[发明专利]一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测方法及系统

权利要求书

1.一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，其特征在于，所述探测系统包括：

发射器，用于向待测水体发出激光脉冲，所述激光脉冲在进入所述待测水体后，在所述待测水体中进行传播，当所述激光脉冲在所述待测水体中传播时，发生散射，所述散射包括前向散射及后向散射；

接收器，用于接收所述激光脉冲在所述待测水体中产生的后向散射信号，所述后向散射信号为所述激光脉冲在所述待测水体中经过水体本身及悬浮颗粒物的散射后产生的后向散射，所述后向散射信号包括水体信息；

计算机，用于接收所述后向散射信号，同时对后向散射信号进行处理，并基于激光雷达，预设水体后向散射系数和激光雷达衰减系数之间的关系，得到第一关系式：

其中，C为常数，通过在具体水域实测数据获得，与水体后向散射系数与衰减系数相关，为水体后向散射系数，为激光雷达衰减系数；

将所述第一关系式带入激光雷达方程：

其中，为能量为，波长为λ，探测深度为z的激光脉冲的散射系数，为后向散射概率，分别为光源和接收器在散射位置的辐射分布，描述了激光辐照度从出射位置到散射位置的往返变化，近似为两段前向散射过程，由于后向散射相对较小，可以将前向散射系数近似为总散射系数，V为激光在水中的传播速度，矢量r表示散射面上的位置，矢量表示激光传输方向在散射面上的投影；

通过估算后向散射消光对数比，并利用后向反演算法，确定激光雷达衰减系数为：

再根据激光雷达衰减系数得到水体固有光学参数，并根据水体固有光学参数通过生物光学模型：

其中，表示水体的吸收系数，表示水体的散射系数，表示水层深度z处主要水色要素叶绿素a的浓度，表示水层深度z处悬浮物的浓度，表示水层深度z处有色可溶有机物的浓度，为纯水的吸收系数，为纯水的散射系数；得到所述待测水体的水下逐层悬浮物浓度。

2.如权利要求1所述一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，其特征在于，所述发射器包括激光发生器、凹透镜及凸透镜，所述激光发生器产生的激光，依次通过所述凹透镜及凸透镜后，向外传播。

3.如权利要求1所述一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，其特征在于，所述接收器包括：

滤光片，所述滤光片用于接收光线，并对接收到的光线进行筛选过滤，只允许特定波长段的光线通过；

光阑，所述光阑用于限制光线的光束大小，光线在经过所述光阑时，所述光线只能通过所述光阑上特定的孔进行传播；

透镜，所述透镜用于对光线进行准直，使光线能够平行传播；

光圈，用于控制光线的通过量；

光电倍增管，所述光电倍增管用于将接收到的光信号转化为电信号，方便后续进行分析。

4.如权利要求1所述一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，其特征在于，所述探测系统还包括：

采集卡，所述采集卡与所述接收器连接，用于接收所述接收器输出的信号，并对所述信号进行存储，所述采集卡还与所述计算机连接，用于在对所述信号进行存储后，将所述信号传输至所述计算机。

5.如权利要求1所述一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，其特征在于，所述计算机包括：

数据处理模块，用于对接收到水体信息进行分析，得到悬浮物浓度结果；

数据显示模块，用于将所述数据处理模块得出的悬浮物浓度结果进行显示。

6.如权利要求1所述一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，其特征在于，所述水体信息包括激光雷达衰减系数及水体后向散射系数。

7.一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测方法，应用于权利要求1-6中任一所述的基于激光雷达的水下垂向 悬浮物浓度探测系统，其特征在于：包括以下步骤：

通过激光雷达向待测水体发射激光脉冲，并获取后向散射信号；

根据所述后向散射信号，得到水体信息；

对后向散射信号进行背景去噪声、几何校正、雷达常数校正和距离校正；

预设水体后向散射系数和激光雷达衰减系数之间的关系，得到第一关系式：

其中，C为常数，通过在具体水域实测数据获得，与水体后向散射系数与衰减系数相关，k为后向散射消光对数比，为水体后向散射系数，为激光雷达衰减系数；

将所述第一关系式带入激光雷达方程：

其中，为能量为，波长为λ，探测深度为z的激光脉冲的散射系数，为后向散射概率，分别为光源和接收器在散射位置的辐射分布，描述了激光辐照度从出射位置到散射位置的往返变化，近似为两段前向散射过程，由于后向散射相对较小，可以将前向散射系数近似为总散射系数，V为激激光在水中的传播速度，矢量r表示散射面上的位置，矢量表示激光传输方向在散射面上的投影；

通过估算后向散射消光对数比，并利用后向反演算法，确定激光雷达衰减系数为：

以收敛函数优化激光雷达衰减系数，得到所述水体固有光学参数，所述水体固有光学参数包括水体衰减系数及后向散射系数；

基于生物光学模型：

其中，表示水体的吸收系数，表示水体的散射系数，表示水层深度z处主要水色要素叶绿素a的浓度，表示水层深度z处悬浮物的浓度，表示水层深度z处有色可溶有机物的浓度，为纯水的吸收系数，为纯水的散射系数；

通过所述水体衰减系数及后向散射系数，得到水体中逐层的悬浮物浓度信息；

基于水下垂向悬浮物的实际测量数据对算法进行评估和验证。