式中,Δt是海面和海底反射回波信號之間的時間差,c0是真空中的光速,nw是藍(lán)綠激光在海水中的折射率,θ是藍(lán)綠激光的海面入射角[5]。

        實(shí)際測量中,為獲取海水深度,還需排除其它水下目標(biāo)反射而形成的回波干擾。此外,測量海深的另一難點(diǎn)在于,藍(lán)綠激光穿透水體的過程中會產(chǎn)生一定的后向散射。由于淺水水域中不僅含有大量的水分子,同時還有較多的浮游植物和非藻類懸浮物,因此,海水的后向散射系數(shù)較大,甚至出現(xiàn)待測回波光信號被噪聲完全淹沒的情況。并且,隨著藍(lán)綠激光穿透海水的深度不斷增加,激光能量卻在不斷衰減,這也會導(dǎo)致回波信號光極其微弱,甚至造成檢測失敗。因此,需要采用一定的方法減少后向散射形成的噪聲干擾,降低藍(lán)綠激光穿透海水的能量損失,增強(qiáng)回波信號光的能量,防止出現(xiàn)回波信號光被后向散射噪聲覆蓋的情況。

        圖2 機(jī)載藍(lán)綠激光測深系統(tǒng)接收信號圖

        系統(tǒng)探測距離和激光功率之間的關(guān)系如下:

        (2)

        式中,D是探測距離,即目標(biāo)深度,T是衰減系數(shù),P是激光發(fā)射功率,PNE是探測器的等效噪聲功率,S/N是系統(tǒng)信噪比。因此,提高激光的發(fā)射功率可有效提高機(jī)載激光測深系統(tǒng)的水深探測距離[6],但也在一定程度上增加了系統(tǒng)中激光光源的實(shí)現(xiàn)難度。

        1.2 機(jī)載激光測深系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法

        目前,機(jī)載激光測深系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)處理方法有兩種:一種是數(shù)學(xué)近似法,另一種是反卷積法。上述兩種方法均可以獲得深水?dāng)?shù)據(jù)結(jié)果,但在原理和處理過程上有所不同。本文中將對這兩種方法的實(shí)現(xiàn)原理和研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹和歸納。

        1.2.1 數(shù)學(xué)近似法 2006年, WAGNER等人在維也納借助RIEGL LMS-Q560激光雷達(dá)收集到了約2600萬個回波信號,并借助高斯校正公式反復(fù)校正回波信號的振幅和脈沖寬度,使得回波信號逐漸擬合成為高斯函數(shù),實(shí)驗(yàn)表明,該方法擁有較好的擬合效果,擬合精度高達(dá)98%[7]。2010年,ALLOUIS等人使用兩個高斯函數(shù)分別擬合了海面和海底的回波信號,通過擬合波形圖可知,回波信號的擬合效果良好[8]。2014年,ABADY等人參考WATER-LIDAR系統(tǒng)的工作性能,獲得了兩組仿真數(shù)據(jù)[9]:基于衛(wèi)星測深雷達(dá)系統(tǒng)得到了第1組仿真數(shù)據(jù);基于HawkEye機(jī)載激光雷達(dá)得到了第2組數(shù)據(jù)。并且,針對海面和海底回波信號,采用高斯擬合方法進(jìn)行了擬合;針對水體回波信號,采用四邊形函數(shù)進(jìn)行了擬合。實(shí)驗(yàn)表明,上述擬合方法準(zhǔn)確有效,所得的水深測量值誤差較小,與衛(wèi)星測深雷達(dá)系統(tǒng)的誤差為6cm,與機(jī)載激光雷達(dá)的誤差為8.2cm。

        1.2.2 反卷積法 假設(shè)機(jī)載激光測深系統(tǒng)發(fā)射激光穿透海水并返回到接收系統(tǒng)的過程等效于一個卷積過程,則系統(tǒng)回波信號可表示為發(fā)射激光和海水后向散射信號的卷積響應(yīng)與水中其它物質(zhì)形成的噪聲干擾兩者的作用之和,如下式所示:

        y(t)=p(t)*x(t)+γ(t)

        (3)

        式中,y(t)為回波信號,x(t)為發(fā)射激光,p(t)為海水后向散射信號等效的脈沖響應(yīng),γ(t)為海水中其它物質(zhì)的等效噪聲,*表示卷積[10]。

        1997年,YOUNG等人提出了基于傅里葉變換的反卷積法(Fourier deconvolution,FD),通過計(jì)算逆卷積矩陣或脈沖反卷積矩陣達(dá)到反卷積的效果,進(jìn)而對回波信號進(jìn)行了有效處理[11],但是該方法的反卷積過程穩(wěn)定性較低且誤差較大。2001年,DOUGLASS等人提出了基于正則化的傅里葉反卷積法(Fourier based regularized deconvolution,FRD),該方法雖然能夠很好地解決傅里葉反卷積過程中的不穩(wěn)定問題[12],但處理回波信號所需的約束條件苛刻且在信號邊緣估計(jì)時誤差較大。2002年,NEELAMANI等人提出了一種基于小波算子變換的反卷積方法(wavelet-vaguelette deconvolution,WVD),該方法的反卷積過程穩(wěn)定且所適用的回波信號范圍廣[13],但是,其極易受到噪聲的干擾,因而反卷積的精度較低。2006年,BAHRAMPOUR等人提出了傅里葉小波正則化的反卷積方法(Fourier wavelet based regularized deconvolution,FWRD),該方法是FRD和WVD兩種方法的結(jié)合,能夠很好地滿足大多數(shù)回波信號的處理需求且抗噪聲干擾能力強(qiáng)[14],但該方法必須充分平衡傅里葉變換和小波的收縮問題。同年,JUTZI和STILLA提出了維納濾波卷積法(Wiener filter deconvolution,WD),假設(shè)信號和噪聲相互獨(dú)立,借助維納濾波器使估算的目標(biāo)有效橫截面和目標(biāo)實(shí)際有效橫截面的均方誤差達(dá)到了最小[15];雖然該方法取得了較好的回波信號處理效果,但必須需要預(yù)先知道相關(guān)的噪聲參量,且估算參量的準(zhǔn)確性會直接影響回波信號有效性的判斷。2011年,WU等人將理查德-露西反卷積法(Richardson-Lucy deconvolution,RLD)應(yīng)用到機(jī)載激光測深系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中,該反卷積方法是基于貝斯理論并使用迭代的方法實(shí)現(xiàn)反卷積的,在上述所有的反卷積方法中具有最好的處理效果[16],但是由于該方法是基于迭代的思路實(shí)現(xiàn)反卷積的,因而運(yùn)行時間較長,數(shù)據(jù)處理的效率也較低。

        2 機(jī)載激光測深技術(shù)的應(yīng)用

        機(jī)載激光測深技術(shù)的快速發(fā)展,使其應(yīng)用不僅僅局限于海水深度的測量,在海底地形地貌測繪、水下生物特征探測等領(lǐng)域也已發(fā)揮著重要的作用。

        2.1 近海岸閉合深度的估算

        閉合深度被定義為近岸海域季節(jié)性有效波動的向海界限,即波浪所能作用到海底泥沙幾乎不運(yùn)動的最大深水。受海上天氣和波浪的長期影響,近海岸的沉積物會隨之發(fā)生變化,進(jìn)而海水深度也相應(yīng)變化,借助機(jī)載激光測深技術(shù)可以快速、機(jī)動的估算得到近海岸的閉合深度以及海水深度的變化,測量更為安全和靈活[17]。

        1981年,HALLERMEIER基于線性波動理論給出了有關(guān)閉合深度的計(jì)算公式[18],如下式所示:

        (4)

        式中,Dc是閉合深度,He是有效波浪高度,Te是有效波浪周期,g是當(dāng)?shù)刂亓铀俣?,a0和a2是通過測量波浪線性回歸情況而得到的常系數(shù)。1985年,BIRKEMEIR借助所收集的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了上述公式的可行性并發(fā)現(xiàn)閉合深度Dc的值偏高[19],為此,采用精度更高的常系數(shù)代替原有值。1998年,借助前期積累的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),NICHOLLS等人在驗(yàn)證(4)式時發(fā)現(xiàn),長時間運(yùn)算后,實(shí)際閉合深度的增加將慢于上述公式所預(yù)測的情況[20]。2007年,ROBERTSON等人測量了佛羅里達(dá)半島東南部地區(qū)的海拔高度,通過與2004年調(diào)查的數(shù)據(jù)相比較而求出了閉合深度值;同時發(fā)現(xiàn),由于近海岸區(qū)域沉積物存在顯著的易變性,因而閉合深度不能僅僅依據(jù)海拔的變化而獲得[21]。

        較傳統(tǒng)的水深測量方法,機(jī)載激光測深技術(shù)不僅具有速度快、效率高、測量范圍大的特點(diǎn),還能到達(dá)一些船舶無法駛?cè)氲慕^(qū)域。2016年,HARTMAN等人基于機(jī)載激光測深系統(tǒng)所得的超過600km的沙質(zhì)海岸的數(shù)據(jù),估算得到了相應(yīng)的閉合深度[17]。同時,還計(jì)算出不同環(huán)境下深度閾值常量Δhclose和深度比例閾值Rclose的變化范圍,為海水深度的準(zhǔn)確估算提供了重要依據(jù)。此外,還指出,某一特定區(qū)域在某一特定時段的閉合深度會受到極端天氣(如巨大風(fēng)浪)的影響,但波浪的陡度對閉合深度基本沒有影響。

        2.2 渾濁海域的水深測量

        由于水體的渾濁度直接影響測量結(jié)果的精確度,因而到目前為止,機(jī)載激光測深系統(tǒng)仍主要用于一些水質(zhì)較好水域的深度測量。其次,水中懸浮物也會導(dǎo)致激光發(fā)生散射,造成激光穿透海水時的能量不斷的損失,以至于接收系統(tǒng)無法成功接收返回信號,最終無法實(shí)現(xiàn)海水深度的有效測量。

        針對渾濁水域的水深測量應(yīng)用,各國學(xué)者一直在尋求各種可行的技術(shù)手段。2017年,借助雷達(dá)系統(tǒng)的回波信號,RICHTER等人首次給出了可描述水體渾濁情況的水體衰減系數(shù),基于該衰減系數(shù),可將回波信號中穿透水體的分量表示如下式所示,并可確定水體渾濁度k的具體數(shù)值:

        f(x)=a·e(-k·x)

        (5)

        式中,x是水下距離;a為后向散射系數(shù),k代表水體渾濁度。

        在確定了水體渾濁度k之后,可以借助該參量校正回波信號丟失的強(qiáng)度分量。此外,為了補(bǔ)償傳輸而引入的能量損失,RICHTER等人對回波信號進(jìn)行了再次放大,雖然干擾噪聲也被同步放大,但是基于他們所提出的衰減校正方法,能夠準(zhǔn)確區(qū)分出有用信號成分并能獲得海面和海底回波的分布位置,計(jì)算得到該渾濁水域的實(shí)際深度[22]。

        3 我國機(jī)載激光測深系統(tǒng)的關(guān)鍵研究技術(shù)

        我國機(jī)載激光測深技術(shù)發(fā)展迅速,但仍需不斷更新和完善。為了滿足實(shí)際測量需求,進(jìn)一步獲得低噪聲、高精度的測量結(jié)果,仍需著重突破以下幾個關(guān)鍵技術(shù)。

        (1)目前為止,相較其它波段的激光而言,藍(lán)綠激光在海水中的衰減系數(shù)最小。但是,衰減系數(shù)小并不意味著一定能有效接收到返回信號[23]。激光波長、單脈沖能量、脈沖寬度和重復(fù)頻率的選擇和設(shè)定對準(zhǔn)確有效地獲得回波信號也是十分必要的,因此需要選擇合適的激光器作為機(jī)載激光測深系統(tǒng)的光源。

        (2)當(dāng)激光到達(dá)海底并從海底反射、再次穿過水體回到大氣中時,激光能量已經(jīng)衰減明顯。并且,激光在水體中的傳播路徑具有一定的不確定性,因此,當(dāng)激光重新回到大氣中時,微弱回波信號會大范圍分布在水面上[24]。如何從這些微弱回波信號中有效獲取所需的水深信息,是機(jī)載激光測深系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中急需解決的技術(shù)問題。

        (3)受到風(fēng)等天氣因素的影響,水面波動會影響水面位置的精確獲取,進(jìn)而影響最終的水深結(jié)果測量[25]。因此,雷達(dá)系統(tǒng)中波長為1.064μm的紅外激光的回波信號處理技術(shù)需進(jìn)一步完善,以克服天氣等因素的動態(tài)影響,為海水深度的測量提供更加精確的數(shù)據(jù)。

        (4)對于水深小于2m的極淺水域,機(jī)載激光測深系統(tǒng)發(fā)射激光的傳播速度較快,此時可能出現(xiàn)海面和海底回波信號交疊的現(xiàn)象。并且,水中存在的懸浮物等也會使兩個回波信號發(fā)生混疊,無法進(jìn)行有效區(qū)分[26]。因此,如何設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號處理算法,以準(zhǔn)確區(qū)分海面和海底回波信號、獲得真實(shí)水深數(shù)據(jù),是拓展機(jī)載激光測深系統(tǒng)應(yīng)用范圍的又一關(guān)鍵技術(shù)問題。

        4 結(jié)束語

        機(jī)載激光水深測量技術(shù)作為一種新型的海洋測深技術(shù),在獲取水深數(shù)據(jù)時具有機(jī)動性好、效率高、速度快、成本低等特點(diǎn)。較傳統(tǒng)的聲吶、遙感等水深探測技術(shù)而言,機(jī)載激光測深系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取密度更高,且更為適用于近海和河道等水域的實(shí)際測量應(yīng)用。今后,機(jī)載激光水深測量系統(tǒng)會向體積更小、易于安裝、水深數(shù)據(jù)獲取更為便捷等方向發(fā)展,并將拓展到不同深度、不同渾濁度海域的深度測量領(lǐng)域。其中,有關(guān)如何有效克服大氣和水下測量環(huán)境中的諸多干擾、如何提高測深系統(tǒng)回波信號的提取及處理能力等方向的研究,仍有廣闊的發(fā)展?jié)摿涂臻g,其依舊是機(jī)載激光測深技術(shù)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn),對測深系統(tǒng)測量結(jié)果的精確性起著至關(guān)重要的作用。在之后的研究中,將采用有限長單位沖激響應(yīng)濾波器對回波信號處理,并用最小二乘擬合法對過濾后的回波信號進(jìn)行處理。

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