机载浅水水深的激光探测方法及装置与流程

用机载装置对浅水区的水深用激光探测的方法及装置。包括激光脉冲的产生，激光脉冲在水面浅层产生具有特定频谱特性的声波脉冲，声波脉冲经水底反射后达到水表面，水表面的声波脉冲振动被机载的另一个激光束检测。依此得出该处水深信息。载机距水平面的高度也可用激光测定。

背景技术：

水深的测量，包括普查性的测量和精准测量，一直是一个极需解决，然而又很困难的技术难题。其关键难点是水对电磁波及光波的衰减极大，难以在水中用电磁波或光来进行探测。

然而，由于水是声的优良传输介质，声波探测(声纳)一直为较实用和有效的水下探测方法。但发射声波脉冲的发散角大，探测水深度时定位精度较差。由于声能从空气往水中传播，或从水中往空气中传播都会受到强烈的衰减，实践中无法从空中直接利用声脉冲对水中目标进行快速的普查探测。

多年来，对用激光脉冲进行水下探测作了大量研发工作。水对光的衰减也很严重，仅在蓝绿波谱范围有较好的透过率，即所谓水对光的透射窗口。然而，即使在采用蓝绿激光脉冲的情况下，对于较好的水质，激光在水下探测作用距离也仅在几十米的量级。对于不同水质，水中能见度及水底不同的状况，如水底材料(沙，泥土，石块等)，水底形状及植被状态，激光回波信号的特征，特别是回波信号的强弱，都会受到严重的影响。通常光脉冲信号对于这些因素比声波信号更为敏感。对于浅水区更容易常见的低能见度浑水及复杂的水底地质及植被状态，激光探测的有效作用距离不够，往往使该方法不具有有效的实用性。在水面运动状况较为复杂的情况下，水面对光束传播方向的变向影响，弥散及衰减效应既严重并难以预测，从空中利用激光脉冲对水下进行测量的有效性因此将进一步受到限制。

在水文地质条件复杂的水域，能快速进行水深的普查探测，特别是从空中进行水深探测，是一极需解决的挑战。

技术实现要素：

常规的声波探测水深方法是使用安装在水中探测平台上的声纳。探测平台可以为在水面上或水面下的船艇。探测平台上的声纳往水底发射声波脉冲。由水底反射的声波脉冲回波信号经在探测平台上的设备探测后，根据声波脉冲回波信号相对于发射声波脉冲信号之间的时间延迟，可以确定该处水深。如前述，从空中直接利用声脉冲对水下进行测量的现实可能性很低。

如果是采用激光脉冲进行水深探测，则由探测平台上往水底发射激光脉冲。由水底反射的激光脉冲回波信号被在探测平台上的设备探测后，根据激光脉冲回波信号相对于发射激光脉冲信号之间的时间延迟，可以确定该处水深。为增加作用距离，可以采用位于水透射窗口内的蓝绿波长激光脉冲。但如前述，从空中利用激光脉冲对水下进行测量的有效性很受限制。

本发明的用于浅水区测水深的激光探测方法及装置是，利用一般有人低速飞机或无人机为机载平台，由机载装置向水面发射激光脉冲，激光脉冲打到水面之后，激光脉冲中的大部分能量进入水的表面层被水吸收。根据激光脉冲的具体参数(波长，脉冲形状和宽度，脉冲能量，光束直径等)不同，可以通过激光加热膨胀，激光汽化空泡，激光击穿等不同机理在近水面的浅层中产生强烈的声脉冲，即所谓的激光致声效应。产生的声脉冲波具有特殊的强度及频谱特性。它向下传输到达水底后产生声脉冲回波，声脉冲回波达到水表面后，形成具有同样特殊频谱特性的水表面声脉冲振动，该声振动被装置平台上发射的另一激光束探测。根据声脉冲在水中的传播速度，可以确定水深信息。水表面的回波声脉冲振动特有的频谱特性有助于提高从水表面的其他运动噪声中将其检出的成功率。一种对水面振动的检测方式是利用单频的激光束，对回波进行外差相位检测。为进一步提高检出信噪比，可以对激光脉冲进行一定的编码。此时回波声脉冲在水面产生的声振动具有相同的编码特征，以便于从噪声背景中检测出回波声脉冲信息。

载机高度的测定可以采用其他独立激光束或非激光的方法实现。可以利用致声激光脉冲兼作激光测距，也可以用检测水面声振动的激光束来测定载机与水平面的距离。

该测试方法及装置提供了一种不与测试水域中的水有任何机械接触的水深测试方法及装置。装置安装于有人或无人机平台，可以进行快速的普查或探测。尤其在水域内水质能见度差，或水文地质状态复杂情况下，回避了用激光直接探测水深时激光在水中衰减严重的关键难点，发挥了激光在空中有优良的定向传播特性而声波在水中有优良传播特性的复合优点，通过激光在水面浅层致声，扬长避短，突破激光或声脉冲单独使用的局限，应有良好的应用前景。

附图说明

图1在水面用声波或激光脉冲探测水深示意图

图2机载装置探测水深的方法示意图

具体实施方式：

常规的声波探测水深方法如图1所示。探测平台可以为在水面上或水面下的船艇。图1中01为在水面的舰船平台。02为水面，06为水底。水深h标示为03。04为由探测平台上往水底发射的声波脉冲。05为由水底反射的声波脉冲回波信号。回波信号经在探测平台上的设备探测后，根据声波脉冲回波信号05相对于发射声波脉冲信号04之间的时间延迟，可以确定该处水深h。如果是采用激光脉冲进行水深探测，仍以图1作为示意，则04为由探测平台上往水底发射的激光脉冲。05为由水底反射的激光脉冲回波信号。回波信号经在探测平台上的设备探测后，根据激光脉冲回波信号05相对于发射激光脉冲信号04之间的时间延迟，可以确定该处水深h。为增加作用距离，可以采用位于水透射窗口内的蓝绿波长激光脉冲。

图2所示为本发明的用于浅水区测水深的机载装置及方法示意图。其中50为机载平台及探测装置。机载平台可以为一般有人低速飞机或无人机。51为由装置向水面53发射的激光脉冲。激光脉冲51打到水面53之后，激光脉冲51中的大部分能量进入水的表面被水吸收。根据激光脉冲的具体参数(波长，脉冲形状和宽度，脉冲能量，光束直径等)不同，可以通过激光加热膨胀，激光汽化空泡，激光击穿等不同机理在近水面的浅层中产生强烈的声脉冲57，即所谓的激光致声效应。产生的声脉冲波57具有特殊的强度及频谱特性。它向下传输如56所示，到达水底55后产生声脉冲回波如58所示。声脉冲回波58达到水表面53后，具有上述特殊频谱特性的水表面声脉冲振动被装置平台上发射的另一激光束59探测。根据声脉冲在水中的传播速度，可以确定水深信息h2。

产生声脉冲的激光脉冲波长可以为0.4μm至11μm之间。如激光二极管泵浦的nd：yag脉冲激光器，激光波长为1.06μm，技术成熟，重量体积都较为适合机载应用。其输出脉冲宽度可以为10ns至100ns，脉冲能量可以为几毫焦耳至几焦耳量级，脉冲重复频率为单次至100次/秒。激光的发射光学系统可以根据预定的飞行高度，将激光束基本聚焦于水平面处，以实现最佳的激光致声效应，得到较强的声脉冲强度。除尽量将激光光束聚焦于水平面这一点外，该激光器及系统原理接近于常规的机载激光测距机。

若用于产生声脉冲的激光脉冲51，其激光脉冲脉宽为正好适合用于激光测距时，如其脉宽为纳秒级时，该脉冲51可同时用于测定载机平台距水平面的高度。此时脉冲51打到水平面53后，部分反射形成反射激光脉冲52，由装置50检测到后，根据52与51之间的时间延迟，得到装置离水面53的高度信息h。

由于载机飞行高度低，如几百米，甚至几十米量级，也可以采用小功率窄脉冲的激光二极管进行飞行高度测量，或其他非激光方式确定载机飞行高度，另采用大脉冲能量的激光器专门进行激光致声。如灯泵浦的ho：yag激光器，发射激光波长为2μm，或er：yag激光器，发射激光波长为3μm。因为2μm和3μm的波长恰好位于水的强烈吸收峰上，在激光致声方面具有独到的优势。激光脉冲宽度可以为几十到几百微秒量级，脉冲能量可以为几焦耳量级。激光脉冲的波形可以通过对泵浦电流的调制而进行特定调制，以实现最佳的致声效果，包括声脉冲的强度及频率特性。灯或者激光二极管泵浦的nd：yag激光器。脉宽在100纳秒至几百微秒量级的大能量脉冲，亦是在水中致声的好选择之一。

水表面的回波声脉冲振动具有上述激光脉冲致声声脉冲所述特有的频谱特性，据此特征，可有助于提高从水表面的其他运动噪声振动中将其检出的成功率。一种对水面振动的检测方式是利用单频的连续或准连续激光束59，并对其回波60进行外差相位检测。在原理及设备构成上，与一般的激光测振仪类似，无需详细阐述。为进一步提高检出信噪比，可以对激光脉冲51进行一定的编码。此时回波声脉冲在水面产生的声振动具有相同的编码特征，以便于从噪声背景中检测出回波声脉冲信息。此激光束59经一定调制，也可以用于测定载机与水平面的距离，类似于建筑工人用的手持激光测量距离的测距仪。