机载测深激光雷达的海底回波提取技术

发布时间：2020-06-21 12:46

【摘要】：机载激光测深技术因其灵活性好、速度快及测量精度高的特点,成为各国研究人员研究的热点,并逐渐取代传统水深测量方法,在河道、近海域的水深测量及水下地形地貌的测绘等方面发挥了至关重要的作用。本文将对机载激光测深技术中的回波信号处理这一关键技术开展深入研究,提取回波信号数据中的海底回波信号,并通过数据处理清晰分辨出回波信号中的海面回波信号和海底回波信号的峰值。由于海水中各种藻类、悬浮物等因素的影响,机载激光测深系统的初始回波信号数据中包含大量的干扰信号。通过对两种常用数字滤波器——无限冲激响应(IIR)滤波器和有限冲激响应(FIR)滤波器的比较,发现FIR滤波器系统更稳定,处理效率更高且设计方法更简便,所以,本文选择使用FIR滤波器来剔除初始回波信号中的干扰信号。并详细分析比较了不同设计方法的FIR滤波器的滤波效果,在此基础上,通过对滤波后数据的平滑度判断,选取滤波效果最好,滤波后数据曲线更加平滑的数据进行储存。滤波后机载激光测深系统的回波信号数据是本文的另一个研究重点,由于该数据是离散的,因此需要选用合适的拟合方法对该离散数据进行拟合。本文采用分段拟合的方法,把回波信号分成海面回波信号,海体后向散射信号和海底回波信号三个部分。使用最小二乘拟合法和多个函数拟合法分别对这三个部分的离散数据进行拟合,分析比较了两种方法的拟合效果,并进行了误差分析。对储存的多个函数拟合法中的三个拟合效果最优的拟合函数与最小二乘拟和法中的三个拟合函数分别进行拼接,并用拼接后的拟合函数对滤波后的机载激光测深系统中海洋测深部分的完整回波信号数据进行拟合。比较两个拟合方法的拟合效果,并进行误差分析,确保能清晰地分辨出海面回波信号和海底回波信号波峰的位置。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P229
【图文】：

机载激光测深系统,工作原理图,蓝绿激光

图 2-1 机载激光测深系统的工作原理图机载激光测深系统的工作原理如图 1 所示，该系统向海面同时发射nm 的红外激光和波长为 532nm 的蓝绿激光，这两束激光具有高功率的特点。其中，波长为 1064nm 的红外激光用于测量飞机平台的飞行红外激光在海水中的穿透率非常低，所以在达到空气与海水的分界激光会发生反射，借助其发射和返回系统的时间差可以确定飞机的于海水中存在着蓝绿激光的穿透窗口，因而测深系统发射的波长为绿激光在海水中衰减系数最小，进入水体和返回接收系统之间的能小[27]。该束激光将进入海面，穿透海水直达海底，在经海底反射后水进入大气中，最后由接收望远镜接收，通过测量该蓝绿激光发射间差，就能够通过计算得到待测海水的深度。计算公式的原理如下2ctH 公式(2-1)中，H 代表海水深度，Δt 代表蓝绿激光在水中的传输时间光在海水中的传播速度。

海洋测深,机载激光测深系统,接收信号

图 2-2 机载激光测深系统海洋测深部分的理想接收信号图机载激光测深系统海洋测深部分的理想接收回波信号如图 2 所示。号中有两个峰值，峰值较高的信号是海表面反射的回波信号，峰值较低是由海底反射，二者之间的时间差为Δt。因此，激光在水中传播所遇到深度 D 如式(2-2)所示，wwonntCD2cos[arcsin(sin())] 其中，D 代表待测目标所在的水深值，Δt 代表海面和海底反射回波间的时间差，Co代表真空中的光速，nw代表蓝绿激光在海水中的折射率表蓝绿激光的海面入射角[28]。实际测量中，为获取海水深度，还需排除其他水下目标反射而形成干扰。此外，测量海深的另一难点在于，蓝绿激光穿透水体的过程中会定的后向散射。由于海洋中的不确定因素很多，其中不仅含有大量的水同时还有较多的浮游植物和非藻类悬浮物等，因此，海水的后向散射系数

【相似文献】