新型机载激光测深系统及其飞行实验结果

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。     

离散频谱校正方法的综合比较

在综合分析五种离散频谱校正方法特点的基础上,通过仿真研究,得出在无噪声情况下比值校正法的校正精度高于其它几种方法在小噪声情况下,各种校正方法的校正精度大致相当;在大噪情况下,第二种相位差校正法(构造新序列,即将原时域序列前N/2点平移N/4点,将序列的前后N/4点置零,分别对原序列和新序列进行FFT分析,利用对应峰值谱线的相位差进行频谱校正的通用方法)的校正精度要高于其它几种方法.对于相隔较近的频率成分(不小于4个频率分辨率),两种相位差校正法的校正精度要高于其它几种方法.在小噪声的工程实际中,推荐简单方便的加Hanning窗的能量重心法(n=1或n=2)进行校正,幅值误差小于1%,频率误差小于0.02个频率分辨率,相位误差小于5度.     

用于机载激光测深系统的时间间隔测量模块

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250ps)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。     

大气有机碳/元素碳测量中的光学校正方法

根据热光法原理,设计并实现了有机碳(OC)/元素碳(EC)测量系统。在此基础上分析了影响光学校正法准确判断OC和EC分割点的因素,对热分解过程中激光强度的温度效应进行激光补偿校正。描述了激光在滤膜中的传输特性,探讨了造成热光透射法(TOT)和热光反射法(TOR)所确定的OC和EC的分割点存在差异的原因。     

一种基于LS-WTLS的稳健平面拟合方法

为了解决平面数据点位精度差异性及平面模型常数项解算精度较低的问题,提出了一种基于最小二乘-加权总体最小二乘(LS-WTLS)的稳健平面拟合方法。该方法采用加权最小二乘模型与稳健估计IGGⅢ方案相结合的方式对平面模型误差项参量进行解算,然后通过设置阈值剔除粗差数据,利用最小二乘法对平面模型常数项进行解算,以此进一步提高了平面模型各参量的解算精度。结果表明, 新方法相对于最小二乘(LS)法、总体最小二乘(TLS)法、LS-TLS法、IGGⅢ-LS-TLS法,其单位权中误差分别提高了53.6%, 195.0%, 47.5%和5.1%,平面拟合精度分别提高了49.4%, 179.3%, 48.7%和46.99%,表现出了良好的抗粗差干扰能力。该研究验证了新方法在平面拟合领域的优越性和可靠性。     

逆合成孔径雷达成像中距离校正的研究

本文分析了逆合成孔径雷达(ISAR)成像中距离校正的基本原理,提出了两种新的校正方法:峰值对准法和直接校正法。利用雷达实测数据,讨论了上述新方法和幅度相关法的差别,从而肯定了直接校正法的优越性。     

欠采样下自适应模板匹配在明渠测深中的应用

简单地描述了水声测量法在测量明渠水深中的原理——匹配滤波法在水深测量中的应用,分析了欠采样回波波形与固定的本地匹配波做匹配存在的缺陷。针对这种缺陷下所引起的结果的误差,分析了一般校正法所存在的问题,从而提出了一种欠采样下的模板匹配技术。通过回波波形与不同本地匹配波形模板匹配,找到一组正确的回波本地波匹配对,从而规避了欠采样对匹配的影响。经过仿真测试,此种方法效果显著,在明渠水深测量中,能将精度最大误差由2.152 5 cm降低到3 mm,使测深精度提高了一个数量级。     

薄膜应力测量方法研究

总结了薄膜应力的一些测量方法。将经常使用的方法归纳为激光宏观变形分析法和X射线分析法。介绍了利用测量基片弯曲曲率的激光宏观变形分析法(包括激光干涉法和激光束偏转法)和品格变形的X射线衍射法等测量薄膜应力的理论依据及其测量原理，计算了各种测量方法的测量精度，X射线分析法的精度最高，其次是激光干涉法，而激光束偏转法的精度最低，分析了激光分析法和X射线分析法的优缺点。     

逆合成孔径雷达成象中距离校正的研究

本文分析了逆合成孔径雷达(ISAR)成象中距离校正的基本原理,提出了两种新的校正方法:峰值对准法和直接校正法。利用雷达实测数据,讨论了上述新方法与幅度相关法的差别,从而肯定了直接校正法的优越性。     

基于多通道海洋激光雷达的海陆波形分类

针对国产机载激光雷达测深系统海陆波形分类识别的需求,基于多通道海洋激光雷达波形数据的特点,通过提取多通道波形的特征参数,采用支持向量机的方法构建分类模型对海陆波形进行分类。通过检验结果证明,该分类方法总体精度和Kappa系数分别达99.03%和0.9805。该方法海陆波形分类精度满足工程应用需求,适用于国产机载激光雷达测深系统的波形分类处理,为后续深度计算过程中水体介质光速校正和潮汐波浪改正奠定基础。     

机载激光测深技术的研究进展

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。     

机载激光测深系统中的精确海表测量

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。最后用机裁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。     

光子计数激光测深系统

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 J,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。     

机载激光测深后向散射光雷达方程

根据《海水中光束传播唯象模型》和水下辐射度反射率定律，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，而不是以光束衰减系数指数衰减。     

机载激光测深唯像雷达方程

依据机载蓝绿激光测深脉冲的传输过程，将激光束在海水中向下和向上传输视为二个不同的传输过程，并利用水下激光束传输唯像模型和水下有限尺寸光源的距离定律，建立了机载激光测深唯像雷达方程，该方程可更精确地计算机载激光测深的能力和较全面地分析影响机载激光测淇深能力的诸因素。     

机载激光雷达最大探测深度同海水透明度的关系

分析了机载激光雷达最大海水探测深度与透明度盘深度之间的关系,得到了两者之间 关系式,可以根据不同海区海水的透明度估算激光雷达最大探测深度,以利于机载激光测深系统的应用。     

机载激光雷达测深系统定位模型与视准轴误差影响分析

根据机载激光测深系统扫描部分结构,针对圆镜偏轴卵形扫描方式,从光束发射方向出发,基于扫描结构轴向关系利用光线反射定律推导出激光出射方向向量,结合激光出射位置到海表点距离获得海面激光点坐标;依据光线折射定律,利用变折射率光线追踪算法推导出海底测深点坐标计算公式,建立海面激光入射点及海底测深点坐标严密计算模型。根据模型定位公式,分析扫描系统视准轴误差影响,通过数值模拟,分析扫描系统视准轴误差对定位精度影响,为扫描系统单体设备加工、装调、集成检校提供依据,为机载雷达测深系统提供海底测点精确计算、改正提供参考。     

基于深度学习的机载激光海洋测深海陆波形分类

机载激光雷达的海陆波形分类对于沿海地区及其变化性质的研究至关重要。提出了一种在原始的机载激光雷达回波上使用深度学习进行分类的方法。构建全连接神经网络和一维卷积神经网络（CNN）,在一个测量海域的数据集上进行训练和测试,最优模型获得了99.6%的分类精度。该最优模型对来自不同测量海域的数据进行分类,分类精度达到了95.6%,相比支持向量机方法,处理速度提高了约52%。结果表明:深度学习方法对机载激光雷达回波波形的分类具有较高的精度和速度,它可以进一步作为通过机载激光测深技术对海底种类进行分类的候选方法。     

机载激光测深系统中回波信号大动态范围的偏振压缩

采用偏振检测方法 ,对机载激光测深实验系统接收到的大动态范围的水下目标反射的激光回波信号的压缩进行了实验研究。结果表明 ,偏振检测方法能压缩激光回波信号的动态范围至少达一个数量级 ,对水下的激光后向散射有较强的抑制作用 ;对探测水下目标反射的激光回波信号的影响不大。