機(jī)載激光測(cè)深技術(shù)的研究進(jìn)展

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(duì)海洋環(huán)境、海洋資源的探索和研究，是世界各國(guó)的重要戰(zhàn)略性發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)海域遼闊、海岸線漫長(zhǎng)，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(guò)100m，而南海海域約有13×104km2的水體深度在2m～50m之間[1]。對(duì)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(cè)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(cè)量。

聲吶技術(shù)是水深測(cè)量的傳統(tǒng)技術(shù)手段，是借助超聲波的傳播時(shí)間實(shí)現(xiàn)該處水體深度的測(cè)量。在測(cè)量作業(yè)時(shí)，聲吶需要搭載在船舶上。然而，當(dāng)待測(cè)水域水深較淺或存在暗礁時(shí)，聲吶測(cè)量技術(shù)往往使用受限，測(cè)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(cè)深遙感提供了新的發(fā)展思路，但其在一定程度上仍會(huì)受到大氣環(huán)境、海洋環(huán)境等動(dòng)態(tài)參量的影響，因而實(shí)際測(cè)量所得結(jié)果往往存在較大誤差[3]。

較上述兩種水深測(cè)量方法而言，機(jī)載激光水下探測(cè)技術(shù)充分發(fā)揮了激光技術(shù)和空中平臺(tái)兩者的優(yōu)勢(shì)，利用特定波長(zhǎng)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(tái)，因而能夠靈活地測(cè)量并獲得船舶無(wú)法駛?cè)雲(yún)^(qū)域的水深數(shù)據(jù)。機(jī)載激光測(cè)深技術(shù)一經(jīng)提出，即受到了各國(guó)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(cè)深技術(shù)

1.1 機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)的工作原理

機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)向海面同時(shí)發(fā)射波長(zhǎng)為1.064μm和波長(zhǎng)為0.532μm的兩束高功率、窄脈沖激光。其中，波長(zhǎng)為1.064μm的紅外激光用于測(cè)量飛機(jī)平臺(tái)的飛行高度，該束激光在達(dá)到空氣-海水界面時(shí)發(fā)生反射，借助其發(fā)射和返回系統(tǒng)的時(shí)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(cè)深系統(tǒng)發(fā)射的波長(zhǎng)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(guò)測(cè)量該藍(lán)綠激光的發(fā)射和返回的時(shí)間差就可進(jìn)一步得到待測(cè)海水的深度。

圖1 機(jī)載藍(lán)綠激光測(cè)深系統(tǒng)工作原理

機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)接收的回波信號(hào)波形如圖2所示?；夭ㄐ盘?hào)中有兩個(gè)峰值，峰值較高的信號(hào)是海表面反射的回波信號(hào)，峰值較低的信號(hào)是由海底反射的，二者之間的時(shí)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(hào)之間的時(shí)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(cè)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(cè)量海深的另一難點(diǎn)在于，藍(lán)綠激光穿透水體的過(guò)程中會(huì)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(shí)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(cè)回波光信號(hào)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(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)光極其微弱，甚至造成檢測(cè)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(hào)光的能量，防止出現(xiàn)回波信號(hào)光被后向散射噪聲覆蓋的情況。

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

系統(tǒng)探測(cè)距離和激光功率之間的關(guān)系如下：

(2)

式中，D是探測(cè)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(cè)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(cè)深系統(tǒng)的水深探測(cè)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(cè)深系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法

目前，機(jī)載激光測(cè)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(guò)程上有所不同。本文中將對(duì)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(wàn)個(gè)回波信號(hào)，并借助高斯校正公式反復(fù)校正回波信號(hào)的振幅和脈沖寬度，使得回波信號(hào)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(gè)高斯函數(shù)分別擬合了海面和海底的回波信號(hào)，通過(guò)擬合波形圖可知，回波信號(hào)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(cè)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(duì)海面和海底回波信號(hào)，采用高斯擬合方法進(jìn)行了擬合；針對(duì)水體回波信號(hào)，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(cè)量值誤差較小，與衛(wèi)星測(cè)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(cè)深系統(tǒng)發(fā)射激光穿透海水并返回到接收系統(tǒng)的過(guò)程等效于一個(gè)卷積過(guò)程，則系統(tǒng)回波信號(hào)可表示為發(fā)射激光和海水后向散射信號(hào)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(hào)，x(t)為發(fā)射激光，p(t)為海水后向散射信號(hào)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(guò)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(duì)回波信號(hào)進(jìn)行了有效處理[11]，但是該方法的反卷積過(guò)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(guò)程中的不穩(wěn)定問題[12]，但處理回波信號(hào)所需的約束條件苛刻且在信號(hào)邊緣估計(jì)時(shí)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(guò)程穩(wěn)定且所適用的回波信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(huì)直接影響回波信號(hào)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(cè)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(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理的效率也較低。

2 機(jī)載激光測(cè)深技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)載激光測(cè)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(cè)量，在海底地形地貌測(cè)繪、水下生物特征探測(cè)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(dòng)的向海界限，即波浪所能作用到海底泥沙幾乎不運(yùn)動(dòng)的最大深水。受海上天氣和波浪的長(zhǎng)期影響，近海岸的沉積物會(huì)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(cè)深技術(shù)可以快速、機(jī)動(dòng)的估算得到近海岸的閉合深度以及海水深度的變化，測(cè)量更為安全和靈活[17]。

1981年，HALLERMEIER基于線性波動(dòng)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(guò)測(cè)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(shí)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)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(cè)的情況[20]。2007年，ROBERTSON等人測(cè)量了佛羅里達(dá)半島東南部地區(qū)的海拔高度，通過(guò)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(shí)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(cè)量方法，機(jī)載激光測(cè)深技術(shù)不僅具有速度快、效率高、測(cè)量范圍大的特點(diǎn)，還能到達(dá)一些船舶無(wú)法駛?cè)氲慕^(qū)域。2016年，HARTMAN等人基于機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)所得的超過(guò)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(shí)，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(shí)段的閉合深度會(huì)受到極端天氣(如巨大風(fēng)浪)的影響，但波浪的陡度對(duì)閉合深度基本沒有影響。

2.2 渾濁海域的水深測(cè)量

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

針對(duì)渾濁水域的水深測(cè)量應(yīng)用，各國(guó)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(hào)，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(hào)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(hào)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(duì)回波信號(hào)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(hào)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(guó)機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)的關(guān)鍵研究技術(shù)

我國(guó)機(jī)載激光測(cè)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(cè)量需求，進(jìn)一步獲得低噪聲、高精度的測(cè)量結(jié)果，仍需著重突破以下幾個(gè)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(hào)[23]。激光波長(zhǎng)、單脈沖能量、脈沖寬度和重復(fù)頻率的選擇和設(shè)定對(duì)準(zhǔn)確有效地獲得回波信號(hào)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(cè)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(guò)水體回到大氣中時(shí)，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(shí)，微弱回波信號(hào)會(huì)大范圍分布在水面上[24]。如何從這些微弱回波信號(hào)中有效獲取所需的水深信息，是機(jī)載激光測(cè)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(dòng)會(huì)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(cè)量[25]。因此，雷達(dá)系統(tǒng)中波長(zhǎng)為1.064μm的紅外激光的回波信號(hào)處理技術(shù)需進(jìn)一步完善，以克服天氣等因素的動(dòng)態(tài)影響，為海水深度的測(cè)量提供更加精確的數(shù)據(jù)。

(4)對(duì)于水深小于2m的極淺水域，機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)發(fā)射激光的傳播速度較快，此時(shí)可能出現(xiàn)海面和海底回波信號(hào)交疊的現(xiàn)象。并且，水中存在的懸浮物等也會(huì)使兩個(gè)回波信號(hào)發(fā)生混疊，無(wú)法進(jìn)行有效區(qū)分[26]。因此，如何設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)處理算法，以準(zhǔn)確區(qū)分海面和海底回波信號(hào)、獲得真實(shí)水深數(shù)據(jù)，是拓展機(jī)載激光測(cè)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(yǔ)

機(jī)載激光水深測(cè)量技術(shù)作為一種新型的海洋測(cè)深技術(shù)，在獲取水深數(shù)據(jù)時(shí)具有機(jī)動(dòng)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(cè)技術(shù)而言，機(jī)載激光測(cè)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(cè)量應(yīng)用。今后，機(jī)載激光水深測(cè)量系統(tǒng)會(huì)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(cè)量領(lǐng)域。其中，有關(guān)如何有效克服大氣和水下測(cè)量環(huán)境中的諸多干擾、如何提高測(cè)深系統(tǒng)回波信號(hào)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(cè)深技術(shù)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)測(cè)深系統(tǒng)測(cè)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(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器對(duì)回波信號(hào)處理，并用最小二乘擬合法對(duì)過(guò)濾后的回波信號(hào)進(jìn)行處理。