[发明专利]船载多视场激光雷达探测多个水体光学特征参数的方法

说明书

技术领域

本发明属于海洋光学技术领域，涉及一种水体光学特性的探测方法，具体地说是船载多视场激光雷达探测多个水体光学特征参数的方法。

背景技术

水体光学特性，是针对水域初级生产力调查、水质探测和生物资源开发等方面的重要研究对象。在诸多鉴别手段中，激光雷达可进行水域的大尺度、快速探测，能够应用于船载平台进行走航式测量，具备耗时短、抗实验环境干扰、测量效率高等优点。

目前，用于水体光学特性探测的多是基于弹性散射机制的单一视场激光雷达，仅能探测激光波长处单一的海水光学特征参数，即水体的吸收系数、衰减系数、或向下漫射衰减系数。美国NAVAIR支持的LOCO计划下完成的SeaTROLL系统，是目前成熟的激光雷达水体光学特性探测系统，主要用于测量海洋水体的光学特性结构特点和浮游植物的分层结构，但只能获得两个水体光学特征参数，即水体的衰减系数和向下漫射衰减系数。因此，利用激光雷达探测多个水体光学特征参数的方法有待于发展，以实现快速、高效地进行水体光学特性结构的探测，解决激光雷达探测水体光学特性的技术中特征参数分析不全面的问题。

发明内容

本发明针对现有激光雷达测量技术中水体光学特征参数探测不全面的问题，提供了一种船载多视场激光雷达探测多个水体光学特征参数的方法，利用接收视场变化对激光雷达回波中多次散射增量的影响，并结合多次前向-单次后向雷达模型和Walker-Mclean模型，实现水体的多个水体光学特征参数反演，提高了方法的水体光学特性探测能力。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：船载多视场激光雷达探测多个水体光学特征参数的方法，包括以下步骤：

步骤1：利用船载激光雷达窄视场的探测回波反演激光雷达衰减系数，以估计水体的多次散射特征参数m的估计值；

步骤2：利用多次散射特征参数m的估计值，基于多次前向-单次后向散射雷达模型，建立不同视场接收时激光雷达回波比值的方程组，以计算水体前向散射系数b_f；

步骤3：基于Walker-Mclean模型，获得不同视场的激光雷达回波比，并采用最小二乘法模型计算水体的吸收系数a和多次散射项g(z,τ)；

步骤4：在Walker-Mclean模型中，进行极限深度假设，反演不同水层的向下漫射衰减系数K_d。

所述步骤1中的多次散射特征参数m的估计值取6～8之间的整数值。

所述步骤2包括：

步骤2.1：将多次散射特征参数m的估计值代入多次前向-单次后向散射雷达模型，得到多次散射项：

其中，m为多次散射特征参数，2θ_rcvr为接收视场角，n水体折射率，H为激光雷达距离水面的高度，b_f为水体前向散射系数，z为探测水深，2θ_las为激光光束发散角，x为光子散射后位置向量的空间频率，J₁为1阶贝塞尔函数，r_las和R_rcvr分别为探测激光束和望远镜接收通光面的半径；

步骤2.2：基于多次前向-单次后向散射雷达模型，计算船载激光雷达的回波强度：

其中，Q为激光能量，A_rcvr为接收视场入瞳面积，T²为激光波长在大气中和气海界面的双程衰减，v为光速，τ_d为脉冲宽度，n为水体折射率，z为探测深度，H为激光雷达与水面间距离，β(π)为水体后向180°散射系数；a为水体吸收系数，b_b为后向散射系数；F(z)为多次散射项；

步骤2.3：利用相同视场入瞳面积、不同的有效接收视场i，计算船载激光雷达的回波强度：

P_i(z)＝P_water(ψ_i,z)＝M(z)F(ψ_i,z)，

获得回波比值方程组：

其中，对于同一水体，该项与视场无关；

求解回波比值方程组，计算积分项

中的未知数：水体前向散射系数b_f和多次散射特征参数m的准确值。

所述步骤3包括：

步骤3.1：先将水体前向散射系数b_f近似为散射系数b，代入Walker-Mclean模型，则有：