[发明专利]机载浅水水深的激光探测方法及装置

说明书

一种机载或无人机载的，从低空对浅水区水深的激光进行快速探测，机载浅水水深的激光探测方法及装置。该方法采用激光脉冲扫描水面，在水面浅层产生具有特定频谱特性的声波脉冲，该声波脉冲经水底反射，在水面产生相应的声波振动，经机载激光束探测到该声波振动后得出水深信息。载机距水平面高度也可以以激光测定。

技术领域

用机载装置对浅水区的水深用激光探测的方法及装置。包括激光脉冲的产生，激光脉冲在水面浅层产生具有特定频谱特性的声波脉冲，声波脉冲经水底反射后达到水表面，水表面的声波脉冲振动被机载的另一个激光束检测。依此得出该处水深信息。载机距水平面的高度也可用激光测定。

背景技术

水深的测量，包括普查性的测量和精准测量，一直是一个极需解决，然而又很困难的技术难题。其关键难点是水对电磁波及光波的衰减极大，难以在水中用电磁波或光来进行探测。

然而，由于水是声的优良传输介质，声波探测(声纳)一直为较实用和有效的水下探测方法。但发射声波脉冲的发散角大，探测水深度时定位精度较差。由于声能从空气往水中传播，或从水中往空气中传播都会受到强烈的衰减，实践中无法从空中直接利用声脉冲对水中目标进行快速的普查探测。

多年来，对用激光脉冲进行水下探测作了大量研发工作。水对光的衰减也很严重，仅在蓝绿波谱范围有较好的透过率，即所谓水对光的透射窗口。然而，即使在采用蓝绿激光脉冲的情况下，对于较好的水质，激光在水下探测作用距离也仅在几十米的量级。对于不同水质，水中能见度及水底不同的状况，如水底材料(沙，泥土，石块等)，水底形状及植被状态，激光回波信号的特征，特别是回波信号的强弱，都会受到严重的影响。通常光脉冲信号对于这些因素比声波信号更为敏感。对于浅水区更容易常见的低能见度浑水及复杂的水底地质及植被状态，激光探测的有效作用距离不够，往往使该方法不具有有效的实用性。在水面运动状况较为复杂的情况下，水面对光束传播方向的变向影响，弥散及衰减效应既严重并难以预测，从空中利用激光脉冲对水下进行测量的有效性因此将进一步受到限制。

在水文地质条件复杂的水域，能快速进行水深的普查探测，特别是从空中进行水深探测，是一极需解决的挑战。

发明内容

常规的声波探测水深方法是使用安装在水中探测平台上的声纳。探测平台可以为在水面上或水面下的船艇。探测平台上的声纳往水底发射声波脉冲。由水底反射的声波脉冲回波信号经在探测平台上的设备探测后，根据声波脉冲回波信号相对于发射声波脉冲信号之间的时间延迟，可以确定该处水深。如前述，从空中直接利用声脉冲对水下进行测量的现实可能性很低。

如果是采用激光脉冲进行水深探测，则由探测平台上往水底发射激光脉冲。由水底反射的激光脉冲回波信号被在探测平台上的设备探测后，根据激光脉冲回波信号相对于发射激光脉冲信号之间的时间延迟，可以确定该处水深。为增加作用距离，可以采用位于水透射窗口内的蓝绿波长激光脉冲。但如前述，从空中利用激光脉冲对水下进行测量的有效性很受限制。

本发明的用于浅水区测水深的激光探测方法及装置是，利用一般有人低速飞机或无人机为机载平台，由机载装置向水面发射激光脉冲，激光脉冲打到水面之后，激光脉冲中的大部分能量进入水的表面层被水吸收。根据激光脉冲的具体参数(波长，脉冲形状和宽度，脉冲能量，光束直径等)不同，可以通过激光加热膨胀，激光汽化空泡，激光击穿等不同机理在近水面的浅层中产生强烈的声脉冲，即所谓的激光致声效应。产生的声脉冲波具有特殊的强度及频谱特性。它向下传输到达水底后产生声脉冲回波，声脉冲回波达到水表面后，形成具有同样特殊频谱特性的水表面声脉冲振动，该声振动被装置平台上发射的另一激光束探测。根据声脉冲在水中的传播速度，可以确定水深信息。水表面的回波声脉冲振动特有的频谱特性有助于提高从水表面的其他运动噪声中将其检出的成功率。一种对水面振动的检测方式是利用单频的激光束，对回波进行外差相位检测。为进一步提高检出信噪比，可以对激光脉冲进行一定的编码。此时回波声脉冲在水面产生的声振动具有相同的编码特征，以便于从噪声背景中检测出回波声脉冲信息。