一种测量水深的方法及激光雷达系统技术方案

一种测量水深的方法及激光雷达系统，涉及激光探测技术领域。目的是为了解决现有技术成本高、效率低、测量精度低的问题。本发明专利技术对激光器发出的激光脉冲信号进行线偏振调制，使线偏振调制后的激光脉冲信号经发射光学系统垂直发射到水面上；通过接收光学系统接收回波信号，并对回波信号采用偏振分束器分成两束，采用两个Gm‑APD单光子探测器分别探测两束光的到达时间；信号处理模块根据两束光的到达时间差计算出水深。本发明专利技术所使用的光学器件成本低，测量过程简单易行，对信号的处理过程也简单，测量效率高。其中Gm‑APD单光子探测器能有效提高测量灵敏度，甚至对较深水域单光子的回波信号也能进行测量，扩大了上述方法及系统的适用范围。

Method for measuring water depth and laser radar system

The invention relates to a method for measuring water depth and a laser radar system, relating to the technical field of laser detection. The utility model aims at solving the problems of high cost, low efficiency and low measuring accuracy of the prior art. Line polarization modulated laser pulse signal of the invention of the laser light, the laser pulse signal modulated by polarized optical transmitting system of vertical launching to the surface; the optical receiving system receives the echo signal and the echo signals by using a polarization beam splitter is divided into two beams, two Gm APD single photon detectors were used the arrival time of the two beams of light detection; signal processing module based on the two beam arrival time difference calculation of deep water. The optical device used in the invention has the advantages of low cost, simple and easy measuring process, simple signal processing process and high measuring efficiency. The Gm APD single photon detector can effectively improve the measurement sensitivity, even the echo of a relatively deep water single photon can be measured, expanded the scope of application of the above method and system.

【技术实现步骤摘要】
一种测量水深的方法及激光雷达系统
本专利技术涉及激光探测
，特别是涉及利用回波信号偏振特性实现水深测量的一种激光雷达系统方案。
技术介绍
水深的测量是人们获得海底或者河道地形数据的主要手段，是获得水底地形数据测绘的重要手段。水底地形由于水体的流动经常产生变化，给船只的航行造成了很大的安全隐患，因此研究者们对如何获取水深展开了深入的研究。传统获取水深的方法包括船载声呐探测、机载激光探测、潜水器探测、超光谱图像测量等。但是它们普遍具有成本高、效率低的特点，一些方法的测量精度还会受海水清澈度的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术成本高、效率低、测量精度低的问题，提供一种测量水深的方法及激光雷达系统。本专利技术所述的一种测量水深的方法为：对激光器(1)发出的激光脉冲信号进行线偏振调制，使线偏振调制后的激光脉冲信号经发射光学系统(3)发射到水面上；通过接收光学系统(4)接收水面及水底回波信号并发送至偏振分束器，水面回波信号从偏振分束器(5)透射出去，水底回波信号从偏振分束反射出去，采用两个Gm-APD单光子探测器分别探测两束光的到达时间；根据两束光的到达时间差计算出水深。本专利技术所述的一种测量水深的激光雷达系统包括激光器(1)、线偏振片(2)、发射光学系统(3)、接收光学系统(4)、偏振分束器(5)、第一Gm-APD单光子探测器(6)、第二Gm-APD单光子探测器(7)和信号处理模块(8)；所述激光器(1)发出的激光经线偏振片(2)透射后，由发射光学系统(3)发射至水面；接收光学系统(4)用于接收水面及水底回波信号，从接收光学系统(4)出射的水面及水底回波信号经偏振分束器(5)分成两束，一束入射至第一Gm-APD单光子探测器(6)，另一束入射至第二Gm-APD单光子探测器(7)；第一Gm-APD单光子探测器(6)和第二Gm-APD单光子探测器(7)的探测信号输出端分别连接信号处理模块(8)的两个探测信号输入端。对发射激光信号采用线偏振调制，接收时利用水面和水底激光反射信号的差异：水面比较平坦其反射特性近似于水面，反射信号的偏振方向与发射信号的偏振方向一致；而水底的反射信号一般偏振退化比较严重，有一部分回波信号的偏振方向会改变为与发射方向垂直的方向上。我们在接收系统中使用一个偏振分束器，可以将水面反射的原偏振方向的信号和水底反射的另一个偏振方向上的信号有效的区别分开，从而采用两个Gm-APD单光子探测器分别探测水面和水底的回波信号差值，进而根据激光信号的飞行时间计算出水深。本专利技术所使用的光学器件成本低，测量过程非常简单易行，对信号的处理过程也简单，测量效率高。其中Gm-APD单光子探测器能有效的提高本系统的灵敏度，甚至对较深水域单光子的回波信号也能进行测量，扩大了上述方法及系统的适用范围。附图说明图1为本专利技术所述的测量水深的激光雷达系统的原理示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种测量水深的方法为：对激光器(1)发出的激光脉冲信号进行线偏振调制，使线偏振调制后的激光脉冲信号经发射光学系统(3)接近垂直方向发射到水面上；通过接收光学系统(4)接收水面及水底回波信号并发送至偏振分束器，水面回波信号从偏振分束器(5)透射出去，水底回波信号从偏振分束反射出去，采用两个Gm-APD单光子探测器分别探测两束光的到达时间；根据两束光的到达时间差计算出水深。本实施方式对发射激光信号采用线偏振调制，接收时利用水面和水底激光反射信号(即回波信号)的差异：水面比较平坦其反射特性近似于水面，其回波信号的偏振方向与发射信号的偏振方向一致；而水底反射的回波信号一般偏振退化比较严重，有一部分回波信号的偏振方向会改变为与发射方向垂直的方向上。在接收系统中使用一个偏振分束器，可以将水面的原偏振方向的回波信号和水底发射的另一个偏振方向上的回波信号有效的区别分开，从而采用两个Gm-APD探测器分别探测水面和水底的回波信号差值，根据激光信号的飞行时间计算出水深。具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种测量水深的激光雷达系统包括激光器(1)、线偏振片(2)、发射光学系统(3)、接收光学系统(4)、偏振分束器(5)、第一Gm-APD单光子探测器(6)、第二Gm-APD单光子探测器(7)和信号处理模块(8)；所述激光器(1)发出的激光经线偏振片(2)透射后，由发射光学系统(3)发射至水面；接收光学系统(4)用于接收水面及水底回波信号，从接收光学系统(4)出射的水面及水底回波信号经偏振分束器(5)分成两束，一束入射至第一Gm-APD单光子探测器(6)，另一束入射至第二Gm-APD单光子探测器(7)；第一Gm-APD单光子探测器(6)和第二Gm-APD单光子探测器(7)的探测信号输出端分别连接信号处理模块(8)的两个探测信号输入端。本实施方式利用发射信号与回波信号的偏振差异实现水深测量，具体方法如下：首先由激光器发射激光脉冲信号，激光脉冲信号经过线偏振片进行发射信号的线偏振调制，例如将激光脉冲信号的偏振方向调制为0度(水平方向)，经线偏振调制后的信号通过发射光学系统准直发射出去，几乎竖直的照射到正下方水面上；调制好的线偏振激光信号会经过水面和水底反射回到激光雷达接收系统，其中水面的反射特性近似于镜面反射，因此水面反射的激光回波信号的偏振方向仍然为0度(水平方向)；而水底反射的激光回波信号经过海水的退偏和水底反射的退偏作用，有一部分信号会改变偏振方向。在接收系统中我们采用接收光学系统对回波信号进行收集，然后回波信号经过偏振分束器进行区分，水面的回波信号保持了发射信号的偏振方向0度(水平方向)，可以完全透射，由第一Gm-APD单光子探测器(6)进行接收，接收到回波信号的时间为t1。水底的回波信号由于退偏的作用有一部会信号会被反射，由第二Gm-APD单光子探测器(7)进行探测，接收到回波信号的时间为t2。至于水底反射的另一部分保持原偏振方向的信号，虽然会透射到第一Gm-APD单光子探测器(6)，但是由于水底反射的时间一定晚于水面反射的时间，因此水底反射的另一部分保持原偏振方向的信号也会晚于水面反射的信号，第一Gm-APD单光子探测器(6)会先响应先到达的水面反射信号而不响应后到达的水底反射信号，因此这部分能量不会对本系统的探测结果造成影响。水面回波信号和水底回波信号的到达时间分别为t1和t2，根据激光信号的飞行时间就可以推算出水深R。其中c为光速3×108m/s。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量水深的方法，其特征在于，对激光器(1)发出的激光脉冲信号进行线偏振调制，使线偏振调制后的激光脉冲信号经发射光学系统(3)发射到水面上；通过接收光学系统(4)接收水面及水底回波信号并发送至偏振分束器，水面回波信号从偏振分束器(5)透射出去，水底回波信号从偏振分束反射出去，采用两个Gm‑APD单光子探测器分别探测两束光的到达时间；根据两束光的到达时间差计算出水深。

【技术特征摘要】
1.一种测量水深的方法，其特征在于，对激光器(1)发出的激光脉冲信号进行线偏振调制，使线偏振调制后的激光脉冲信号经发射光学系统(3)发射到水面上；通过接收光学系统(4)接收水面及水底回波信号并发送至偏振分束器，水面回波信号从偏振分束器(5)透射出去，水底回波信号从偏振分束反射出去，采用两个Gm-APD单光子探测器分别探测两束光的到达时间；根据两束光的到达时间差计算出水深。2.一种测量水深的激光雷达系统，其特征在于，包括激光器(1)、线偏振片(2)、发射光学系统(3)、接收光学系统(4)、偏振分束器(5)、第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子静，赵远，岑龙柱，张建东，李硕，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23