水深是海底地形测绘的基础数据,对于海洋科学研究具有重要意义。衍射光学系统具有体积小、质量轻的优点,共形设计后可减少载荷对飞机气动性能的影响,有利于形成大光学口径。基于大口径接收共形衍射光学系统介绍了机载测深激光雷达的系统方案和参数,并利用衍射光学系统光谱的窄带宽特点,抑制接收的背景光噪声。以最小可探测信噪比为依据,针对直接探测和相干探测两种方式,对机载激光雷达的海水探测深度进行了分析。结果表明,在接收口径为0.6 m、瞬时接收视场为50 mrad、发射平均功率为50 W时,白天该系统在直接探测方式下的探测深度为69 m,在相干探测方式下的探测深度为86 m。

波形拟合是机载激光测深数据处理的关键环节, 能够为水下地形测量、海底底质分类和水体浑浊度分析等应用领域提供数据基础。针对传统机载激光测深波形拟合算法受噪声干扰严重、对复杂波形形状拟合不准确的问题, 提出一种基于分层异构模型的机载激光测深波形拟合算法。针对波形不同组成部分的相应特性, 采用异构函数(水面-高斯函数、水体-双指数函数及水底-B样条函数)构建分层异构模型, 分别进行拟合, 从而实现对各部分波形信号的拟合。采用南海实测数据对所提算法进行了验证, 结果表明: 该算法拟合波形的平均运行时间T为0.019 4 s, 相比于RL(Richardson-Lucy)去卷积算法提高0.328 6 s; 平均均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)为6.222 4, 相比于双高斯函数拟合算法平均均方根误差RMSE、平均决定系数(Coefficient of determination, R2)、平均相关系数(Correlation Coefficient, CORR)和相关系数标准差(Standard Deviation, STD)分别提高65.11%、2.83%、1.01%和86.61%, 保证了拟合效率和拟合精度。算法具有良好的鲁棒性, 能够有效满足机载激光测深科学研究和工程应用的技术需求。

设计了一套基于光子计数探测体制的激光雷达水深探测系统, 该系统工作波长为532 nm, 单脉冲激光能量为0.5 μJ, 脉冲宽度为400 ps, 激光重频为10 kHz, 单光子探测器死时间为22 ns, 时间间隔分辨率为50 ps。首先介绍了光子计数探测体制激光雷达用于水深探测的基本原理及其相对于传统机载激光测深雷达的优越性; 然后分析了水底回波信号产生的平均光电子数与系统单脉冲激光能量的关系, 从而理论求取出该系统的极限测深能力为3.7 m左右。最后进行了外场实地试验, 对所获激光雷达点云数据进行滤波和解算, 成功测得了透明盘深度为1.2 m的浑浊水体深度为2 m以内的水下信息。

海洋激光雷达发射的激光脉冲在海水中传输, 脉冲波形随深度会发生展宽, 相应的雷达接收系统接收到的信号与激光发射脉冲差异会增大, 该现象会导致以发射脉冲作为匹配滤波器的固定匹配滤波方法在处理深水激光雷达回波信号时产生误判。为了改进匹配滤波算法对于海洋激光雷达回波数据的性能, 使用蒙特卡罗法研究在测区条件下不同深度的激光脉冲在雷达探测器上的波形, 并以这组波形作为深度自适应的匹配滤波器来代替匹配滤波算法中的固定匹配滤波器, 并用南海的实测数据检验算法的性能。实验表明, 自适应深度提取算法相比于匹配滤波算法稳定性和准确性更好。为了验证算法的正确性, 以单波束声呐测深在同一测区的测深数据为基础, 对雷达测深数据进行精度评定。

机载激光测深技术因其灵活性好、速度快和测量精度高的特点, 逐渐取代了传统测量水深的方法, 并且在河道、近海海域的水深测量以及水下地形地貌的测绘等方面发挥着重要的作用。对机载激光测深技术进行了介绍, 阐述了机载激光测深系统的工作原理及其信号处理的两种主要方法, 分别对这两种方法进行了归纳并总结了其最新的应用研究, 归纳了我国机载激光测深的关键研究技术, 最后对其未来发展方向进行了展望, 并说明了今后对回波信号将采用的数据处理方法。

基于海岸带测绘成像雷达(CZMIL)圆扫描式机载激光测深系统的内部结构，推导了激光光线在棱镜、大气、海水中的方向矢量，并针对激光、扫描仪、光学棱镜之间的安置误差纠正激光方向向量，结合全球定位系统和惯性导航系统提供的位置姿态数据，推导出成图坐标系中的激光脚点定位模型。从直线与平面交会的数学原理出发，模拟激光光线与海面的交会过程，继而根据折射原理解算激光光线在水中的方向矢量，最终根据激光光线与水中的直线方程和海底面数学方程模拟激光脚点的位置。探讨了存在视准轴偏角时飞机姿态和航高发生较大变化对点云分布的影响，对圆扫描式机载激光测深系统误差的检校及点云位置的纠正有着实际的意义。

以“多次前向、单次后向散射”激光测深回波信号数学模型为理论基础，分析了接收FOV 对激光测深回波信号的影响。讨论了不同海水深度情况下FOV 损失因子与接收器FOV 之间的关系。以辨别力指数D 作为激光测深性能评价标准，分析了晴空条件下机载激光测深系统辨别力指数D 与接收器FOV 的关系，进一步得到在不同最大探测水深情况下的最优FOV。根据分析结果可以对机载激光测深系统的接收FOV 进行优化，为我国研究新型的机载激光测深系统提供理论依据。

新研制的机载激光测深系统与第一代机载激光测深系统相比,在探测信号采集率、浅水测量能力、测点定位精度和系统的自动化方面都有较大的提高。新系统采用1000 Hz激光器以提高测量密度,分设深水浅水双通道接收回波信号以提高浅水探测能力,装配高精度的惯性导航系统(IMU)和全球定位系统(GPS)提高了测点的定位精度和深度精度,数据后处理进行了潮汐改正和波浪改正提高深度测量的精度。系统在某海域进行了多次飞行实验,实验数据经过分析和处理,得到了比较满意的结果,表明该激光测深系统在测深精度和测量效率等方面,已经接近实用化。

机载海洋激光测深系统不仅要求精确测量激光从海表的入射点到海底目标点之间的距离,还要精确测定飞机到海表入射点之间的距离,为水深数据的海浪校正而确定平均海平面以及波高.为此设计和研制了一高精度时间间隔测量器,该单元基于专用时间数字转换芯片开发,采用延迟线插入法技术,双通道工作,具有高时间分辨率(最高可达250 ps)和高测量重复率的特性.给出硬件和软件设计方法以及单元的测试结果.

针对回波特性进行理论分析和数值模拟,讨论影响机载激光测深系统的最小可探测深度的各种因素和解决的技术途径。采用窄激光脉冲,高速探测器,小接收视场角,可以改善海表和海底反射信号的叠加。分析海表和海底反射脉冲的特征,提出采用双高斯脉冲拟合方法,从叠加的回波信号中分离海表、海底反射信号,降低机载激光测深系统的最小可探测深度,满足海岸带测绘应用。利用实验室模拟装置进行测量实验,利用提出的方法分离表面和底部反射信号,得到0.4 m的最小可探测深度。同时比较了雪崩二极管和光电倍增管的测量结果,两者的测量精度相当。