1.一种多视场角海洋激光雷达,其特征在于包括激光发射系统(1)、多视场信号接收系统(2)、数据采集与处理系统(3);激光发射系统(1)中发射光路的光轴与多视场信号接收系统(2)中接收光路的光轴相互平行且相邻,数据采集与处理系统(3)置于后方并通过同轴电缆线与多视场信号接收系统(2)相连;激光发射系统(1)用于生成准直激光束,多视场信号接收系统(2)用于接收不同视场角范围内的激光雷达回波信号并将其转换为电信号,数据采集与处理系统(3)用于对多视场信号接收系统(2)中生成的电信号进行数据采集与处理;
激光发射系统(1)包括脉冲激光器(1-1)和扩束镜(1-2);脉冲激光器(1-1)和扩束镜(1-2)与水平面垂直设置,脉冲激光器(1-1)的光发射口与扩束镜(1-2)的入光口相对设置,扩束镜(1-2)的出光口与水平面平行设置;
多视场信号接收系统(2)包括三个结构相同的具有不同视场角的信号接收通道;小视场信号接收通道(2-1)包括小视场望远镜(2-1-1)、第一光阑(2-1-2)、第一窄带滤光片(2-
1-3)、第一会聚透镜(2-1-4)、第一光电探测器(2-1-5);中视场信号接收通道(2-2)包括中视场望远镜(2-2-1)、第二光阑(2-2-1)、第二窄带滤光片(2-2-3)、第二会聚透镜(2-2-4)、第二光电探测器(2-2-5);大视场信号接收通道(2-3)包括大视场望远镜(2-3-1)、第三光阑(2-3-2)、第三窄带滤光片(2-3-3)、第三会聚透镜(2-3-4)、第三光电探测器(2-3-5);小视场信号接收通道(2-1)、中视场信号接收通道(2-2)、大视场信号接收通道(2-3)垂直于水平面与脉冲激光器(1-1)、扩束镜(1-2)平行设置;各信号接收通道中的望远镜入光口与水平面平行设置,望远镜出光口与光阑中心相对设置;光阑上方设置有窄带滤光片,窄带滤光片上方设置有会聚透镜,会聚透镜上方设置有光电探测器;
数据采集与处理系统(3)包括高速数据采集卡(3-1)和计算机(3-2);高速数据采集卡(3-1)与多视场信号接收系统(2)中的三个光电探测器通过同轴电缆线连接,高速数据采集卡(3-1)与计算机(3-2)通过电连接。
2.根据权利要求1所述的多视场角激光雷达的视场角择优方法,其特征在于具体包括如下:
该视场角择优方法根据拟反演的水体光学参数确定多视场角激光雷达系统的视场角的数量和大小;进入海水中的激光,一部分被吸收,改变光的传输能量,另一部分被散射,改变光的传播方向,吸收系数a和散射系数b描述了上述海水对激光的吸收与散射效应,而前向散射展宽系数m描述了在海水多次散射效应下光场重新分布的特征,以上三个参数代表了最为重要的水体光学参数;通过建立激光雷达回波方程,并在拟定的水体分层方法下,分析这三个参数的灵敏度特征,基于经验值与灵敏度特性分析,分别确定反演各个参数最佳的视场角;最终确定接收激光雷达回波信号采用信号接收通道方案。
3.根据权利要求2所述的多视场角激光雷达的视场角择优方法,其特征在于视场角的数量和大小具体通过如下步骤获取:步骤1.设接收光路视场角为γr时,深度为z处的水体产生的激光雷达回波信号可表示为式(1):其中,C0为系统常数,n为折射率、H为激光雷达系统距水面的高度,τ(z)为单次散射条件下的光学厚度, 为探测器有效区域的傅里叶变换,v为空间频率,ξ代表水深的积分变量,P(z,p)为前向散射相函数的Hankel变换,采用俄罗斯科学家Dolin提出的散射相函数模型,即为式(2):其中,m为前向散射展宽系数,p为散射角的角频率;
步骤2.将水体以Δzi的厚度分成N层,其中i=1,2…N;每层水体内部的参数均匀分布,即吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m在每层水体内为定值ai、bi、mi;假设水体具有等厚分层的特征,则第i层水体的厚度可表示为式(3):其中,Δz为等厚分层水体的层厚,zN=z表示深度为z处的水体,;则步骤1所述的激光雷达回波信号方程可简化为式(4):其中,B(v)是与前向散射展宽系数mi有关的项,可表示为式(5):
其中z0=0表示水面位置,zi-1和zi分别表示第i层水体的起始深度和终止深度,arsinh()是反双曲正弦函数;
步骤3.定义由深度为z处的单位水体产生的激光雷达回波信号恢复出第i层水体参数的灵敏度为 选取的水体参数X包括吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m,则有吸收系数灵敏度 为式(6):散射系数灵敏度 为式(7):
前向散射展宽系数灵敏度 为式(8):
步骤4.将激光雷达回波信号方程式(4)代入式(6)、(7)、(8)并化简可得到式(9):其中:
由式(9-a)可知,吸收系数灵敏度 仅与吸收系数a、水体层次厚度Δzi呈简单的线性关系,与视场角大小无关;不同的水体参数对视场角变化具有不同的响应特性;
步骤5.通过设置三个具有不同视场角的接收通道,获得吸收系数a、散射系数b、前向散射展宽系数m三个水体参数的最佳反演。
4.根据权利要求3所述的多视场角激光雷达的视场角择优方法,其特征在于所述的三个具有不同视场角的接收通道,其大小分别是200mrad、14mrad和10mrad。
5.根据权利要求1所述的多视场角激光雷达的视场角择优方法,其特征在于脉冲激光器工作在蓝绿光波段,脉冲宽度不大于10ns,单脉冲能量不小于5mJ。
6.根据权利要求1所述的多视场角激光雷达的视场角择优方法,其特征在于扩束镜(1-
2)采用抗强激光扩束镜。
7.根据权利要求1所述的多视场角激光雷达的视场角择优方法,其特征在于窄带滤光片采用带宽不大于10nm的窄带滤光片。
8.根据权利要求1所述的多视场角激光雷达的视场角择优方法,其特征在于高速数据采集卡(3-1)采样率不低于400MSPS,量化位数不低于12位。