单位文秘网 2021-10-24 08:11:07 点击: 次
【摘要】介绍了机载GPS/激光测深系统的组成,包括机载激光测深、机载GPS定位测姿、机载测量数据集成处理和机载数据通信控制四个子系统。通过对影响机载GPS/激光测深系统测深精度的理论分析,得出了平均海平面的确定、海水深度的测量误差等影响测深精度因素的定量分析结果,并依据该分析结果,得出了机载激光测深系统应该尽可能采用较窄的激光脉冲、较小的光学接收视场角和滤光通带宽度,以此减小海面背景噪声光的有害干扰,提高激光探测的信噪比,确保精确测定海水深度。
【关键词】GPS;激光;测深;脉冲
1.引言
随着海洋国土意识的日渐浓厚,海洋划界已成为濒海国家一项迫在眉睫的历史重任。我国亟待与朝鲜、日本、菲律宾、马来西亚和越南等国家划定海域疆界。为了维护我国海洋国土的完整和权益。开发和利用海洋资源,海洋测绘是一项超前期的基础性建设。浅水海域测绘,特别是海图与陆图的衔接测量,已成为海洋测绘亟待解决的大问题。现行的回声测深技术,虽能较好地测得几十米水深的海底地形地貌,但难以解决几米水深的测绘问题。近年来,我国海底地形测绘的实践表明,研究适用于浅水海域的新型测绘系统,已成为海洋测绘的当务之急。美国、瑞典等一些发达国家的军方部门,都在积极研制机载激光测深系统。瑞典和澳大利亚的机载激光测深试验结果表明,在几十米水深的浑浊海域内,能够达到亚米级的测深精度。因此,机载激光测深系统,将成为浅水海域海底地形测绘的先进技术装备。机载GPS/激光测深系统的示意图如图1所示。
2.系统设计
机载GPS/激光测深系统主要由机载激光测深子系统、机载GPS定位测姿子系统、机载测量数据集成处理子系统和机载数据通信控制子系统组成,四者之间相互协作,互通信息,构成一套完整的作业、指挥、管理系统,共同完成测深任务。
2.1 机载激光测深子系统
该子系统包括双色激光发射、绿色激光测深扫描、光学接收和光电检测等四大部分。Nd:YAG倍频激光器,是机载激光测深子系统的心脏,它产生的基频红外脉冲和倍频激光脉冲,具有40Mj/20mJ的能量和5ns的脉宽,而其重复率高达400Hz。由于热瞬态影响光学谐振腔的精密平衡和高峰值功率非线性效应导致激光棒等不可逆转的击穿,机载激光测深子系统发射的高重复率脉冲,难以达到亚毫微秒级的脉宽。该系统的主要功能是:采集、记录、计算和提供机载激光测高测深原始数据。
2.2 机载GPS定位测姿子系统
该子系统一般采用机载GPS动态载波相位测量的DGPS模式,以此确保所需高精度的均匀性和稳定性。主要功能是:确定飞机的在航三维姿态参数,为控制机载激光作业平台的稳定性提供基准数据,以确保激光回波的稳定接收,为机载激光测深等子系统提供时间同步源,以确保各子系统的协同工作。测定飞机的在航七维状态参数,以便精确引导飞机进行昼夜探潜作业。
2.3 机载测量数据集成处理子系统
该子系统的主要功能是:实施机载激光测量、机载GPS定位和测姿等多种数据的集成快速解算,而精确地算得所探水下目标的实时位置。指挥、控制和维护机载激光测深系统的在航作业。协调机上各子系统的同步工作,监视测深状态和系统工作正常与否,管理机载测试数据,并将它们发到机载数据通信控制子系统。
2.4 机载数据通信控制子系统
该系统的主要功能是:向地面控制中心发送机载测量数据等信息,接收地面指挥中心的控制指令,并予以分发和显示。
在作机载激光测深时,机载倍频腔倒空Nd:YAG倍频激光器,向海面发射1064nm红外激光和532nm绿色激光。当这两束毫微秒级脉宽和毫焦耳级能量的激光脉冲射达海面时,红外激光因无法穿透水面而被海面发射,且沿着入射路径返回在航飞机,被其光学接收子系统所接收。绿色激光处于海水的窗口频段,仅有2%的能量被海面反射,而沿着入射路径返回在航飞机,被其光学接收子系统所接收。98%的能量穿透海面而射达海底,并被后者发射而沿着入射路径返回在航飞机,亦被其光学接收子系统所接收。在扫描式激光测深的工作模式下,绿色激光用于测量海水深度,红外激光用于测量飞机的飞行高度。当光电检测子系统测得绿色激光在海水中的传播时间差,即可按下式算得海水深度:
(1)
式中:
:海水深度;
:绿色激光在海水中的往返传播时间;
:光在真空中的传播速度;
:海水的光波折射率,当=532ns时,=1.341;
:取决于绿色激光入射海水角度的光径因子。
机载激光测深系统的海水最大测量深度为:
(2)
式中:
:海水对激光的有效衰减系数;
:海面背景所产生的噪声功率;
:机载激光测深系统的有效接收功率。且知:
(3)
式中:
:绿色激光脉冲的峰值功率;:大气/海水界面的反射率;
:机载激光测深系统的光学有效接收面积;
:机载激光测深系统的光学接收效率;
:机载GPS/激光测深系统测得的飞机点A至海洋面的距离。
从式(2)和式(3)可见,机载激光测深系统的海水最大测量深度,既取决于光学收发系统的自身特性,又取决于所探海域的自然条件和海水特性,以致夜间的测深能力强于白天。备以机载GPS动态载波相位测量的精确导航,可以准确地在指定海域实施夜间探潜作业。同时,机载激光测深的海水深度与飞机的飞行高度平方成反比。亦即,在同等激光功率的情况下,飞行高度较低,则所测深度较大。但飞行高度较低时,又不能获得较大的扫描面积。因此,需要综合考虑飞行高度的设置问题。
3.测深精度理论分析
3.1 平均海平面的确定
机载激光测深系统所载的Nd:YAG激光器向海面发射波长为1064nm的红外激光及其倍频后波长为532nm的绿色激光。两束激光作共线扫描,以天顶角入射到起伏的海水表面。根据红外激光与绿色激光返回的时间差,即可计算出被测点的海水深度。由此可见,利用上述原理而探测到的海水深度是瞬时海水深度,这种深度的起算面是受波浪和潮汐等因素影响的瞬态海面,而在任何一张海图中,海水深度都应该是指某一指定的标准起算到海底的距离,所以必须将机载激光测深系统的瞬时水深转化成相对某一标准起算面的水深。这就需要解决瞬态海面与标准起算面的相互关系问题。
机载激光测深系统有两种不同的方案可用于确定平均海平面:一种是发射系统发射的两束激光中,仅绿色激光作矩形扫描,红外激光扩束后垂直投射到海面,在海面的作用范围大约为25m左右,由红外激光的表面回波可以确定25m范围内的平均海面;另一种优越性较强的是发射系统发射的红外激光和绿色激光作共线扫描,红外激光用于确定瞬时海面的位置,由于海浪的波动可看做是一均值为零的随机运动,可根据一个扫描周期内若干个扫描点的波高确定平均海平面的位置。在共线扫描系统中,飞机上装有加速度计,它可以按一定的采样频率给出飞机在垂直方向上的加速度,因而我们可以了解飞机在垂直方向上的运动,以及在有限的时间内,飞机相对于平均海平面的高度,加速度计的这种功能,可使机载激光测深系统在各种条件下有效工作,特别是在红外激光表面回波丢失的情况下仍能正常作业。
3.2 海水深度的测量误差
机载激光测深系统测量海水深度,是通过测量海水回波与海底回波的时间差实现的。事实上,无论是海面回波,还是海底回波,其返回时刻都不是一个确定的量。这是因为:海水受风浪和潮汐的影响,表面起伏不定,凹凸不平,入射到海面的激光束经这样的海水表面反射,即使不考虑本身的脉冲宽度,也不可能在同一时刻返回接收器;绿色激光透射进入海水后,将不可避免地与海水中的悬浮粒子等相互作用,发生多重散射。因而,不同的光子具有不同的路径,它们不可能在同一时刻返回接收器而发生严重的时间/空间展宽。因此,时间差只能是统计意义上的回波之间的时间差。由于传输过程中光子的多路径,必然给深度的测量带来较大的不确定性。
此外,的测量误差,不仅取决于测量设备的分辨率和量测噪声,而且取决于脉冲宽度和噪声光子数等诸多因素。例如,激光回波的强烈涨落,也涉及着测深精度。机载激光测深系统所接收到的绿色激光回波,经历了下列8个界面的传输。
(1)机载激光发射至海面的大气界面;
(2)激光射入海水的大气-海水界面;
(3)激光射向海底的海水界面;
(4)激光射达海底的海水-海底界面;
(5)激光被海底漫反射的海底-海水界面;
(6)激光返回海面的海水界面;
(7)激光回波穿出海水的海水-大气界面;
(8)激光回波到达机载激光测深系统的大气界面。
红外激光虽只经历了上列界面中的4个界面传输,但海面上大气的强烈抖动和海面地形的强烈起伏,导致了红外激光回波幅度的异常变化。经过上列8个界面传输的绿色激光回波,其幅度涨落远比红外激光变化大。两者均将产生脉冲展宽,前后沿变缓,绿色激光脉冲更甚之。正如前述,机载激光测深,是基于绿色激光在海水中的往返传播时间的测量。假定在测深点A时,激光回波取样点均处于脉宽中心点,但在后续的测深点p时,回波取样点发生偏移。例如,处于脉冲前沿或处于脉冲后沿,其差值,在极端情况下,大达一个脉宽的测时误差。若脉宽为5ns,则取样测深误差为0.75m。若脉宽为6ns,取样测深误差便是0.90m。由此可见,机载激光测深系统采用较窄的激光脉冲,有益于在回波幅度强烈涨落的情况下,获取较高的测深精度。
在脉冲式激光测深的模式下,脉冲宽度所引起的测深误差为:
(4)
式中,:激光脉冲的半电平全带宽;:机载激光测深系统光电转换器所接收的光子数;
:取决于不同测深模式的系数。
从式(4)可知,激光测深精度的高低与激光脉冲宽度的宽窄成正比。为了获得较高的测深精度,宜用较窄的激光脉冲。但在机载激光测深时,激光脉冲重复率一般采用168~1000Hz。对于上千赫兹重复率的激光器,应该充分考虑到热瞬态影响光学谐振腔的精密平衡和高峰值功率非线性效应导致激光棒等不可逆转的击穿,以致脉冲宽度难以达到亚毫微妙级。因此,机载激光测深系统的脉冲宽度宜选5ns左右。
4.结论
激光脉冲自海面返回机载激光测深系统的光学接收子系统时,海面背景噪声光亦随之被光电转换器件所接收。在激光脉冲转换成电脉冲时,噪声光亦随之转换为电噪声。其大小可用在一个脉宽内的噪声光子数予以表述,表1列出了在不同脉宽下的噪声光子数,由表列数据可见:
(1)随着激光脉冲宽度的加宽,所含噪声光子数亦随之增多,亦即,脉宽加宽一倍,所含噪声光子数亦随之增多一倍;
(2)减少光学接收子系统的视场角,可以显著地降低每个脉宽所含噪声光子数,例如,当接收视场角(afov)从50mrad减少到16时,每个脉宽所含噪声光子数降低一个数量级;
(3)减少干涉滤光片的通带宽度,亦可降低每个脉宽所含噪声光子数,且每个脉宽所含噪声光子数随着通带宽度变窄,而成正比例减少。
从上可知,机载激光测深系统应该尽可能采用较窄的激光脉冲、较小的光学接收视场角和滤光通带宽度,以此减小海面背景噪声光的有害干扰,提高激光探测的信噪比,确保精确测定海水深度。
参考文献
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