王 鈺，趙一鳴，潘 超，張玉石，韓曉爽

激光雷達(dá)對(duì)沉潛油探測(cè)的探索*

王 鈺，趙一鳴，潘 超，張玉石，韓曉爽

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100094）

目前，人們對(duì)于海洋沉潛油的規(guī)律研究及控制水平較低，特別是探測(cè)30m深度以內(nèi)的淺海地區(qū)的沉潛油分布信息，其主要原因是缺乏快速有效的探測(cè)手段。北京遙測(cè)技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)水下探測(cè)激光雷達(dá)樣機(jī)，利用激光在海水中良好的透過(guò)特性，用于對(duì)水下沉潛油的探測(cè)以及對(duì)海底等目標(biāo)的高精度探測(cè)。樣機(jī)完成在水池中進(jìn)行水下沉潛油的模擬探測(cè)試驗(yàn)，對(duì)沉潛油樣本的典型激光回波信號(hào)進(jìn)行采集分析，并測(cè)量模擬探測(cè)深度。試驗(yàn)結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)預(yù)期，為進(jìn)一步提升激光雷達(dá)沉潛油探測(cè)能力打下良好基礎(chǔ)。

激光雷達(dá)；沉潛油；水下探測(cè)

引 言

對(duì)水下溢油目標(biāo)的探測(cè)是海洋研究獲取重要目標(biāo)信息的手段之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、海洋權(quán)益維護(hù)、國(guó)防建設(shè)和科學(xué)研究中具有重要的作用。目前，人們對(duì)于水下溢油的規(guī)律研究及控制水平較低，特別是探測(cè)30m深度以內(nèi)的淺海地區(qū)水下溢油分布信息，其重要原因是缺乏快速有效的水下溢油探測(cè)手段。在海洋溢油探測(cè)激光雷達(dá)的設(shè)備研制方面，目前國(guó)內(nèi)外的研究技術(shù)主要分為測(cè)深模式和激光激發(fā)熒光模式兩類。

測(cè)深模式激光雷達(dá)通常應(yīng)用于海底地形測(cè)繪，目前，世界上認(rèn)可的成熟系統(tǒng)主要有美國(guó)的SHOALS（Scanned Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey）系統(tǒng)等[1]，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，該系統(tǒng)已經(jīng)形成了成熟的系列化產(chǎn)品，并進(jìn)入了業(yè)務(wù)應(yīng)用階段。我國(guó)測(cè)深激光雷達(dá)系統(tǒng)研究從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始，主要單位有中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所[2,3]以及北京遙測(cè)技術(shù)研究所等。其中上海光機(jī)所已經(jīng)完成了兩代機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)的研制，并進(jìn)行了機(jī)載航測(cè)試驗(yàn)，取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。

針對(duì)溢油、葉綠素等海洋表面目標(biāo)的探測(cè)應(yīng)用需求，研究人員開(kāi)發(fā)出熒光激光雷達(dá)設(shè)備，其具有高效、實(shí)時(shí)、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多種海洋參數(shù)的測(cè)量。國(guó)際上，美國(guó)NASA和NOAA聯(lián)合研制了AOL（Airborne Oceanographic Lidar）系統(tǒng)[4]，能夠?qū)Ｋ械娜~綠素濃度和海洋油污染等進(jìn)行探測(cè)；加拿大環(huán)境科學(xué)局等單位研制了機(jī)載海洋熒光激光雷達(dá)SLEAF（The Scanning Laser Environment Airborne Fluorosensor system）系統(tǒng)等[5]。國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)海洋大學(xué)進(jìn)行了激光雷達(dá)海洋探測(cè)方面的多項(xiàng)研究，并研制了一套機(jī)載海洋熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)用以測(cè)量海洋表層的葉綠素濃度[6]。

綜上所述，針對(duì)海洋表面的溢油情況，熒光激光雷達(dá)的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟。但是，其受限于工作原理，此類激光雷達(dá)設(shè)備通常無(wú)法對(duì)水下的沉潛油目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，也無(wú)法提供水下目標(biāo)的垂直深度信息。而測(cè)深激光雷達(dá)只對(duì)回波信號(hào)的深度信息進(jìn)行提取，不易對(duì)目標(biāo)類型和形態(tài)進(jìn)行識(shí)別。對(duì)于不同情況的海洋沉潛油探測(cè)需求，單獨(dú)使用以上兩種激光雷達(dá)設(shè)備均不能達(dá)到理想的效果。

本文針對(duì)已有的測(cè)深激光雷達(dá)及激光激發(fā)的熒光激光雷達(dá)在海洋溢油探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用限制，利用多通道全波形激光雷達(dá)對(duì)海洋沉潛油探測(cè)進(jìn)行研究，期望能解決海洋沉潛油的快速探測(cè)識(shí)別問(wèn)題，突破沉潛油探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)指標(biāo)仿真、硬件設(shè)備研制、多通道激光雷達(dá)回波信號(hào)的信息提取及溢油目標(biāo)識(shí)別等技術(shù)。

1 原理設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

激光雷達(dá)利用激光在海水中良好的透過(guò)特性，通過(guò)測(cè)量目標(biāo)后向散射回波光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉潛油、海底等目標(biāo)的高精度探測(cè)。使一束激光從空氣射至水面，經(jīng)過(guò)折射后向下傳播，到達(dá)水下目標(biāo)表面時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)化為向各向傳播的散射光。其中，有一定比例的散射光沿著光束入射方向原路返回激光發(fā)射設(shè)備處，通過(guò)光電探測(cè)器將其接收，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行讀取、存儲(chǔ)、計(jì)算等處理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)。

在回波信號(hào)中，脈沖信號(hào)間的時(shí)間差代表了激光光子飛行的距離，可以通過(guò)計(jì)算處理得到目標(biāo)的距離（深度）信息；脈沖信號(hào)的幅度代表了目標(biāo)表面的后向散射率，可以得到目標(biāo)的表面特征信息，實(shí)現(xiàn)分析分類目標(biāo)的功能。對(duì)于多通道的激光雷達(dá)，不同目標(biāo)在多通道中的激光回波信號(hào)特征不同，可以根據(jù)通道間回波信號(hào)的特定組合方式對(duì)目標(biāo)類別進(jìn)行標(biāo)定識(shí)別，例如，通過(guò)同一波長(zhǎng)的目標(biāo)激光回波偏振信號(hào)區(qū)分泥沙、水草、溢油等不同種類目標(biāo)。

在激光雷達(dá)的收發(fā)光路中，設(shè)置光學(xué)掃描裝置，使激光雷達(dá)的探測(cè)光路能夠覆蓋至一定的區(qū)域范圍，再通過(guò)搭載平臺(tái)（船或飛機(jī)等）的移動(dòng)，即能夠?qū)崿F(xiàn)沿平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡探測(cè)其水下范圍的目標(biāo)。由于激光雷達(dá)的回波信號(hào)提供了目標(biāo)與設(shè)備間的距離信息，同時(shí)使用姿態(tài)測(cè)量及地理位置測(cè)量設(shè)備，提供激光的實(shí)時(shí)指向角度及精確的地理位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，解算得到目標(biāo)的三維位置坐標(biāo)。對(duì)全部目標(biāo)位置的坐標(biāo)進(jìn)行整體平滑處理，能夠繪制出水下目標(biāo)的三維位置圖，通過(guò)對(duì)圖中的目標(biāo)進(jìn)行分布測(cè)算，能夠得到水下目標(biāo)的尺寸及范圍。

海洋探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.2 水下沉潛油探測(cè)深度

通過(guò)對(duì)海洋探測(cè)激光雷達(dá)測(cè)距方程的仿真，得到水下沉潛油探測(cè)的理論深度。窄視場(chǎng)激光雷達(dá)水下探測(cè)方程如下式所示：

對(duì)于沉潛油探測(cè)激光雷達(dá)回波信號(hào)，各參數(shù)典型取值如表1所示。其中，根據(jù)文獻(xiàn)[7]海鹽引起海面氣溶膠光學(xué)厚度，取四季平均值為0.033；沉潛油目標(biāo)反射率參考文獻(xiàn)[8]厚油膜532nm處光譜反射率，取值0.005。

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，30m深度的沉潛油目標(biāo)激光回波信號(hào)光強(qiáng)度為bot=3.4771×10–8W。參考光電探測(cè)器光電靈敏度約為1.5×105A/W。

計(jì)算得到光電轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)電流信號(hào)為5.216mA，參考光電探測(cè)器的暗電流約為1nA。所以，在不考慮水體散射、白天陽(yáng)光散射等背景光的理想情況下，激光雷達(dá)可以探測(cè)到30m深度的沉潛油目標(biāo)，而信號(hào)的信噪比取決于實(shí)際情況下的海水透明度情況、沉潛油目標(biāo)的水下形態(tài)情況以及信號(hào)采集系統(tǒng)的電噪聲情況等。

圖1 海洋探測(cè)激光雷達(dá)原理圖

1.3 水下沉潛油探測(cè)尺寸

激光雷達(dá)水下探測(cè)目標(biāo)的最小尺寸取決于掃描腳點(diǎn)的分辨率，如圖2所示。

激光水下掃描角約為17.28°，水下30m深度的掃描圓半徑約為9.33m，圓周長(zhǎng)度約為58.6m。由于光學(xué)掃描速度最快時(shí)對(duì)應(yīng)最大的腳點(diǎn)間距，即由10kHz的激光重頻及20Hz的最大掃描頻率計(jì)算得到最大腳點(diǎn)間距約為11.7cm。考慮到水下激光光斑的發(fā)散特性，激光雷達(dá)可以探測(cè)到10cm尺寸的沉潛油目標(biāo)。

表1 回波最弱時(shí)激光雷達(dá)方程各參數(shù)取值

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 激光發(fā)射子系統(tǒng)

根據(jù)水下目標(biāo)探測(cè)需求，要求發(fā)射激光波長(zhǎng)位于520nm~550nm波段，同時(shí)要求激光光源具備大脈沖能量、較高激光重頻、窄脈沖寬度等。激光發(fā)射子系統(tǒng)主要包括激光器、激光擴(kuò)束裝置、激光對(duì)中裝置等，將532nm和1064nm波段的激光發(fā)射至海面，其中532nm波段的激光實(shí)現(xiàn)對(duì)海水的穿透、探測(cè)水下目標(biāo)、并激發(fā)熒光信號(hào)；1064nm波段的激光用于海面高度信息的探測(cè)。雙波長(zhǎng)激光單脈沖能量超過(guò)1mJ，重復(fù)頻率達(dá)到10kHz，采用全固態(tài)激光光路設(shè)計(jì)、全風(fēng)冷制冷方式。

圖2 激光掃描分辨率示意圖

如圖3所示，激光器光學(xué)系統(tǒng)采取了基于二極管端面泵浦Nd:YVO4的主振蕩/功率放大器MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）的方案，主要由主振蕩器（種子源）、預(yù)放大器、功率放大器和倍頻器四個(gè)單元組成，這四部分統(tǒng)稱為激光光學(xué)模塊LOM（Laser Optics Module）。主振蕩器MO（Master Oscillator）提供高重頻窄脈寬的種子激光；預(yù)放大Pre-A（Pre-Amplifier）以及功率放大PA（Power Amplifier）級(jí)均采用技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠的二極管端面泵浦的Nd:YVO4晶體；倍頻晶體采用空基激光器中廣泛使用的高損傷閾值的I類相位匹配三硼酸鋰晶體。

圖3 激光器系統(tǒng)示意圖

2.2 光學(xué)接收子系統(tǒng)

光學(xué)接收子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)回波接收以及光束聚焦、窄帶濾波、分光等處理，主要包括望遠(yuǎn)鏡、光路準(zhǔn)直裝置、濾波裝置、分光裝置、聚焦裝置、光電探測(cè)器等。光學(xué)接收處理子系統(tǒng)分為五個(gè)接收通道，分別為532nm P、532nm S、590nm、647nm和1064nm。其中532nm通道接收水下目標(biāo)的回波信號(hào)，647nm通道只接收水分子的回波信號(hào)，1064nm通道接收海面的回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海面高度和水下目標(biāo)的探測(cè)，通過(guò)目標(biāo)的后向散射特性等特征進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)的區(qū)分。信號(hào)由高靈敏度的信號(hào)處理系統(tǒng)和處理軟件處理，采用多通道1GHz的采樣頻率，實(shí)現(xiàn)高精度回波時(shí)刻測(cè)量和回波強(qiáng)度測(cè)量，并進(jìn)行回波波形分析。如圖4所示。

圖4 光學(xué)接收子系統(tǒng)組成

圖5 掃描光路示意圖

2.3 光學(xué)掃描子系統(tǒng)

為了對(duì)比測(cè)量回波信號(hào)的幅度，系統(tǒng)工作過(guò)程中要求激光束相對(duì)于海面具有相同的入射角度。采用圓掃描的方式，保證激光入射角相同，并獲得較高的掃描速度。掃描光路如圖5所示，光學(xué)元件由掃描棱鏡組成，其繞中心軸旋轉(zhuǎn)，使由上方垂直入射的激光光束能夠經(jīng)棱鏡偏折固定角度后向斜下方出射；同時(shí)，由下方同一角度返回的信號(hào)光能夠沿棱鏡陣列原路返回。

3 模擬試驗(yàn)

3.1 設(shè)備整機(jī)

完成后的激光雷達(dá)設(shè)備整機(jī)如圖6所示，利用該設(shè)備，分別開(kāi)展了垂直水槽和水平水槽中的溢油模擬探測(cè)試驗(yàn)。

3.2 垂直水槽探測(cè)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證激光雷達(dá)探測(cè)沉潛油方案的可行性，在垂直水槽進(jìn)行了原理試驗(yàn)，獲取水下模擬目標(biāo)的典型信號(hào)。測(cè)試目標(biāo)樣品分別選用泥沙（模擬水底回波信號(hào)）、水草（模擬綠藻信號(hào)）和海底溢油三種，如圖7所示。

圖6 設(shè)備整機(jī)圖

圖7下為試驗(yàn)樣本激光雷達(dá)回波波形圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為納秒（ns）；綠色和藍(lán)色曲線分別為532nm的P、S偏振通道回波信號(hào)；波形圖中，最后一個(gè)波峰為目標(biāo)樣本的回波，前一個(gè)波峰為試驗(yàn)裝置中水面的激光回波，回波圖整體前面的波峰為激光雷達(dá)設(shè)備的內(nèi)部散射回波，可以作為激光發(fā)射時(shí)刻的參考信號(hào)。目標(biāo)的水下深度為

其中，為目標(biāo)與水面的激光回波時(shí)間間隔，c為真空中光速，N為海水折射率。經(jīng)計(jì)算，目標(biāo)深度為水下2.68m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水深一致?；夭ㄐ盘?hào)強(qiáng)度代表目標(biāo)表面的反射率，P、S偏振通道的差別代表目標(biāo)表面的消偏特性，目標(biāo)表面粗糙程度與消偏度成正比，由于激光雷達(dá)出射激光為P偏振態(tài)，S偏振通道中回波越強(qiáng)即消偏度越高。由波形可以看出，泥沙、水草、溢油樣本表面激光回波信號(hào)呈現(xiàn)出不同特征：泥沙表面粗糙度最高、消偏度很高，水草次之，而溢油目標(biāo)表面光滑、消偏度很低。溢油表面反射率較低，激光回波信號(hào)幅值最小，激光雷達(dá)回波信號(hào)特征與樣本表面目視特征一致。

3.3 水平水槽探測(cè)試驗(yàn)

在水平水槽進(jìn)行了深度模擬探測(cè)試驗(yàn)，測(cè)試激光雷達(dá)最大探測(cè)深度。由于實(shí)際水槽的可用長(zhǎng)度為20m，因此設(shè)計(jì)了光學(xué)折轉(zhuǎn)光路，使激光光束在水下往返，實(shí)現(xiàn)超過(guò)30m的模擬水深測(cè)試，如圖8所示。

圖8 水平水槽實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)、樣本及回波圖

根據(jù)圖8中的回波信號(hào)，由式（2）計(jì)算得出，泥沙模擬深度為水下10m，溢油模擬深度為水下6m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)距離一致。由于溢油表面反射率較低，其最大探測(cè)深度也較小。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

由于溢油與泥沙、水草的表面特征不同，其激光的后向散射率也不同，溢油及泥沙等物質(zhì)呈現(xiàn)深色，對(duì)激光的吸收較強(qiáng)，其回波信號(hào)幅值較綠色的水草較低。在試驗(yàn)中，泥沙樣本探測(cè)深度可以達(dá)到16m，沉潛油樣本深度探測(cè)約為10m~12m；另一方面，由于沉潛油樣本表面呈現(xiàn)為有一定光澤的較光滑表面，其對(duì)于532nm激光的消偏效果較泥沙的消偏效果小，通過(guò)532nm的P、S偏振通道信號(hào)可以判別，此特點(diǎn)可以在目標(biāo)識(shí)別中加以利用。

4 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下沉潛油的探測(cè)，但由于其表面后向散射率較低，實(shí)際探測(cè)深度較泥沙、水草等目標(biāo)的探測(cè)深度小，可以通過(guò)水下范圍掃描三維圖分析并初步識(shí)別沉潛油。后續(xù)可以繼續(xù)開(kāi)展樣機(jī)的船載海上試驗(yàn)，探索激光雷達(dá)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別并測(cè)量沉潛油分布情況的能力，為進(jìn)一步提升海洋沉潛油探測(cè)水平打下良好基礎(chǔ)。

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Exploration of submerged oil detection by Lidar

WANG Yu, ZHAO Yiming, PAN Chao, ZHANG Yushi, HAN Xiaoshuang

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100094, China）

At present, the level of ocean submerged oil research and control is still low, especially for detecting the distribution information of submerged oil within 30m, the main reason is the lack of fast and effective detection methods. The Beijing Research Institute of Telemetry developes a prototype of underwater detecting lidar, by using the good transmission characteristics of laser in seawater, it can be used for submerged oil detection, and for high-precision detection of other objects like seabed. The prototype carried out the simulated detection test of the submerged oil in the pool, collected and analyzed the typical laser echo signals of the samples, and measured depth. The results are basically in line with the designed expectations, which lays a good foundation for further improving the submerged oil detection capability of lidar.

Lidar; Submerged oil; Underwater detection

TN958.98

A

CN11-1780(2020)02-0036-07

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC1402300）

2020-03-25

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

王 鈺 1987年生，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

趙一鳴 1983年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)總體設(shè)計(jì)。

潘 超 1981年生，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)總體設(shè)計(jì)。

張玉石 1987年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

韓曉爽 1989年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)總體設(shè)計(jì)。