一种基于混沌激光装置及其相关法的航道水深测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光雷达测深的航道水深测量方法，具体是一种基于混沌激光装 置及其相关法的航道水深测量方法，属于水下探测技术领域。
【背景技术】
[0002] 水运航道是基础设施，水运航道建设不仅促进了水运事业的发展，而且在国际贸 易不断发展的背景下，其经济作用日益突出。为了确保航道通航安全，对航道水深的测量至 关重要。
[0003]现有航道水深的测量方法主要有：单波束声纳技术，多波束声纳技术，基于多光谱 的遥感探测技术，基于微波的遥感探测技术，以及机载激光雷达技术。
[0004] 单波束和多波束声纳技术，其原理都是利用水声换能器发射和接收声波信号，根 据波束在水中的往返时间以及声速确定水深。相对于单波束，多波束声纳测深技术探测范 围更广、测量效率和测量精度更高，已成为海底地形测量最广泛使用的探测技术。例如，德 国的L3ELACNautk公司已研制出了多波束声纳Seabeam系列产品，最大测深达到11000 米。挪威的KongsbergMaritime公司已生产出DDS9000多波束声纳探测系统，最大测深为 1000米。
[0005] 多光谱遥感测深技术，就是利用卫星上可见光或近红外波段的两个以上的光谱通 道的传感器对浅水区域进行同步成像的一种遥感技术，通过对水面反射的若干光谱段的电 磁波信息的接收和记录，从而提取出浅水区域的水深信息。例如，澳大利亚昆士兰大学近 来利用Quickbird卫星记录的多光谱数据，对该国的摩顿湾进行了水深和水下地形的测图 (RemoteSensing, 3，42-64，2011)。我国内蒙古大学利用Landsat卫星记录的多光谱遥 感信息反演了我国乌梁素海浅水湖泊的水深(水科学进展，20(1)，111-117，2009)。
[0006]对于微波遥感测深技术，合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar,SAR)是一 种主动式的微波成像雷达，通过获得浅水区域后向散射强度的图像，反演计算浅水区域的 水深。目前研宄影响较大的浅海水深SAR遥感探测技术是荷兰科学家Calkoen等人采用 迭代方式建立的"水深估测系统"，并在反演浅海区域的水深值时获得了较高精度（/AT.7； Remote Sensing,22(15), 2973-2998, 2001)〇
[0007] 机载激光雷达技术作为多波束声纳测深技术的补充，在浅水区域的水深测量方面 显示出独特的优势。例如，美国国家航空航天局NASA研发成功了EAARL激光雷达系统，其测 深范围为0. 3-26米，已完成了加利福尼亚州克拉玛斯河的测量（/otfraa/ 〇/iAe办?erica/? 49(1)，183-204，2013)。中国科学院上海光机所和海军 海洋测绘研宄所已完成了机载激光测深系统样机的研制，其测深范围〇. 5-50米，测深精度 为 ±0.3 米(海洋测绘，34(2)，72-75，2014)。
[0008]对于上述测量航道的水深方法，单波束和多波束声纳测深技术主要应用在深水区 域，特别是在几百米以上的水域，其测深能力无法匹敌。然而，对于浅水区域，由于温跃层对 声场分布影响很大，致使声速的确定只能通过经验模型的计算获得，使得利用声纳技术测 量浅水水深会有很大的误差。尽管个别多波束声纳系统已实现了对浅水水深的测量，但算 法复杂，耗时量大，不便于快速反应和现场决策。甚至在周围环境变化很大的浅水区域，现 有的经验模型通常会失效，从而测得了错误的水深信息，这会严重危及到航道的通行安全。
[0009] 多光谱和微波遥感探测技术能够反演浅海水域的水深，但都需要建立图像信息与 海洋物理和大气参数之间复杂的相关模型。由于它们之间存在着较复杂的非线性关系，导 致最终建立的相关模型也有着较大的不确定性。因而，模型的误差较大，对不同的水体实用 性较差。另一方面，由于水体受波浪、潮汐与海流的影响较大，采用上述两种遥感探测技术 要想达到10%以内的相对测深精度是比较困难的。
[0010] 激光雷达测深技术能够用于测量浅水区域，并在实际的测量中得到了应用。但该 技术主要是基于脉冲飞行法，由于自身原理的缺陷，这种技术存在0.5m左右的测深盲区， 其最浅测深能力受到极大限制。而且，对于该技术，水下目标的距离分辨率与探测深度存在 着无法调和的矛盾，其距离分辨率是由探测脉冲的宽带决定，目前采用的脉冲宽度通常为 5~10ns，对应的距离分辨率大约为1.lm左右。为了提高距离分辨率，需采用脉宽更窄的 探测脉冲，但这样会明显降低探测脉冲的能量，进而减少了可探测的深度。
[0011] 上述对于浅水区域的航道水深测量，单波束和多波束声纳测深技术的测深能力捉 襟见肘。采用多光谱和微波遥感测深技术可以反演浅水区域的航道水深，但是，其测量误差 较大。相对而言，激光雷达测深技术在浅水区域的航道水深测量方面表现出明显的优势，但 存在着0. 5m左右的测深盲区、距离分辨率与探测深度之间矛盾、探测精度低等诸多问题。
【发明内容】
[0012] 本发明提供一种基于混沌激光装置及其相关法的航道水深测量方法，用以解决现 有浅水区域航道测量方法的距离分辨率与测量深度之间的矛盾，进一步提高最浅测深能 力，以及探测精度。
[0013] 本发明上述所提供的一种基于混沌激光装置及其相关法的航道水深测量方法，其 特征在于：所述混沌激光装置是混沌固体激光器输出的激光经激光准直系统和分束镜后， 被分成两束，一束光输入光电探测器I;另一束光直接照射航道水底面，经航道水底面反射 后被望远镜接收，然后输入光电探测器II;光电探测器I输出端、可调电延迟线、数据采集 装置II和信号处理装置依次由高频同轴电缆连接；同时光电探测器II输出端、数据采集装 置I和信号处理装置依次由高频同轴电缆连接；信号处理装置左侧输出端连接有显示装 置； 所述航道水深测量方法是在航道水面载体上，将混沌激光装置发出的波长为532nm、带 宽为10GHz以上的混沌激光分为探测光和参考光，将平均光功率为85W以上的探测光直接 垂直照射到水体浊度为100NTU以下的航道中，经反射率为0. 05~0. 15的航道水底面反射 回来的探测光信号，通过望远镜收集并利用光电探测器II转化成电信号；另一束参考光经 光电探测器I转换成电信号，两路电信号经存储后，再进行互相关运算，获得探测光信号在 航道水中往返的飞行时间进而计算出航道的水深。
[0014] 进一步的附加技术特征如下。
[0015] 所述混沌固体激光器是由泵浦源半导体激光器模块、激光晶体、倍频晶体、四分之 一波片和Etalon标准具依次连接构成? 所述混沌固体激光器是基于倍频晶体中多纵模非线性耦合过程产生功率为85W以上， 宽带为10GHz以上的混沌绿光。
[0016] 所述浅水区域的水体浑浊度是100NTU以下。
[0017] 所述浅水区域的水深范围是0? 01-30米。
[0018] 本发明上述所提供的一种基于混沌激光装置及其相关法的航道水深测量方法，与 现有用于浅水区域的测量航道水深的激光雷达技术相比，其突出的优点与积极效果如下。
[0019] 本方法采用混沌激光相关法测量航道的浅水深，其距离分辨率是由互相关曲线上 峰值的半高全宽决定，而这一半高全宽又取决于混沌激光信号的带宽，将带宽10GHZ以上 的混沌激光信号作为探测信号，其半高全宽可以小于〇.Ins。因此本发明可以获得厘米量级 甚至亚厘米量级的距离分辨率，而且这一距离分辨率与探测深度无关，因而解决了目前激 光雷达技术用于航道浅水深测量中距离分辨率与探测深度之间的突出矛盾。
[0020] 本方法用于航道浅水深测量，其测量盲区极小，与现有的激光雷达技术相比，测量 盲区由0.5m左右降低到了10cm以下，其最浅测深能力也得到明显地提高，最小测深可小于 10cm〇
[0021] 本方法采用混沌激光信号的互相关曲线提取混沌激光在航道水中的飞行时间，由 于混沌信号具有类噪声、不可重复的特性，其互相关曲线只能是混沌信号与其自身延迟的 信号进行相关运算获得。因此，本发明抗干扰能力强，噪声容忍度大。
[0022] 本方法测量精度高，在激光器出