CN111239713B - 一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法 - Google Patents

一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111239713B
CN111239713B CN202010191902.3A CN202010191902A CN111239713B CN 111239713 B CN111239713 B CN 111239713B CN 202010191902 A CN202010191902 A CN 202010191902A CN 111239713 B CN111239713 B CN 111239713B
Authority
CN
China
Prior art keywords
water
laser radar
depth
frequency
background light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN202010191902.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111239713A (zh
Inventor
李松
朱凯
张文豪
马跃
余典
周辉
田昕
杨晋陵
高俊玲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University WHU
Original Assignee
Wuhan University WHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University WHU filed Critical Wuhan University WHU
Priority to CN202010191902.3A priority Critical patent/CN111239713B/zh
Publication of CN111239713A publication Critical patent/CN111239713A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111239713B publication Critical patent/CN111239713B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明提出了一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法。计算单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量；计算由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率；计算由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率；计算由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率；计算由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率；计算由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率；计算由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量；计算单发脉冲总噪声光子数量；计算待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达***的最大测深深度。本发明可以快速准确地计算最大测深能力。

Description

一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法
技术领域
本发明属于激光遥感技术领域，尤其涉及一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法。
背景技术
得益于单光子探测器(又称光子计数体制，photon-counting detectors)极高的灵敏度，能对一个光子量级的能量进行响应(约10-18J量级)，其比传统线性体制探测器提高了约1000倍。单光子探测器的应用，使卫星激光雷达的性能得到了极大提升，如果搭载在水体中透射效率较高的蓝绿激光，可实现浅水地形测绘的目标。目前美国最新一代星载单光子体制激光雷达ICESat-2在水质清澈的巴哈马群岛附近海域已经实现了基于卫星平台的40m浅水水深测量能力。
在探测能力评估层面，美国宇航局在设计ICESat-2卫星激光载荷时，已经建立了较为完备的单光子激光雷达在冰、云层和陆地地表的探测模型和仿真软件，并以此为理论和方法支撑设计ICESat-2单光子激光雷达的硬件参数。然而，对于星载单光子激光雷达的水深测量和水下目标探测，在探测能力评估研究较为薄弱，目前仅是从实测数据层面举例说明。虽然传统全波形激光测深雷达已经有较完备的测深能力评估方法，但并不能适用于单光子体制，这是因为：单光子激光雷达接收信号很弱，信噪比水平远低于全波形激光雷达，因此能测得到水下信号光子与能有效识别出水下信号光子是不同的概念，测深能力必须与信号提取结合起来讨论。
目前，国内外尚未有通过理论建模的方式建立星载单光子激光雷达水深测量能力的评估方法，现有方式使用已有单光子激光雷达在不同测量环境下得出的测深能力列表来表达，在时间成本、设备成本和人工成本上都远远大于基于理论模型的测深能力评估方法。因此，建立一种基于理论模型的测深能力评估方法，即：只要给定单光子激光雷达的硬件***参数，测量环境、测量目标的各项参数时，能够准确评估该条件下最大的水深测量能力，这对于已有单光子激光雷达***在实际工程测量时能否满足测量要求，以及设计用于水深测量的激光雷达硬件***参数都是亟需的也是必要的。
发明内容
本发明主要基于所建立的星载单光子激光雷达水深测量能力的理论模型，为给定星载单光子激光雷达在具体测量环境条件下包含大气、水体、水底各项参数的一种最大测量能力的评估方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
步骤1，计算单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量；
步骤2，计算由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤3，计算由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤4，计算由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤5，计算由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤6，计算由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤7，计算由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量；
步骤8，计算单发脉冲总噪声数量；
步骤9，通过单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、单发脉冲总噪声数量计算待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达***的最大测深深度。
作为优选，步骤1所述水下目标平均信号光子数量为：
Figure GDA0003311794950000021
其中，ηt表示***发射效率，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Et为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，Ar表示接收望远镜面积，Rh为星载单光子激光雷达的轨道高度，θp为激光雷达光轴的天底角，Rw为待测量水深；
Ta表示垂直单层大气透过率，Tw表示海洋表面的透射率，可以表示为Tw＝(1-W)·(1-ρs)，其中W为海面泡沫覆盖比例，满足
Figure GDA0003311794950000022
U10为海面上方10m的风速，ρs为水面镜面反射率，ρb为水下目标或水底的反射率，θb为水下目标表面坡度，n为水体折射率(约等于1.334)，θpw为进入水中光线的天底角，可以表示为θpw＝arcsin(sinθp/n)，ca是水体衰减系数；
作为优选，步骤2所述由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure GDA0003311794950000031
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，这些都是激光雷达的硬件***参数，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，Ta表示垂直单层大气透过率，上述参数在给定单光子激光雷达***和测量环境时都是已知值；
作为优选，步骤3所述水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure GDA0003311794950000032
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，Ta表示垂直单层大气透过率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，Ta表示垂直单层大气透过率，ρl表示水面泡沫反射率，海水泡沫的反射率与海水泡沫的年龄有关；
作为优选，步骤4所述由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure GDA0003311794950000033
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，Ta表示垂直单层大气透过率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，erf为误差函数，s为海面平均斜率，其平方与海面上方风速有关，可以表示为s2＝0.003+0.00512U10；
作为优选，步骤5所述由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure GDA0003311794950000034
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，Ta表示垂直单层大气透过率，Tw表示海洋表面的透射率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，βb为水体的后向散射系数，θpw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，ca是水体衰减系数，Rw表示待测量水深；
作为优选，步骤6所述计算由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率；为：
Figure GDA0003311794950000041
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，ρb为水下目标或水底的反射率，θb为水下目标表面坡度，Ta表示垂直单层大气透过率，Tw表示海洋表面的透射率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，θpw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，ca是水体衰减系数，Rw为待测量水深；
作为优选，步骤7所述由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量为：
Figure GDA0003311794950000042
其中，ηt表示***发射效率，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Et为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，Ar表示接收望远镜面积，Rh为星载单光子激光雷达的轨道高度，Rw为待测量水深，θpw为进入水中光线的天底角，Ta表示垂直单层大气透过率，Tw表示海洋表面的透射率，θp为激光雷达光轴的天底角，βb为水体的后向散射系数，n为水体折射率，ca是水体衰减系数，θpw为进入水中光线的天底角，Rw为待测量水深，Δh为激光信号可覆盖的深度范围，表示为：Δh＝4cσh/n，其中c为真空中的光速，σh为接收信号脉冲宽度，可以表示为：
Figure GDA0003311794950000043
其中，σh为激光接收脉冲宽度，σt为发射激光脉冲宽度，RD为激光照射在地面的足印，可以表示为RD＝Rhθt，Rh为星载单光子激光雷达的轨道高度，Var(RD)为光斑范围内的粗糙度的平方，θt为激光光束发散角，θb为水下目标表面坡度；
作为优选，步骤8所述单发脉冲总噪声数量为：
Nb(Rw)＝4σh·(fn,atm+fn,foam+fn,specular+fn,column+fn,bottom)+4σh·fd+Ns,column(Rw,4cσh/n)
其中，σh为激光接收脉冲宽度，fd为探测器固有的暗噪声频率，c为真空中的光速(等于299792458m/s)，n为水体折射率，fn,atm为由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,foam为由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,specular为由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,column为由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,bottom为由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率，Ns,column为由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量，Rw为待测量水深；
作为优选，步骤9所述计算待测量水深的具体数值具体为：
Ns,bottom(Rw)＝Nb(Rw)
通过步骤1所述单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、步骤8所述单发脉冲总噪声数量联立计算得到待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达***在特定测量环境条件下的最大测深深度。
因此，本方法主要有以下优点：
本发明填补了目前星载单光子激光雷达针对水下目标测量时最大测深能力评估理论模型的空白，所需要输入的各项参数，要么是单光子激光雷达的硬件的***参数，要么是测量的大气、水体、目标环境参数，可以快速有效地评估给定单光子激光雷达***参数和测量环境参数条件下的最大测深能力；本发明所建立的模型和方法不仅可以用于评估已有单光子激光雷达***在实际工程测量时能否满足测量要求，还可以反向应用，例如设计一个单光子激光雷达***时，对于最大测深深度有具体要求，可以反向计算激光雷达硬件参数的具体要求。
附图说明
图1：本发明方法流程图。
图2：是当太阳背景光照射至水面时，由水体镜面反射的光子被激光雷达望远镜接收的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明以美国ICESat-2卫星单光子激光雷达作为样例，其具有固定的***硬件参数，即：***发射效率ηt＝0.4，探测器量子效率ηq＝0.15，接收***效率ηr＝0.41，单脉冲发射能量Et＝160μJ，接收望远镜面积Ar＝0.79m2，星载单光子激光雷达的轨道高度Rh＝500km，激光雷达光轴天底角θp＝0.38°，激光雷达滤光片的带宽Δλ＝30pm，探测器固有的暗噪声频率fd＝50Hz，激光雷达视场角θr＝85μrad，激光光束发散角θt＝35μrad。当ICESat-2单光子激光雷达在2018年10月22日下午15:22:42飞过我国西沙群岛附近海域时，此时太阳辐射天底角θs＝57.7°，海面上方10m的风速U10＝7.7m/s；该水域水体后向散射系数βb＝0.39×10-3m-1sr-1，水体衰减系数ca＝0.0618m-1；该水域水下为海砂覆盖反射率ρb＝0.15，水底坡度约为θb＝2°，水底粗糙度的平方Var(RD)＝1m。
下面结合图1至图2，介绍本发明的具体实施方式为：
步骤1，计算单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量；
步骤1所述水下目标平均信号光子数量为：
Figure GDA0003311794950000061
其中，ηt表示***发射效率，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Et为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，对于波长为532nm的光束，v＝1.77×10-15Hz，Ar表示接收望远镜面积，Rh为星载单光子激光雷达的轨道高度，θp为激光雷达光轴的天底角，Rw为待测量水深；
Ta表示垂直单层大气透过率(晴朗天空条件下约为0.7)，Tw表示海洋表面的透射率，可以表示为Tw＝(1-W)·(1-ρs)，其中W为海面泡沫覆盖比例，满足
Figure GDA0003311794950000062
U10为海面上方10m的风速，ρs为水面镜面反射率，对于532nm绿光而言，ρs＝0.02，ρb为水下目标或水底的反射率，θb为水下目标表面坡度，n为水体折射率，θpw为进入水中光线的天底角，可以表示为θpw＝arcsin(sinθp/n)，ca是水体衰减系数；
步骤2，计算由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤2所述由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure GDA0003311794950000071
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，这些都是激光雷达的硬件***参数，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，在532nm绿光时其值约为1.83w/m2·nm，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，Ta表示垂直单层大气透过率(晴朗天空条件下约为0.7)，上述参数在给定单光子激光雷达***和测量环境时都是已知值；
步骤3，计算由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤3所述水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure GDA0003311794950000072
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，h为普朗克常数，ν表示光子频率，Ta表示垂直单层大气透过率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，ρl表示水面泡沫反射率，海水泡沫的反射率与海水泡沫的年龄有关，在无先验知识的前提下，通常ρl＝0.22；其余变量符号与前面公式相同，都是已知值；
步骤4，计算由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤4所述由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure GDA0003311794950000073
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，h为普朗克常数，ν表示光子频率，Ta表示垂直单层大气透过率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，erf为误差函数，s为海面平均斜率，其平方与海面上方风速有关，可以表示为s2＝0.003+0.00512U10；其余变量符号与前面公式相同，都是已知值。
步骤5，计算由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤5所述由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure GDA0003311794950000081
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数，ν表示光子频率，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，Ta表示垂直单层大气透过率，Tw表示海洋表面的透射率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，βb为水体的后向散射系数，θpw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，ca是水体衰减系数，sec是正割函数，Rw表示待测量水深；
步骤6，计算由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤6所述由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure GDA0003311794950000082
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数，ν表示光子频率，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，ρb为水下目标或水底的反射率，θb为水下目标表面坡度，Ta表示垂直单层大气透过率，Tw表示海洋表面的透射率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，θpw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，ca是水体衰减系数，Rw为待测量水深；
步骤7，计算由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量；
步骤7所述由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量为：
Figure GDA0003311794950000083
其中，ηt表示***发射效率，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Et为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，Ar表示接收望远镜面积，Rh为星载单光子激光雷达的轨道高度，Rw为待测量水深，θpw为进入水中光线的天底角，Ta表示垂直单层大气透过率，Tw表示海洋表面的透射率，θp为激光雷达光轴的天底角，βb为水体的后向散射系数，n为水体折射率，ca是水体衰减系数，θpw为进入水中光线的天底角，Rw为待测量水深，Δh为激光信号可覆盖的深度范围，表示为：Δh＝4cσh/n，其中c为真空中的光速，σh为接收信号脉冲宽度，可以表示为：
Figure GDA0003311794950000091
其中，σh为激光接收脉冲宽度，σt为发射激光脉冲宽度，RD为激光照射在地面的足印，可以表示为RD＝Rhθt，Rh为星载单光子激光雷达的轨道高度，Var(RD)为光斑范围内的粗糙度的平方，θt为激光光束发散角，θb为水下目标表面坡度；
步骤8，计算单发脉冲总噪声数量；
步骤8所述单发脉冲总噪声数量为：
Nb(Rw)＝4σh·(fn,atm+fn,foam+fn,specular+fn,column+fn,bottom)+4σh·fd+Ns,column(Rw,4cσh/n)
其中，σh为激光接收脉冲宽度，fd为探测器固有的暗噪声频率，c为真空中的光速，n为水体折射率，fn,atm为由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,foam为由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,specular为由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,column为由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,bottom为由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率，Ns,column为由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量，Rw为待测量水深；
步骤9，通过单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、单发脉冲总噪声数量计算待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达***的最大测深深度。
步骤9所述计算待测量水深的具体数值具体为：
Ns,bottom(Rw)＝Nb(Rw)
通过步骤1所述单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、步骤8所述单发脉冲总噪声数量联立计算得到待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达***在特定测量环境条件下的最大测深深度。
根据前述步骤，最终解算待测量水深Rw＝17.1m。实际ICESat-2在当地所采集的最大水深为17.2m，与本发明所计算的理论结果非常一致。因此，本发明可以快速准确地计算给定单光子激光雷达***参数和测量环境参数条件下的最大测深能力，用于评估已有单光子激光雷达***在实际工程测量时能否满足测量要求。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：计算单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量；
步骤2：计算由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤3：计算由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤4：计算由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤5：计算由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤6：计算由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率；
步骤7：计算由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量；
步骤8：计算单发脉冲总噪声数量；
步骤9：通过单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、单发脉冲总噪声数量计算待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达***的最大测深深度；
步骤8所述单发脉冲总噪声数量为：
Nb(Rw)＝4σh·(fn,atm+fn,foam+fn,specular+fn,column+fn,bottom)+4σh·fd+Ns,column(Rw,4cσh/n)
其中，σh为激光接收脉冲宽度，fd为探测器固有的暗噪声频率，c为真空中的光速，n为水体折射率，fn,atm为由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,foam为由水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,specular为由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,column为由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率，fn,bottom为由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率，Ns,column为由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量，Rw为待测量水深；
步骤9所述计算待测量水深的具体数值具体为：
Ns,bottom(Rw)＝Nb(Rw)
通过步骤1所述单光子激光雷达进行水深测量时所采集的水下目标平均信号光子数量、步骤8所述单发脉冲总噪声数量联立计算得到待测量水深的具体数值，将待测量水深的具体数值作为单光子激光雷达***在特定测量环境条件下的最大测深深度，Nb(Rw)为单发脉冲总噪声数量；Ns,bottom(Rw)为水下目标平均信号光子数量。
2.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：
步骤1所述水下目标平均信号光子数量为：
Figure FDA0003311794940000021
其中，ηt表示***发射效率，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Et为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，Ar表示接收望远镜面积，Rh为星载单光子激光雷达的轨道高度，θp为激光雷达光轴的天底角，Rw为待测量水深；
Ta表示垂直单层大气透过率，Tw表示海洋表面的透射率，可以表示为Tw＝(1-W)·(1-ρs)，其中W为海面泡沫覆盖比例，满足
Figure FDA0003311794940000022
U10为海面上方10m的风速，ρs为水面镜面反射率，ρb为水下目标或水底的反射率，θb为水下目标表面坡度，n为水体折射率，θpw为进入水中光线的天底角，可以表示为θpw＝arcsin(sinθp/n)，ca是水体衰减系数。
3.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：
步骤2所述由大气散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure FDA0003311794940000023
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，h为普朗克常数等于6.63×10- 34J·s，ν表示光子频率，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，这些都是激光雷达的硬件***参数，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，Ta表示垂直单层大气透过率，上述参数在给定单光子激光雷达***和测量环境时都是已知值。
4.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：
步骤3所述水面泡沫反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure FDA0003311794940000031
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，Ta表示垂直单层大气透过率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，Ta表示垂直单层大气透过率，ρl表示水面泡沫反射率，海水泡沫的反射率与海水泡沫的年龄有关。
5.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：
步骤4所述由水面镜面反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure FDA0003311794940000032
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，Ta表示垂直单层大气透过率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，W为海面泡沫覆盖比例，erf为误差函数，s为海面平均斜率，其平方与海面上方风速有关，可以表示为s2＝0.003+0.00512U10，ρs为水面镜面反射率，U10为海面上方10m的风速。
6.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：
步骤5所述由水体粒子散射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure FDA0003311794940000033
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，Ta表示垂直单层大气透过率，Tw表示海洋表面的透射率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，βb为水体的后向散射系数，θpw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，ca是水体衰减系数，Rw表示待测量水深。
7.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：
步骤6所述由水下目标或水底反射太阳背景光导致的噪声光子频率为：
Figure FDA0003311794940000041
其中，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Nλ为单位波长的太阳背景光辐射通量，Δλ为激光雷达滤光片的带宽，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，θr为激光雷达视场角，Ar表示接收望远镜面积，ρb为水下目标或水底的反射率，θb为水下目标表面坡度，Ta表示垂直单层大气透过率，Tw表示海洋表面的透射率，θs为太阳辐射天底角，θp为激光雷达光轴的天底角，θpw为进入水中光线的天底角，n为水体折射率，ca是水体衰减系数，Rw为待测量水深。
8.根据权利要求1所述的星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法，其特征在于：
步骤7所述由水体粒子散射单光子激光雷达发射的激光脉冲导致的平均噪声数量为：
Figure FDA0003311794940000042
其中，ηt表示***发射效率，ηq表示探测器量子效率，ηr表示接收***效率，Et为单脉冲发射能量，h为普朗克常数等于6.63×10-34J·s，ν表示光子频率，Ar表示接收望远镜面积，Rh为星载单光子激光雷达的轨道高度，Rw为待测量水深，θpw为进入水中光线的天底角，Ta表示垂直单层大气透过率，Tw表示海洋表面的透射率，θp为激光雷达光轴的天底角，βb为水体的后向散射系数，n为水体折射率，ca是水体衰减系数，θpw为进入水中光线的天底角，Rw为待测量水深，Δh为激光信号可覆盖的深度范围，表示为：Δh＝4cσh/n，其中c为真空中的光速，σh为接收信号脉冲宽度，可以表示为：
Figure FDA0003311794940000043
其中，σh为激光接收脉冲宽度，σt为发射激光脉冲宽度，RD为激光照射在地面的足印，可以表示为RD＝Rhθt，Rh为星载单光子激光雷达的轨道高度，Var(RD)为光斑范围内的粗糙度的平方，θt为激光光束发散角，θb为水下目标表面坡度。
CN202010191902.3A 2020-03-18 2020-03-18 一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法 Expired - Fee Related CN111239713B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010191902.3A CN111239713B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010191902.3A CN111239713B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111239713A CN111239713A (zh) 2020-06-05
CN111239713B true CN111239713B (zh) 2022-03-04

Family

ID=70880363

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010191902.3A Expired - Fee Related CN111239713B (zh) 2020-03-18 2020-03-18 一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111239713B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111965608B (zh) * 2020-07-16 2024-01-12 自然资源部第二海洋研究所 一种基于水体叶绿素浓度的星载海洋激光雷达探测能力评估方法
CN112684458B (zh) * 2021-03-17 2021-05-14 中国人民解放军国防科技大学 基于激光雷达通道线扫描特点的光子点云去噪方法和***
CN113655495B (zh) * 2021-08-31 2024-06-11 自然资源部第二海洋研究所 一种基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法
CN114235173B (zh) * 2021-11-17 2024-04-09 自然资源部第二海洋研究所 一种光子计数星载海洋激光雷达探测仿真方法
CN114509409B (zh) * 2022-04-20 2022-08-02 山东科技大学 星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法
CN115453501B (zh) * 2022-10-13 2023-07-14 中国科学技术大学 量子激光雷达模拟器的模拟方法
CN115855882B (zh) * 2023-03-03 2023-04-28 山东科技大学 利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法
CN117494538B (zh) * 2023-12-28 2024-03-22 哈尔滨工业大学（威海） 一种单光子激光雷达***观测噪声模型建立方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101178438A (zh) * 2007-11-28 2008-05-14 中国海洋大学 全天时光子计数激光雷达装置和方法
CN102980668A (zh) * 2012-11-22 2013-03-20 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种双极性偏压的单光子探测方法
CN106353770A (zh) * 2016-08-11 2017-01-25 中国科学技术大学 基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达
CN106871990A (zh) * 2017-04-26 2017-06-20 哈尔滨工业大学 一种测量水深的方法及激光雷达***
CN107831485A (zh) * 2017-10-19 2018-03-23 中国科学院海洋研究所 船载多视场激光雷达探测多个水体光学特征参数的方法
CN108445471A (zh) * 2018-03-26 2018-08-24 武汉大学 一种单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法
CN109541619A (zh) * 2018-12-13 2019-03-29 武汉大学 散斑相干性对单光子激光雷达测距精度影响的评估方法
CN110501716A (zh) * 2019-07-29 2019-11-26 武汉大学 基于单光子激光雷达背景噪声率的地表分类方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9086487B2 (en) * 2011-03-17 2015-07-21 Uchicago Argonne, Llc Radar detection of radiation-induced ionization in air
CN104076345B (zh) * 2014-07-07 2016-06-22 北京理工大学 一种针对纯转动拉曼激光雷达测量温度的饱和修正方法
US10557939B2 (en) * 2015-10-19 2020-02-11 Luminar Technologies, Inc. Lidar system with improved signal-to-noise ratio in the presence of solar background noise
US10768224B2 (en) * 2016-12-23 2020-09-08 Fei Company High frequency lock-in thermography using single photon detectors
CN109991624B (zh) * 2019-03-21 2024-04-05 北京是卓科技有限公司 一种基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达及检测方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101178438A (zh) * 2007-11-28 2008-05-14 中国海洋大学 全天时光子计数激光雷达装置和方法
CN102980668A (zh) * 2012-11-22 2013-03-20 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种双极性偏压的单光子探测方法
CN106353770A (zh) * 2016-08-11 2017-01-25 中国科学技术大学 基于大光敏面超导单光子探测器的高空大气探测激光雷达
CN106871990A (zh) * 2017-04-26 2017-06-20 哈尔滨工业大学 一种测量水深的方法及激光雷达***
CN107831485A (zh) * 2017-10-19 2018-03-23 中国科学院海洋研究所 船载多视场激光雷达探测多个水体光学特征参数的方法
CN108445471A (zh) * 2018-03-26 2018-08-24 武汉大学 一种单光子激光雷达多探测器条件下的测距精度评估方法
CN109541619A (zh) * 2018-12-13 2019-03-29 武汉大学 散斑相干性对单光子激光雷达测距精度影响的评估方法
CN110501716A (zh) * 2019-07-29 2019-11-26 武汉大学 基于单光子激光雷达背景噪声率的地表分类方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Single passband microwave photonic filter with widely tuning range based on optical injected distributed feedback semiconductor laser;Li, YD等;《OPTICAL REVIEW》;20190831;全文 *
STATISTICAL ANALYSIS OF THE POTENTIAL OF A BATHYMETRIC LIDAR WITH TIME-OF-FLIGHT MATRIX SPAD PHOTODETECTOR;Potekaev, AI等;《RUSSIAN PHYSICS JOURNAL》;20200131;全文 *
星载激光测高仪海洋表面回波计算的理论模型;马跃等;《中国激光》;20121231;第39卷(第12期);全文 *
星载激光测高仪海面回波的仿真与分析;王雅培等;《科学技术与工程》;20160630;第16卷(第18期);全文 *
星载激光测高***数据处理与误差分析;马跃;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)基础科学辑》;20170115;全文 *
***参数对激光测高仪海洋测距和回波脉宽影响;马跃等;《光学 精密工程》;20130331;第21卷(第3期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111239713A (zh) 2020-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111239713B (zh) 一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法
Chen et al. Concept design of the “Guanlan” science mission: China’s novel contribution to space oceanography
Guenther et al. Meeting the accuracy challenge in airborne lidar bathymetry
CN103926589B (zh) 星载激光测高***固体地表目标平面和高程精度检测方法
CN114089366A (zh) 一种星载单光子激光雷达的水体光学参数反演方法
Steinvall et al. Experimental evaluation of an airborne depth-sounding lidar
CN110501716B (zh) 基于单光子激光雷达背景噪声率的地表分类方法
CN114509409B (zh) 星载单光子激光雷达的叶绿素浓度垂直剖面反演方法
CN111965608A (zh) 一种基于水体叶绿素浓度的星载海洋激光雷达探测能力评估方法
CN114235173B (zh) 一种光子计数星载海洋激光雷达探测仿真方法
CN115508854A (zh) 一种利用星载单光子激光雷达海面点云反演水深的方法
Chen et al. Lidar remote sensing for vertical distribution of seawater optical properties and chlorophyll-a from the East China Sea to the South China Sea
CN115855882A (zh) 利用星载激光雷达背景噪声反演水体遥感反射率的方法
LaRocque et al. Airborne laser hydrography: an introduction
CN110376572A (zh) 一种机载激光雷达水下探测深度模拟方法和装置
CN117784101A (zh) 一种星载大气激光雷达信号仿真方法及***
Sugimoto et al. Observation of aerosols and clouds using a two-wavelength polarization lidar during the Nauru99 experiment
CN116719049A (zh) 星载单光子激光雷达海洋区域噪声估计方法及***
Eltoft et al. Non-Gaussian signal statistics in ocean SAR imagery
CN116817869A (zh) 一种利用激光雷达数据的海底光子信号确定方法
CN113655495B (zh) 一种基于水体漫衰减系数光谱依赖性的星载海洋激光雷达最优波段评估方法
Hyyppä et al. Airborne laser scanning
Saputra et al. Effect of Turbidity, Temperature and Salinity of Waters on Depth Data from Airborne LiDAR Bathymetry
Tulldahl et al. Sea floor classification from airborne lidar data
Rabin et al. On the single-Doppler measurements of divergence in clear air

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20220304