基於機載雷射雷達測量海底地形的海面誤差校正方法與流程
2023-05-20 17:19:56
本發明屬於海洋地形檢測技術領域，具體地說，是涉及一種利用機載雷射雷達系統對海洋的海底地形進行測量的方法。
背景技術：
機載雷射雷達是一種雷射探測及測距系統，它利用飛機攜帶雷射發射器向被測目標發射雷射脈衝，並利用雷射掃描儀接收返回的脈衝，由此獲取被測目標的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息。目前，機載雷射雷達系統已被廣泛應用在海底地形、地貌的測繪、航道探測、水下目標搜索等任務中。
在利用機載雷射雷達系統測量海底地形的過程中，海面誤差校正技術是提高測量精度的關鍵技術之一，它關係到海底地形測量中海底深度的測量精度和海底目標點的位置精度。現有的校正方法主要有兩種：一種是利用GPS測量數據對檢測結果進行校準，該方法是建立在GPS測量精度很高的前提下的，並且不考慮海面的波浪起伏對測量結果產生的影響；另一種是海浪潮汐修正法，是根據預報的水位和潮位數，對海面高度進行校正。
由於利用雷射脈衝對海水進行照射時，雷射的入射平面與海平面會產生一個夾角，即海面入射角，這個入射角會隨著海面的波浪起伏發生變化，從而帶入一定的誤差(位置誤差和深度誤差)，並且這個誤差會隨著海浪起伏的增大而變大，從而對測量結果產生影響。現有的上述兩種校正方法由於都沒有將雷射脈衝相對於海平面的入射角考慮進去，因此必然會把海面入射角所產生的誤差帶入測量結果，從而影響海底地形的測量精度，導致測量出的海底地形與真實情況產生嚴重的偏差。
技術實現要素：
本發明為了解決現有基於機載雷射雷達系統設計的海底地形測量技術所存在的測量結果精確度差的問題，提出了一種海面誤差校正方法，同樣利用機載雷射雷達系統對海底地形進行測量，通過對海面入射角引入的誤差進行校正，從而有效克服了海面波浪起伏對測量結果產生的影響，實現了海底地形的高精度測量。
為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案予以實現：
一種基於機載雷射雷達測量海底地形的海面誤差校正方法，包括：利用機載雷射發射器發射雷射脈衝，照射目標海域；利用雷射雷達掃描系統採集雷射脈衝入射到海面形成的海面回波脈衝和入射到海底形成的海底回波脈衝；根據所述海面回波脈衝生成三維海面數據，在所述三維海面數據中包含有回波脈衝點的經緯度坐標以及雷射雷達發射點M距離海平面的高度H；選擇海面回波脈衝中的每一個回波脈衝點作為海面入射點o，以所述雷射雷達發射點M為坐標原點、飛機的飛行方向為X軸建立空間直角坐標系，計算所述海面入射點o在所述空間直角坐標系中的坐標(X,Y,Z)；確定所述海面入射點o所在海平面的切面以及所述切面的法線，建立起以所述海面入射點o為坐標原點、以所述海平面的切面為XOY面的三維海面坐標系；在所述三維海面坐標系中，計算所述海面入射點o所對應的雷射脈衝入射到海水中所形成的入射角α和折射角β；在所述空間直角坐標系中，根據所述入射角α、折射角β、折射光線的入射距離L』以及所述海面入射點o的坐標(X,Y,Z)計算海底反射點N的坐標(X1，Y1，Z1)以及海底深度h；根據海平面高度△h校正所述海底深度h，得出海底深度校正值h1，形成海底地形數據。
為了方便地獲得所述的海面回波脈衝和海底回波脈衝，本發明設計所述機載雷射發射器同時發射1064nm和532nm兩種波長的雷射脈衝，分別照射目標海域；所述雷射雷達掃描系統採集1064nm波長的雷射回波脈衝，形成所述的海面回波脈衝；採集532nm波長的雷射回波脈衝，形成所述的海底回波脈衝。
優選的，所述海面入射點o在所述空間直角坐標系中的坐標(X,Y,Z)優選採用以下公式計算生成：
X＝Lsinγcosδ
Y＝Lsinγsinδ
Z＝Lcosγ；
其中，L是雷射雷達發射點M到海面入射點o之間的距離；γ是天頂角；δ是所述海面入射點o所對應的雷射雷達發射光在水平方向的投影與飛機飛行方向的夾角。
作為所述三維海面坐標系的一種優選構建方式，以所述海面入射點o為交點，形成x線和y線；其中，x線與飛機的飛行方向平行，且由飛機飛行方向上的相鄰海面回波脈衝點的連線形成；y線是與x線不同方位且由在該方位上的相鄰海面回波脈衝點的連線形成；選取x線上包括所述海面入射點o在內的連續的n個脈衝點，分別記為x1、x2、x3、x4、x5、……、xo、……、xn-4、xn-3、xn-2、xn-1、xn，所述n個脈衝點的坐標為：
Xxi＝Lxisinγcosδxi+vtxi
Yxi＝Lxisinγsinδxi
Zxi＝Lxicosγ；
其中，Lxi是第i個脈衝點xi所對應的雷射雷達發射光入射到海面的入射距離；δxi是第i個脈衝點xi所對應的雷射雷達發射光在水平方向的投影與飛機飛行方向的夾角；v是飛機的飛行速度；txi是第i個脈衝點xi與海面入射點o之間的飛機飛行的時間差，且txo＝0；選取y線上包括所述海面入射點o在內的連續的m個脈衝點，分別記為y1、y2、y3、y4、y5、……、yo、……、ym-4、ym-3、ym-2、ym-1、ym，所述m個脈衝點的坐標為：
Xyj＝Lyjsinγcosδyj+vtyj
Yyj＝Lyjsinγsinδyj
Zyj＝Lyjcosγ；
其中，Lyj是第j個脈衝點yj所對應的雷射雷達發射光入射到海面的入射距離；δyj是第j個脈衝點yj所對應的雷射雷達發射光在水平方向的投影與飛機飛行方向的夾角；tyj是第j個脈衝點yj與海面入射點o之間的飛機飛行的時間差，且tyo＝0；利用x線上的所述n個脈衝點的坐標採用最小二乘法進行擬合，形成ox曲線；利用y線上的所述m個脈衝點的坐標採用最小二乘法進行擬合，形成oy曲線；根據所述ox曲線和oy曲線分別求出兩條曲線在入射點o的切線，形成以海面入射點o為坐標原點O的三維海面坐標系的OX軸和OY軸；將OX軸和OY軸所形成的XOY面的法線作為Z軸，形成所述的三維海面坐標系。
作為所述入射角α的一種優選獲取方式，設定所述入射角α為雷射脈衝與所述Z軸的夾角，採用夾角公式cosα＝a·b/|a|·|b|計算生成；其中，a是所述L在所述三維海面坐標系中的單位向量，b是所述三維海面坐標系的坐標軸Z在所述三維海面坐標系中的單位向量。
作為所述折射角β的一種優選獲取方式，所述折射角β採用折射率公式計算生成；其中，η0為空氣的折射率，η1為海水的折射率。
優選的，所述海底反射點N在所述空間直角坐標系中的坐標(X1，Y1，Z1)優選根據以下公式計算生成：
X1＝X+L’sin(β+γ-α)cosδ
Y1＝Y+L’sin(β+γ-α)sinδ
Z1＝Z+L』cos(β+γ-α)。
由此，即可計算出海底深度h＝Z1-Z＝L』cos(β+γ-α)。
優選的，所述海平面高度△h優選根據飛機上的GPS系統檢測到的飛行高度H』結合所述三維海面數據中的高度H計算而成。
為了提高所述海平面高度△h的準確性，優選根據所述三維海面數據中的每一個脈衝點所對應的GPS定位的飛行高度H』和所述三維海面數據中記錄的高度H，分別求解出相應的海平面高度△h1、△h2、△h3……△hp，p為所述海面回波脈衝的個數；求取△h1、△h2、△h3……△hp的平均值，作為最終的海平面高度△h。
進一步的，根據所述最終的海平面高度△h校正所述海底深度h，得到所述海底深度校正值h1＝h-△h。
優選的，在得到所述海底深度校正值h1後，優選執行以下過程形成所述的海底地形數據，即：根據所述海底反射點N的坐標X1和Y1結合GPS定位數據換算成經緯度坐標x1、y1，生成海底反射點N的三維空間坐標(x1，y1，h1)；針對雷射脈衝在海底形成的每一個海底反射點，分別生成三維空間坐標，以形成最終的海底地形數據。
與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是：本發明基於機載雷射雷達系統測量海底地形，針對測量過程中因雷射入射角引入的測量誤差提出海面誤差校正方法，從而有效校正因海面波浪起伏所引起的誤差，解決了傳統機載雷射雷達測量海底地形精度差的問題，實現了海底地形的精確測量。
結合附圖閱讀本發明實施方式的詳細描述後，本發明的其他特點和優點將變得更加清楚。
附圖說明
圖1是本發明所提出的基於機載雷射雷達測量海底地形的海面誤差校正方法的一種實施例的處理流程圖；
圖2是機載雷射雷達系統接收到的雷射回波脈衝點的一種實施例的示意圖；
圖3是雷射雷達發射點、海面入射點、海底反射點在三維海面坐標系中的幾何關係示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細地描述。
本實施例在利用機載雷射雷達系統對目標海域的海底地形進行測量的過程中，引入海面誤差校正技術，根據雷射雷達掃描系統採集到的雷射回波脈衝形成海面數據網格，建立三維海面數據；將海面數據網格中的每一個脈衝點作為海面入射點形成兩條相交於所述入射點的曲線，根據平面定理可知，利用兩條相交曲線的切線可以確定出海面入射點所在曲面的切面，切面的法線就是入射光的法線；根據法線和入射光確定雷射入射角，根據折射公式可以求得折射角，進而結合折射角、海面入射點在三維海平面的位置以及海底回波距離即可校正海面波浪對海底深度計算結果的影響，達到提高機載雷射雷達測量海底地形精度的目的。
下面結合圖1-圖3，對本實施例的基於機載雷射雷達測量海底地形的海面誤差校正方法的具體設計步驟進行詳細地闡述，包括以下步驟：
S101、設定機載雷射雷達系統的工作參數；
在本實施例中，可以根據海底地形的測量精度要求，對機載雷射雷達系統的工作參數進行初始設定。例如，可以對機載雷射雷達系統的掃描頻率、雷射脈衝的發射頻率以及飛機的飛行高度等參數進行設定。作為本實施例的一種優選設計方案，優選設定機載雷射雷達系統的掃描頻率為20Hz、雷射脈衝的發射頻率為1000Hz、飛機的飛行高度在100-500米之間。在設定雷射脈衝的發射頻率時，應使其遠高於雷射雷達掃描系統的掃描頻率，這樣可以保證雷射雷達掃描系統在每個掃描周期內都能夠採集到足夠多的雷射回波脈衝，從而滿足測量精度的要求。
S102、利用雷射發射器對目標海域發射雷射脈衝，並啟動雷射雷達掃描系統採集雷射回波脈衝，獲得原始信號；
在本實施例中，可以通過雷射發射器同時發射兩種波長的雷射脈衝：一種為1064nm雷射；一種為532nm雷射。由於1064nm的紅外光因無法穿透海水而被海面直接反射回來，因此可以利用紅色的雷射脈衝測量海面數據；而由於海水對532nm的藍綠光具有較高的透射性，因此可以利用藍綠色的雷射脈衝測量海底數據。利用雷射雷達掃描系統採集紅色的雷射脈衝照射到海面時產生的海面回波脈衝，可以獲得反映海面位置的原始信號；利用雷射雷達掃描系統採集藍綠色的雷射脈衝照射到海底時產生的海底回波脈衝，可以獲得反映海底位置的原始信號。
所述雷射雷達掃描系統可以是定角圓錐掃描，也可以是掃描振鏡的Z字形掃描或者其他掃描方式。本實施例以定角圓錐掃描為例進行說明，若設置雷射雷達掃描系統的掃描頻率為20Hz、雷射發射器的發射頻率為1000Hz，那麼雷射雷達掃描系統每50毫秒掃描一圈，每圈可掃描到50個回波脈衝，如圖2所示，D為飛機的飛行方向，圖2中每一個點即表示掃描到的一個雷射回波脈衝點。對於同時發射頻率為1000Hz的紅色雷射脈衝和藍綠色雷射脈衝的機載雷射雷達系統，則雷射雷達掃描系統每掃描一圈，可獲得50個紅色雷射回波脈衝(即海面回波脈衝)和50個藍綠色雷射回波脈衝(即海底回波脈衝)，即形成每圈100個回波脈衝點的螺線管狀的掃描圖樣。
S103、對獲得的原始信號進行處理，生成三維海面數據；
在本實施例中，可以根據掃描獲得的海面回波脈衝點的經緯度坐標數據建立數據網格，並結合紅色雷射脈衝的入射距離L(即雷射雷達發射點M到海面入射點的距離L)換算出雷射雷達發射點M到海面的距離，即高度H，從而建立三維海面數據。
對建立的三維海面數據中的系統誤差(包括飛機姿態誤差等誤差)進行校正，以得出系統誤差校正後的三維海面數據。本實施例後面所使用到的三維海面數據均為校正後的數據。
S104、選擇海面入射點o，建立以雷射雷達發射點M為原點、以飛機的飛行方向為X軸的空間直角坐標系，並計算出所述海面入射點o在所述空間直角坐標系中的坐標；
在圖2所示的雷射回波脈衝點的圖像中，每一個海面回波脈衝點均為紅色雷射脈衝入射到海面上時的海面入射點，選擇其中一個海面入射點o，計算其在空間直角坐標系中的坐標(X,Y,Z)。具體來講，可以以雷射雷達發射點M作為坐標原點、飛機的飛行方向作為X軸建立所述的空間直角坐標系，根據所述海面入射點o所對應的雷射雷達發射光在水平方向的投影與飛機飛行方向的夾角δ(以下稱方位角δ)、天頂角γ以及所述雷射雷達發射光的入射距離L(即雷射雷達發射點M到海面入射點o之間的距離)，計算出海面入射點o在所述空間直角坐標系中的坐標(X,Y,Z),公式如下：
X＝Lsinγcosδ
Y＝Lsinγsinδ
Z＝Lcosγ。
S105、確定所述海面入射點o所在海平面的切面以及該切面的法線，從而建立三維海面坐標系，如圖3所示；
在本實施例中，對於所述海平面的切面，可以採用以下方法確定：
在圖2中，以入射點o為交點，形成x線和y線。其中，x線與飛機的飛行方向平行，是由飛機飛行方向上的相鄰海面回波脈衝點的連線形成的；y線是與x線不同方位且由在該方位上的相鄰海面回波脈衝點的連線形成的。由於海面海浪的一個起伏周期一般在1秒-30秒之間，例如，在20Hz的掃描頻率下，一個海浪起伏周期內將有20-600個掃描點，因此完全可以選取入射點o前後的合適個數的脈衝點形成所述的x線和y線。本實施例優選將入射點o前後的至少5個海面回波脈衝點連接，形成所述的x線和y線。
對於各脈衝點的坐標，可以採用以下方法計算生成：
選取x線上連續的n個脈衝點，分別記為x1、x2、x3、x4、x5、……、xo、……、xn-4、xn-3、xn-2、xn-1、xn，所述n個脈衝點的坐標可以表示為：
Xxi＝Lxisinγcosδxi+vtxi
Yxi＝Lxisinγsinδxi
Zxi＝Lxicosγ。
其中，Lxi是第i個脈衝點xi所對應的雷射雷達發射光入射到海面的入射距離；δxi是第i個脈衝點xi所對應的雷射雷達發射光在水平方向的投影與飛機飛行方向的夾角；v是飛機的飛行速度；txi是第i個脈衝點xi與海面入射點o之間的飛機飛行的時間差。在所述空間直角坐標系中，海面入射點o(即脈衝點xo)的時間為零，海面入射點o前後其他脈衝點xi的時間txi代表該脈衝點xi與海面入射點o之間的時間差。
同理，選取y線上連續的m個脈衝點，分別記為y1、y2、y3、y4、y5、……、yo、……、ym-4、ym-3、ym-2、ym-1、ym，所述m個脈衝點的坐標可以表示為：
Xyj＝Lyjsinγcosδyj+vtyj
Yyj＝Lyjsinγsinδyj
Zyj＝Lyjcosγ。
其中，Lyj是第j個脈衝點yj所對應的雷射雷達發射光入射到海面的入射距離；δyj是第j個脈衝點yj所對應的雷射雷達發射光在水平方向的投影與飛機飛行方向的夾角；v是飛機的飛行速度；tyj是第j個脈衝點yj與海面入射點o之間的飛機飛行的時間差。在所述空間直角坐標系中，海面入射點o(即脈衝點yo)的時間為零，海面入射點o前後其他脈衝點yj的時間tyj代表該脈衝點yj與海面入射點o之間的時間差。由於x線和y線上的海面回波脈衝點分別在不同的平面內，因此可以利用x線上的所述n個脈衝點的坐標(Xxi，Yxi，Zxi)採用最小二乘法進行擬合，以形成ox曲線。同理，可以利用y線上的所述m個脈衝點的坐標(Xyj，Yyj，Zyj)採用最小二乘法進行擬合，以形成oy曲線。根據獲得的ox曲線和oy曲線分別求出兩條曲線在海面入射點o的切線，形成以海面入射點o為坐標原點O的三維海面坐標系的OX軸和OY軸，如圖3所示。其中，OX軸和OY軸所形成的XOY面即為海面的切面，將海面切面的法線作為Z軸，形成所述的三維海面坐標系。在所述三維海面坐標系中，X軸和Y軸可以是不正交的。
S106、在所述三維海面坐標系中，計算所述海面入射點o所對應的雷射脈衝入射到海水中所形成的入射角α和折射角β；
本實施例根據構建的三維海面坐標系計算雷射脈衝的入射角α，如圖3所示，所述入射角α為雷射脈衝與Z軸的夾角，可以根據如下夾角公式計算生成：
cosα＝a·b/|a|·|b|；
即cosα等於向量a、b的數量積與向量a、b的模之積的比值。其中，a是所述海面入射點o所對應的紅色雷射脈衝測得的入射距離L在所述三維海面坐標系中的單位向量；b是三維海面坐標系的坐標軸Z在所述三維海面坐標系中的單位向量。
根據計算出的入射角α結合折射率公式計算出雷射脈衝的折射角β，即：
其中，η0為空氣的折射率，η1為海水的折射率。
S107、計算海底深度h以及海底反射點N在所述空間直角坐標系中的坐標(X1，Y1，Z1)；
在本實施例中，可以根據海面反射點o在所述空間直角坐標系中的坐標、方位角δ、天頂角γ、入射角α、折射角β以及折射光線的入射距離L』(即海面入射點o到海底反射點N之間的距離，可以根據與所述海面入射點o相對應的紅色雷射脈衝同時發射的藍綠色雷射脈衝採集到的海底回波脈衝獲得)，求解出海底反射點N在所述空間直角坐標系中的相對位置(X1，Y1，Z1)，即：
X1＝X+L’sin(β+γ-α)cosδ
Y1＝Y+L’sin(β+γ-α)sinδ
Z1＝Z+L』cos(β+γ-α)。
由此，海底深度h＝Z1-Z＝L』cos(β+γ-α)。
本實施例在三維海面坐標系中計算折射角β，利用折射角β計算海底深度h以及海底反射點N在空間直角坐標系中的相對位置(X1，Y1，Z1)，從而校正了波浪起伏所引起的折射角誤差。
S108、計算海平面高度△h，根據海平面高度△h校正海底深度h，得到海底深度校正值h1；
在本實施例中，所述海平面高度△h即海平面到海拔零點之間的距離，可以利用飛機的GPS數據結合上述步驟S103中獲得的三維海面數據計算生成。具體來講，假設飛機上的GPS系統定位飛機的飛行高度為H』，而三維海面數據中記錄的高度為H，則海平面高度△h＝H』-H。利用三維海面數據中的每一個脈衝點所對應的GPS定位高度H』和所述三維海面數據中記錄的高度H，分別求解出相應的海平面高度△h1、△h2、△h3……△hp，p為所述海面回波脈衝的個數；求取△h1、△h2、△h3……△hp的平均值，作為最終的海平面高度△h。
利用最終求取出的海平面高度△h校正海底深度h，得到海底深度校正值h1，即h1＝h-△h。
S109、生成海底反射點N的三維空間坐標；
在本實施例中，可以結合海底反射點N在所述空間直角坐標系中的相對位置(X1，Y1，Z1)以及海底深度校正值h1，得到海底反射點N的精確坐標(X1，Y1，h1)。其中，坐標X1和Y1可以結合GPS定位數據換算成經緯度坐標x1、y1，由此便可以生成海底反射點N的三維空間坐標(x1，y1，h1)。所述三維空間坐標即表示包含經度、緯度、海拔的三維坐標。
S110、針對雷射脈衝在海底形成的每一個海底反射點，分別生成三維空間坐標，形成海底地形數據。
在本實施例中，可以針對每一個海底回波脈衝計算出其海底反射點的三維空間坐標，從而實現了對海底地形的準確測量。
本實施例的海底地形測量方法根據折射角和入射點在三維海平面的位置，並結合海底回波距離，對海面波浪的影響進行校正，從而提高了機載雷射雷達系統對海底地形測量的精度。
當然，以上所述僅是本發明的一種優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。