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不同函数拟合水体后向散射波形对激光测深精度的影响

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武汉大学学报（信息科学版） 2018年第4期43卷 548-554页

作者：李凯张永生童晓冲韩硕信息工程大学地理空间信息学院

为了提高激光测深数据处理结果的精度,在原有的激光测深回波信号拟合方法的基础上,结合信号形成的物理过程,提出使用指数函数模拟激光测深水体后向散射回波成分的方法。利用Wa-LiD（Water LiDAR）工具生成了多组模拟数据集以对比和检验... 详细信息

为了提高激光测深数据处理结果的精度,在原有的激光测深回波信号拟合方法的基础上,结合信号形成的物理过程,提出使用指数函数模拟激光测深水体后向散射回波成分的方法。利用Wa-LiD（Water LiDAR）工具生成了多组模拟数据集以对比和检验提出的新方法。对于每个可探测回波,海面回波和海底回波均使用高斯函数进行拟合,水体后向散射波形分别使用三角形、四边形、指数函数进行拟合。实验结果显示,指数函数测深误差统计量明显优于三角形和四边形拟合方法,且更适用于拟合不同水质和水深条件下水体后向散射回波信号。同时检验了体积散射函数取180°时数值对测深回波信号探测结果的影响。

关键词：激光测深水体后向散射 Wa-LiD 波形建模方法体积散射函数

圆锥扫描式机载激光测深系统扫描轨迹建模与分析

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测绘科学技术学报 2016年第1期33卷 53-58页

作者：申二华张永生李凯范大昭信息工程大学河南郑州450001

对圆锥扫描式机载激光测深系统在海面上的激光脚点扫描轨迹进行几何建模,重点分析了水文模式下激光脚点扫描轨迹的平均测点密度和覆盖效率。根据设定的几何模型,以CZMIL机载激光测深系统为例,计算得到单航线测量模式下双向扫描区域激光... 详细信息

对圆锥扫描式机载激光测深系统在海面上的激光脚点扫描轨迹进行几何建模,重点分析了水文模式下激光脚点扫描轨迹的平均测点密度和覆盖效率。根据设定的几何模型,以CZMIL机载激光测深系统为例,计算得到单航线测量模式下双向扫描区域激光脚点"最小距离"小于1.6 m的比例为99.78%,5 m×5m大小的格网内激光脚点的平均数目为11.93个。另外,对激光测深系统旁向重叠度和两条航线扫描轨迹进行了分析,认为31.3%的旁向重叠度可以保证不产生飞行漏洞,但对激光脚点的测点密度提升效果并不明显。最后,对激光脚点分布的不均匀性进行了分析,讨论了不同的激光测深系统参数对测点密度和测量效率的影响效果。

关键词：圆锥扫描激光测深扫描轨迹平均测点密度覆盖效率旁向重叠度

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机载激光测深系统中的精确海表测量

红外与激光工程 2003年第4期32卷 351-355,376页

作者：姚春华陈卫标臧华国汪权东陆雨田中国科学院上海光机所激光技术实验室上海201800

讨论了机载激光海洋测深技术中采用红外激光测量海表的精度和探测概率。首先介绍了机载激光测深系统中红外激光测距的原理以及计算方法;分析了不同扫描角、海况(尤其是不同风速)下斜距的测量方法、测量精度及对回波信噪比的影响,分析了... 详细信息

讨论了机载激光海洋测深技术中采用红外激光测量海表的精度和探测概率。首先介绍了机载激光测深系统中红外激光测距的原理以及计算方法;分析了不同扫描角、海况(尤其是不同风速)下斜距的测量方法、测量精度及对回波信噪比的影响,分析了在给定探测概率下甄别阈值的选择以及探测概率和信噪比的关系。最后用机载激光测深系统的参数对海表探测进行了数值模拟和讨论,提出了改进措施。

关键词：激光测深探测概率甄别阈雪崩光电二极管

无人机机载激光测深技术在内河滩险测量中的应用

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水运工程 2023年第S1期 133-137页

作者：夏波朱运权四川省交通勘察设计研究院有限公司四川成都610017

内河天然航道滩险测量中,传统测量方法成果类型单一、精度效率低、人员安全无法保证。在无人机机载激光测深技术原理和方法的基础上,根据内河航道滩险测量特点,从探测能力、波浪改正、极浅水测量、飞行条件等多方面对其适用性进行论证,... 详细信息

内河天然航道滩险测量中,传统测量方法成果类型单一、精度效率低、人员安全无法保证。在无人机机载激光测深技术原理和方法的基础上,根据内河航道滩险测量特点,从探测能力、波浪改正、极浅水测量、飞行条件等多方面对其适用性进行论证,得出该技术灵活高效,可以提供高密度水陆地形点云数据,大大提高工作效率和成果精度,可以满足内河航道滩险测量需求,但需在提高极浅水测量精度、水质条件影响、回波识别处理技术、水面大比降影响等方面进行更深入的研究。

关键词：无人机激光测深蓝绿光内河航道滩险测量

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航空激光测深仪海面和海底激光入射点分布

测绘科学技术学报 2010年第2期27卷 88-91页

作者：叶修松王耿峰黄谟涛赵东明信息工程大学测绘学院河南郑州450052 天津海洋测绘研究所天津300061

依据卵形扫描系统的原理,以严格的数学推导为基础,推导了海平面激光入射点坐标的计算公式及相应的优化算法。建立起了海底激光入射点坐标及该点垂直水深的严密计算模型。通过仿真试验,得出了激光镜面反射点X轴的修正量随驱动电机转角的... 详细信息

依据卵形扫描系统的原理,以严格的数学推导为基础,推导了海平面激光入射点坐标的计算公式及相应的优化算法。建立起了海底激光入射点坐标及该点垂直水深的严密计算模型。通过仿真试验,得出了激光镜面反射点X轴的修正量随驱动电机转角的变化趋势,单个周期的海面激光入射点分布及30个周期的激光脉冲海面重叠图和试验脉冲对应的定位角度数据。同时给出了每个测量数据对应扫描镜中心点的位置和每个激光发射时对应XYZ坐标系中坐标原点的经纬度的计算方法。

关键词：激光入射点坐标激光测深扫描系统激光脉冲

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光子计数激光测深技术研究

光子计数激光测深技术研究

作者：张河辉中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

学位级别：硕士

与传统线性探测体制激光雷达相比,光子计数激光雷达灵敏度更高而系统资源消耗更低、探测距离更远且探测效率更高。开展光子计数激光测深技术研究,可以摆脱传统激光测深系统激光能量大、系统复杂而功耗较高、探测深度较浅而精度较低等缺... 详细信息

与传统线性探测体制激光雷达相比,光子计数激光雷达灵敏度更高而系统资源消耗更低、探测距离更远且探测效率更高。开展光子计数激光测深技术研究,可以摆脱传统激光测深系统激光能量大、系统复杂而功耗较高、探测深度较浅而精度较低等缺点,这对于海岸线漫长、大陆架资源丰富的我国而言,具有十分重要的战略意义。国内对于光子计数激光雷达已经有了较为全面的研究,但将其应用于水深探测尚处于起步阶段,本论文的研究成果可以弥补国内光子计数激光测深方面的研究空白。论文主要针对应用于水深探测的光子计数激光雷达系统进行深入研究。详细分析了光子计数激光雷达的基本原理和探测模型,基于光子计数激光测深原理,建立了光子计数激光测深系统探测模型,提出了系统工作模式选取、性能分析、系统参数设计的方法,建立了光子计数激光雷达水深探测的激光能量模型和探测概率模型,成功研制出一套可用于水深探测的光子计数激光测深系统实验原型机。论文率先在国内运用光子计数激光雷达进行了水深探测实验,验证了光子计数激光雷达水深探测的原理、指标设计和关键技术的合理性及可行性,构建了基于回波信号的点云数据及其统计直方图的数据预处理、滤波和水深提取算法,获取了许多有价值的实验数据,为光子计数激光雷达在水深探测方面的进一步发展和应用奠定了基础。论文的创新点主要包括:(1)建立了光子计数激光雷达水深探测的探测概率模型,分析了探测器死时间、激光能量、背景噪声等因素对系统测深能力的影响;(2)国内首次将光子计数激光雷达运用于水深探测,并率先开展了实地测深实验,测得了两米以内的水下信息,取得了诸多有价值的数据。(3)提出了测深系统性能分析方法,为光子计数激光测深系统测深能力分析提供了理论依据。

关键词：光子计数单光子激光测深激光雷达探测概率

波动水面对激光测深影响及单光子激光雷达测深数据折射改正方法研究

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波动水面对激光测深影响及单光子激光雷达测深数据折射改正方法研...

作者：薛烨上海海洋大学

学位级别：硕士

浅海水下地形高精度测量是海洋资源开发保护、海洋航行运输安全和维护国家海洋主权等方面的重要保障。机载激光雷达测深能够在船载声呐测量、人工测量受限的浅海环境、潮差变化大、存在暗礁等危险区域发挥极大的优势,是重要的浅海高精... 详细信息

浅海水下地形高精度测量是海洋资源开发保护、海洋航行运输安全和维护国家海洋主权等方面的重要保障。机载激光雷达测深能够在船载声呐测量、人工测量受限的浅海环境、潮差变化大、存在暗礁等危险区域发挥极大的优势,是重要的浅海高精度测深技术手段。然而,传统的测深激光雷达探测体制主要是线性激光雷达,它的能量损耗大、功耗高、重量重的问题带来了测量成本高的缺点。轻小型单光子激光雷达具有重频率高、能量要求低重量轻等优点,可快速获取水下三维地形,可挂载于无人机平台上,作业灵活度更高。它的单光子探测器探测灵敏度极高,能够探测到水下环境中的弱信号,在浅海水下地形测量中具有巨大的潜在优势。要发挥轻小型单光子激光雷达水深测量的优势,测深数据处理的研究也同样重要。本文着眼于水底地形数据折射改正方法研究,考虑无人机挂载的单光子激光雷达飞行平台空间动态变化和波动水面对水下激光测深精度影响问题,开展相关研究工作,主要包括以下四点内容:1.推导了卵形扫描结构下的激光天底角的计算模型。激光天底角是水底地形数据折射改正的重要参数。本研究解析了激光天底角在激光雷达系统集中的安置角误差、飞行平台空间动态变化两个影响因素下的激光入射光向量表达式,根据激光入射角光向量给出计算激光天底角公式。2.建立了浅海环境下的海面模型,开展了波动水面对激光测深偏移误差影响规律的研究。设计1-4级风力等级下的海面参数,采用PM-SWOP谱、小振幅波理论叠加的海面建模方法,仿真了浅海环境下的激光在波动海面下折射过程。研究不同风力等级、激光入射角度、激光入射方向(分为顺风方向和垂直风向两种对比条件)条件下的水下激光测深偏移误差的规律,测深偏移误差分为平面偏移误差和深度偏移误差。结果表明,风力等级、激光入射角度是影响激光测深偏移的重要影响因素。风力等级增大时,测深偏移误差增大,垂直风向与顺风方向对测深偏移影响差异不显著。激光入射角增大时,平面偏移误差增大且逐渐大于相同条件下的深度偏移误差,但深度偏移误差增大趋势不明显。进一步分析RMSE可以发现,当激光入射角光在15°以内,风力等级在3级以下,测量深度在10m以内时,波动水面比平静水面时的激光偏移误差约5cm。因此,当机载激光测深实验的观测环境控制在风力等级小于3级,激光入射角小于15°条件下,折射改正过程中可将波动水面当作平面。3.基于海况环境综合模拟实验室,开展了波动水面对单光子激光水深测量精度影响的验证实验。为了验证海面模型的可靠性,在上海海洋大学海况环境综合模拟实验室中进行了波动水面下激光定点实测的定量实验进行验证。比较激光在波动水面的水下斜距统计分布特征值,仿真结果与实测结果趋势一致,保证了基于海面建模的波动水面对激光测深偏移误差规律影响研究的有效性。4.基于改进激光天底角计算的折射改正方法的验证实验。选取了在海南省万宁市加井岛获取的无人机挂载单光子激光雷达测深数据,对测深数据进行了去噪、安置检校、折射改正、深度基准转换等处理步骤后,采用船载单波束测深数据进行精度验证,分别计算折射改正后的激光点云与单波束验证数据的RMSE和MAE。结果表明,折射改正后,两个指标分别提升了77.98%、78.43%,验证了论文提出的方法可以有效的提升激光雷达测深数据的精度。

关键词：激光测深单光子海面仿真偏移误差折射改正

基于平面约束模型的机载激光测深雷达安置误差标定技术研究

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基于平面约束模型的机载激光测深雷达安置误差标定技术研究

作者：曹岳飞山东科技大学

学位级别：硕士

定位精度是机载激光测深雷达系统的关键性能指标之一。计算分析表明,安置误差是决定机载激光测深雷达系统定位精度的主要因素,因此建立可靠的安置误差标定模型、设计对应的安置误差标定方案,对于提高机载激光测深雷达系统的定位精度十... 详细信息

定位精度是机载激光测深雷达系统的关键性能指标之一。计算分析表明,安置误差是决定机载激光测深雷达系统定位精度的主要因素,因此建立可靠的安置误差标定模型、设计对应的安置误差标定方案,对于提高机载激光测深雷达系统的定位精度十分必要。本文以国产机载激光测深雷达系统为研究对象,在调研国内外机载激光雷达系统安置误差标定方法的基础上,结合国产机载激光测深雷达系统的特点,采用基于平面约束模型的安置误差平差解算模型。主要研究内容包括:(1)机载激光测深雷达对地几何定位模型推导。分析了国产机载激光测深系统的构成,定义了各传感器坐标系,针对系统特有卵形扫描结构推导了扫描仪测距定位公式,基于各传感器空间转换关系推导了激光脚点在WGS84坐标系下的对地几何定位模型。(2)机载激光测深雷达系统误差源理论分析与定性定量计算。研究了系统主要误差源,定量分析了扫描仪测距、测角误差,集成安置角误差,IMU测姿误差,定位误差对激光脚点定位精度的影响,着重研究了安置角误差对点、线、面特征地物的影响规律,为安置误差标定方案提供理论基础。(3)采用基于平面约束模型的安置误差标定算法。从机载点云和地面高精度测绘数据中提取不同朝向的平面地物,建立平面连接关系,基于激光脚点的坐标计算公式和共面约束条件,利用附有参数的条件平差解算安置误差。算法优化了基于特征值法的平面拟合算法,提高了平面的抗差性。根据提出的标定方法,给出建立标定场的原则和方法,设计飞行航线,进行了安置误差解算。(4)基于二类高差产生机制,利用平面和斜坡面特征地物评价机载激光测深雷达对地定位精度。实验表明:本文基于平面约束模型的安置误差标定算法可以有效的解算安置误差;经过误差改正,国产机载激光测深雷达的定位精度能够满足设计要求,达到了国外同类产品的精度指标。

关键词：机载雷达激光测深安置误差平面标定模型精度评定

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机载激光测深后向散射光雷达方程

激光与红外 2002年第6期32卷 386-388页

作者：朱晓王华齐丽君掌蕴东华中科技大学激光技术国家重点实验室湖北武汉430074 哈尔滨工业大学光电子技术研究所可调谐激光国防重点实验室黑龙江哈尔滨150001

根据《海水中光束传播唯象模型》和水下辐照度反射率定律 ,将海水中任一深度的激光束 ,分为准直光部分和非准直光 (散射 )部分 ,并分别计算机载光学接收系统接收到的准直部分和非准直部分的后向散射功率 ,建立了机载激光测深系统后向散... 详细信息

根据《海水中光束传播唯象模型》和水下辐照度反射率定律 ,将海水中任一深度的激光束 ,分为准直光部分和非准直光 (散射 )部分 ,并分别计算机载光学接收系统接收到的准直部分和非准直部分的后向散射功率 ,建立了机载激光测深系统后向散射光雷达方程。通过对该雷达方程的分析 ,得到了当海水深度以衰减长度的个数表示时 ,机载激光测深系统接收到的海水后向散射光功率最大值点对应的水深与海水的单粒子反照率有关 ,而与海水的衰减系数无关的结论 ,以此可测定海水散射系数、吸收系数。文中也分析了系统视场角对后向散射包络的影响 ,阐述了后向散射包络以有效衰减系数指数衰减。

关键词：激光测深激光海水后向散射探测雷达方程