張熠星，尚建華*，賀 巖

(1.東華大學 信息科學與技術(shù)學院，上海 201620；2.上海大恒光學精密機械有限公司，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，以有效實現(xiàn)上述海域水體深度的準確測量。

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，且存在著嚴重的安全隱患[2]。從20世紀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)。機載激光測深技術(shù)一經(jīng)提出，即受到了各國專家學者的廣泛關(guān)注，并已得到了快速的發(fā)展。

1 機載激光測深技術(shù)

1.1 機載激光測深系統(tǒng)的工作原理

機載激光測深系統(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平臺的飛行高度，該束激光在達到空氣-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的飛行高度，由于海水中存在著藍綠激光的穿透窗口，因而測深系統(tǒng)發(fā)射的波長為0.532μm的藍綠激光在海水中衰減系數(shù)最小，進入水體和返回接收系統(tǒng)之間的能量損失也最小[4]。其將穿透海水直達海底，在經(jīng)海底反射后再穿透海水由接收望遠鏡接收，通過測量該藍綠激光的發(fā)射和返回的時間差就可進一步得到待測海水的深度。

圖1 機載藍綠激光測深系統(tǒng)工作原理

機載激光測深系統(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是藍綠激光在海水中的折射率，θ是藍綠激光的海面入射角[5]。

實際測量中，為獲取海水深度，還需排除其它水下目標反射而形成的回波干擾。此外，測量海深的另一難點在于，藍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，降低藍綠激光穿透海水的能量損失，增強回波信號光的能量，防止出現(xiàn)回波信號光被后向散射噪聲覆蓋的情況。

圖2 機載藍綠激光測深系統(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)中激光光源的實現(xiàn)難度。

1.2 機載激光測深系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法

目前，機載激光測深系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)處理方法有兩種：一種是數(shù)學近似法，另一種是反卷積法。上述兩種方法均可以獲得深水數(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現(xiàn)原理和研究現(xiàn)狀進行介紹和歸納。

1.2.1 數(shù)學近似法 2006年， WAGNER等人在維也納借助RIEGL LMS-Q560激光雷達收集到了約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)，實驗表明，該方法擁有較好的擬合效果，擬合精度高達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)星測深雷達系統(tǒng)得到了第1組仿真數(shù)據(jù);基于HawkEye機載激光雷達得到了第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行了擬合；針對水體回波信號，采用四邊形函數(shù)進行了擬合。實驗表明，上述擬合方法準確有效，所得的水深測量值誤差較小，與衛(wèi)星測深雷達系統(tǒng)的誤差為6cm，與機載激光雷達的誤差為8.2cm。

1.2.2 反卷積法 假設(shè)機載激光測深系統(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)，通過計算逆卷積矩陣或脈沖反卷積矩陣達到反卷積的效果，進而對回波信號進行了有效處理[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[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)信號和噪聲相互獨立，借助維納濾波器使估算的目標有效橫截面和目標實際有效橫截面的均方誤差達到了最小[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現(xiàn)反卷積的，因而運行時間較長，數(shù)據(jù)處理的效率也較低。

2 機載激光測深技術(shù)的應(yīng)用

機載激光測深技術(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，進而海水深度也相應(yīng)變化，借助機載激光測深技術(shù)可以快速、機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?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驗數(shù)據(jù)，NICHOLLS等人在驗證(4)式時發(fā)現(xiàn)，長時間運算后，實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，還能到達一些船舶無法駛?cè)氲慕^(qū)域。2016年，HARTMAN等人基于機載激光測深系統(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，各國學者一直在尋求各種可行的技術(shù)手段。2017年，借助雷達系統(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度分量。此外，為了補償傳輸而引入的能量損失，RICHTER等人對回波信號進行了再次放大，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，計算得到該渾濁水域的實際深度[22]。

3 我國機載激光測深系統(tǒng)的關(guān)鍵研究技術(shù)

我國機載激光測深技術(shù)發(fā)展迅速，但仍需不斷更新和完善。為了滿足實際測量需求，進一步獲得低噪聲、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載激光測深系統(tǒng)的光源。

(2)當激光到達海底并從海底反射、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，是機載激光測深系統(tǒng)實際應(yīng)用中急需解決的技術(shù)問題。

(3)受到風等天氣因素的影響，水面波動會影響水面位置的精確獲取，進而影響最終的水深結(jié)果測量[25]。因此，雷達系統(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，無法進行有效區(qū)分[26]。因此，如何設(shè)計相應(yīng)的信號處理算法，以準確區(qū)分海面和海底回波信號、獲得真實水深數(shù)據(jù)，是拓展機載激光測深系統(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)時具有機動性好、效率高、速度快、成本低等特點。較傳統(tǒng)的聲吶、遙感等水深探測技術(shù)而言，機載激光測深系統(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際測量應(yīng)用。今后，機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，其依舊是機載激光測深技術(shù)的研究熱點和難點，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行處理。