[發明專利]條紋管激光成像雷達海面回波畸變測量淺層海水衰減系數的遙感方法

有效

• 申請號: 201410465643.3
• 申請日: 2014-09-12
• 公開（公告）號: CN104199048B
• 公開（公告）日: 2017-03-01
• 發明（設計）人: 郜鍵;王騏;孫劍峰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G01S17/89
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 楊立超

1.條紋管激光成像雷達海面回波畸變測量淺層海水衰減系數的遙感方法，其特征在于它按以下步驟實現：

一、激光器產生光源，通過條紋管激光成像雷達的發射光學系統發射光功率的時域信號到海面；

激光器產生的光功率的時域信號為：

P0(t)=A0exp(t2σ2)---(1)]]>

其中，A₀為激光器固有光功率振幅；σ為激光脈寬的一半，t為信號的時域時間；

二、光反射回波由接收光學系統接收，通過窄帶濾光片濾去雜光，使反射光照射到條紋管探測器上，條紋管探測器記錄經過海平面畸變后的回波光，并通過條紋管激光器的A/D采集以及DSP處理，得到海平面回波的光功率信號；

三、利用海平面回波的光功率信號計算出淺層海水的衰減系數。

2.根據權利要求1所述的條紋管激光成像雷達海面回波畸變測量淺層海水衰減系數的遙感方法，其特征在于步驟二條紋管探測器記錄經過海平面畸變后的回波信號并通過條紋管激光器的A/D采集以及DSP處理，得到海平面的回波的光功率信號具體為：

(一)條紋管探測器探測單元記錄海表面散射光功率信號；

Pr(t)=A1exp((t-2t0)2σ2)exp(-k1·2Ct0)=A1exp((t-2H0C)2σ2)exp(-k1·2H0)---(2)]]>

A1=P0aπr2(Ct0)2T12---(3)]]>

其中，A₁為條紋管探測器單元接收到的海表面散射光振幅，t為信號的時域時間，t₀為光從激光器到海面所經歷的時間，k₁為大氣衰減系數，C為光速，H₀為裝置距海面高度，σ為激光脈寬一半，a為散射光功率空間分布函數；T₁為光學系統單程透過率，k₁為大氣衰減系數，A₀為激光器固有光功率振幅，r為條紋管探測器接收光學系統半徑；

(二)條紋管探測器探測單元記錄穿透海平面的散射光信號即水下后向散射光功率信號；

首先假定在水下某一點S處，激光產生后向散射，其后向散射被條紋管探測器單元接收到的光功率信號為：

Pb=(t,L)=A2exp(-(t-2t0-2t2)2σ2)exp(-2k1C(t-2t0))exp(-2k2CWt2)=·A2exp(-(t-2t0-2t2)2σ2)exp(-2k1H0)exp(-2k2L)=A2exp(-(t-2H0C-2nLC)2σ2)exp(-2k1H0)exp(-2k2L)---(4)]]>

其中，L為水面到S點距離；A₂為接收到后向散射光功率的振幅；n為折射率；k₂為淺層海水衰減系數；t₂為激光從海面到S點所經歷的時間，C_W為激光在水中速度；

其振幅A₂表示為：

A2=P0T12T2T3T4bπr2(H0+nL)2---(5)]]>

其中，T₂為激光從空氣進入海水的透過率；T₃為光線沿折射光線傳播的比率；T₄為激光從海水到空氣的透過率；b為海水體后向散射系數，P₀激光器峰值功率；

計算激光從進入海水一直傳播到S點處產生的總的后向散射光功率回波信號為：

Pb(t)=∫0+∞Pb(t,L)dL=∫0+∞P0T12T2T3T4bπr2(H0+nL)2·exp(-(t-2H0C-2nLC)2σ2)exp(-2k1H0)exp(-2k2L)dL---(6)]]>

(三)條紋管探測器記錄海平面回波的光功率信號即經過海平面畸變后的回波信號總功率為：

Pt(t)=P0aπr2H02T12exp(-(t-2H0C)2σ2)exp(-2k1H0)+∫0+∞P0T12T2T3T4bπr2(H0+nL)2·exp(-(t-2H0C-2nLC)2σ2)exp(-2k1H0)exp(-2k2L)dL---(7).]]>

3.根據權利要求2所述的條紋管激光成像雷達海面回波畸變測量淺層海水衰減系數的遙感方法，其特征在于步驟三利用海平面回波的光功率信號計算出淺層海水的衰減系數：

通過分離變量法得到：

P_t(t)＝P_t(P₁,P₂,H₀,t,k₂)＝P₁f(H₀,t)+P₂g(H₀,t,k₂)??(8)

其中，

P₁＝aT₁²P₀πr²??(9)

P₂＝P₀T₁²T₂T₃T₄b·πr²??(10)

f(H0,t)=1H02exp(-(t-2H0C)2σ2)exp(-2k1H0)---(11)]]>

g(H0,t,k2)=∫0+∞1(H0+nL)2·exp(-(t-2H0C-2nLC)2σ2)exp(-2k1H0)exp(-2k2L)dL---(12)]]>

假設在探測器中，實際探測的真實信號為G(t)，則該信號具有如下的特征：

Pp=G(2H1C)=G(t1)---(13)]]>

G′(t₁)＝0??(14)

∫0∞G(t)dt=Et---(15)]]>

其中，t₁為峰值時間；P_P為峰值功率；E_t為回波能量；G(t₁)實際探測信號的峰值功率，

G′(t₁)實際探測到的功率信號在t₁時刻的導數為0；

因此，P_t(t)函數需滿足條件(13)，(14)，(15)；

P₁f′(H₀,t₁)+P₂g′(H₀,t₁,k₂)＝0??????(16)

P₁f(H₀,t₁)+P₂g(H₀,t₁,k₂)＝P_p?????(17)

P1∫0+∞f(H0,t)dt+P2∫0+∞g(H0,t,k2)dt=Et---(18)]]>

根據方程(16)-(18)，可以得出：

f(H0,t1)·g′(H0,t1,k2)-f′(H0,t1)·g(H0,t1,k2)∫0+∞f(H0,t)dt·g′(H0,t1,k2)-f′(H0,t1)·∫0+∞g(H0,t,k2)dt=Pp/Et---(19)]]>

P1=Pp·g′(H0,t1,k2)f(H0,t1)·g′(H0,t1,k2)-f′(H0,t1)·g(H0,t1,k2)---(20)]]>

P2=-Pp·f′(H0,t1)f(H0,t1)·g′(H0,t1,k2)-f′(H0,t1)·g(H0,t1,k2)---(21)]]>

其中，H₀，P₁，P₂，K₂為未知數，由(19)-(21)得到H₀，P₁，P₂關于k₂的表達式；得到H₀，P₁，P₂關于k₂的曲線；

引入函數S²，其表現為P_t(t)與函數G(t)的相似度：

S2=∫0∞(Ptotal(t)-G(t))2dt---(22)]]>

S²越小，P_t(t)與函數G(t)相似度越高；

將由方程組(19)-(21)得出的H₀，P₁，P₂關于k₂的變化規律，將這些數值代入方程(22)當S²取最小值時，得淺層海水衰減系數k₂。