一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测方法及系统技术方案

本申请涉及水体环境监测技术领域，具体而言，涉及一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测方法及系统，可以解决难以准确探测和掌握水体中悬浮物浓度的三维分布信息的问题。探测系统包括：发射器，用于向待测水体发出激光脉冲，激光脉冲在进入待测水体后，在待测水体中进行传播，当激光脉冲在待测水体中传播时，发生散射，散射包括前向散射及后向散射；接收器，用于接收激光脉冲在待测水体中产生的后向散射信号，后向散射信号为激光脉冲在待测水体中经过水体本身及悬浮颗粒物的散射后产生的后向散射，后向散射信号包括水体信息；计算机，用于接收水体信息，并根据水体信息得出待测水体的水下逐层悬浮物浓度。体的水下逐层悬浮物浓度。体的水下逐层悬浮物浓度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测方法及系统


[0001]本申请涉及水体环境监测
，具体而言，涉及一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测方法及系统。

技术介绍

[0002]水中悬浮物指悬浮在水中的固体物质，包括不溶于水中的无机物、有机物及泥沙、黏土、微生物等，水中悬浮物含量是衡量水污染程度的指标之一，并且水中悬浮物是造成水浑浊的主要原因。
[0003]目前在对水中悬浮物浓度进行监测时，工作人员会通过人工逐层对水体取样的方法，进而再对水样进行实验室化学分析实现，需要耗费大量的人力物力，而且所得到的仅是取样点的数据，对区域面状水域的评价只能是以点代面，也会通过对悬浮物垂向分布遥感反演，进而对水中的悬浮物浓度进行测算。
[0004]然而，限制于自然条件下入射太阳光线的穿透能力，被动遥感仅可以探测到水体表层一定深度的水体信号，且存在单条表层遥感反射率与水下逐层悬浮物浓度/固有光学特性“一对多”的多解问题，难以准确探测和掌握光学深水区水下更深水体中悬浮物浓度的三维分布信息。

技术实现思路

[0005]为了解决难以准确探测和掌握水体中悬浮物浓度的三维分布信息的问题，突破以往遥感水质监测仅停留在水体表层的局限性，本申请提供了一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测方法及系统。
[0006]根据本申请实施例的一个方面，提供了一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，所述探测系统包括：发射器，用于向待测水体发出激光脉冲，所述激光脉冲在进入所述待测水体后，在所述待测水体中进行传播，当所述激光脉冲在所述待测水体中传播时，发生散射，所述散射包括前向散射及后向散射；接收器，用于接收所述激光脉冲在所述待测水体中产生的后向散射信号，所述后向散射信号为所述激光脉冲在所述待测水体中经过水体本身及悬浮颗粒物的散射后产生的后向散射，所述后向散射信号包括水体信息；计算机，用于接收所述水体信息，并根据所述水体信息得出所述待测水体的水下逐层悬浮物浓度。
[0007]在一些实施例中，所述发射器包括激光发生器、凹透镜及凸透镜， 所述激光发生器产生的激光，依次通过所述凹透镜及凸透镜后，向外传播。
[0008]在一些实施例中，所述接收器包括：滤光片，所述滤光片用于接收光线，并对接收到的光线进行筛选过滤，只允许特定波长段的光线通过；
光阑，所述光阑用于限制光线的光束大小，光线在经过所述光阑时，所述光线只能通过所述光阑上特定的孔进行传播；透镜，所述透镜用于对光线进行准直，使光线能够平行传播；光圈，用于控制光线的通过量；光电倍增管，所述光电倍增管用于将接收到的光信号转化为电信号，方便后续进行分析。
[0009]在一些实施例中，所述探测系统还包括：采集卡，所述采集卡与所述接收器连接，用于接收所述接收器输出的信号，并对所述信号进行存储，所述采集卡还与所述计算机连接，用于在对所述信号进行存储后，将所述信号传输至所述计算机。
[0010]在一些实施例中，所述计算机包括：数据处理模块，用于对接收到水体信息进行分析，得到悬浮物浓度结果；数据显示模块，用于将所述数据处理模块得出的悬浮物浓度结果进行显示。
[0011]在一些实施例中，所述水体信息包括激光雷达衰减系数及水体后向散射系数。
[0012]根据本申请实施例的另一个方面，提供了一种基于激光雷达的垂向高分辨水下悬浮物浓度探测方法，所述探测方法包括以下步骤：通过激光雷达向待测水体发射激光脉冲，并获取后向散射信号；根据所述后向散射信号，得到水体信息；基于所述水体信息，确定所述待测水体的水下逐层悬浮物浓度。
[0013]在一些实施例中，在基于所述水体信息，确定所述待测水体的水下逐层悬浮物浓度步骤中，还包括以下步骤：基于激光雷达方程，通过水体信息，得到水体固有光学参数。
[0014]基于生物光学模型，通过所述水体固有光学参数，得到水体中逐层的悬浮物浓度信息。
[0015]基于水下垂向悬浮物的实际测量数据对算法进行评估和验证。
[0016]在一些实施例中，在基于激光雷达方程，通过水体信息，得到水体固有光学参数步骤中，还包括以下步骤：对后向散射信号进行背景去噪声、几何校正、雷达常数校正和距离校正；结合Klett后向反演算法，确定激光雷达衰减系数；以收敛函数优化激光雷达衰减系数，得到所述水体固有光学参数，所述水体固有光学参数水体衰减系数、后向散射系数。
[0017]在一些实施例中，在结合Klett后向反演算法，确定激光雷达衰减系数步骤中，还包括以下步骤：预设水体后向散射系数和激光雷达衰减系数之间的关系；根据所述水体后向散射系数和激光雷达衰减系数之间的关系，基于激光雷达方程，通过估算后向散射消光对数比，并利用后向反演算法，确定激光雷达衰减系数。
[0018]本申请的有益效果：通过设置发射器，在满足信噪比要求、仪器体积较小和造价成本较低的同时，提高垂向探测能力，并且不受太阳光源、云雨天气的限制，具有可昼夜连续监测的高时间分辨率优势；进一步通过设置接收器，可以通过调节激光发射/接收参数，可
以灵活控制探测到水层的垂向距离分辨率，获取逐层水体光学信息；进一步通过设置计算机对接收器采集到的水体信息进行分析，可以基于激光雷达回波信号逐层衰减过程中对逐层水体固有光学信号的探测与分离，得到水下逐层悬浮物浓度剖面信息， 从而提高利用激光雷达遥感技术探测水下逐层水体固有光学参数的效率和精确度。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1示出了本申请一实施例提供的探测系统的整体结构示意图；图2示出了本申请另一实施例的接收器的结构示意图；图3示出了本申请另一实施例提供的工作原理示意图；图4示出了本申请另一实施例中提供的通过激光雷达获取待测水体的水下逐层悬浮物浓度的流程示意图；图5示出了本申请另一实施例中通过Klett后向反演算法估算机关雷达衰减系数的流程示意图；图6示出了本申请另一实施例中探测深度与回波信号强度的关系示意图。
[0021]附图说明：110、发射器；120、接收器；121、滤光片；122、光阑；123、透镜；124、光圈；125、光电倍增管；130、采集卡；140、计算机；141、数据处理模块；142、数据显示模块；200、激光脉冲；300、后向反射信号。
具体实施方式
[0022]为使本申请的目的、实施方式和优点更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0023]需要说明的是，本申请中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本申请的实施方式。除非另有说明，这些术语本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，其特征在于，所述探测系统包括：发射器，用于向待测水体发出激光脉冲，所述激光脉冲在进入所述待测水体后，在所述待测水体中进行传播，当所述激光脉冲在所述待测水体中传播时，发生散射，所述散射包括前向散射及后向散射；接收器，用于接收所述激光脉冲在所述待测水体中产生的后向散射信号，所述后向散射信号为所述激光脉冲在所述待测水体中经过水体本身及悬浮颗粒物的散射后产生的后向散射，所述后向散射信号包括水体信息；计算机，用于接收所述水体信息，并根据所述水体信息得出所述待测水体的水下逐层悬浮物浓度。2.如权利要求1所述一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，其特征在于，所述发射器包括激光发生器、凹透镜及凸透镜， 所述激光发生器产生的激光，依次通过所述凹透镜及凸透镜后，向外传播。3.如权利要求1所述一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，其特征在于，所述接收器包括：滤光片，所述滤光片用于接收光线，并对接收到的光线进行筛选过滤，只允许特定波长段的光线通过；光阑，所述光阑用于限制光线的光束大小，光线在经过所述光阑时，所述光线只能通过所述光阑上特定的孔进行传播；透镜，所述透镜用于对光线进行准直，使光线能够平行传播；光圈，用于控制光线的通过量；光电倍增管，所述光电倍增管用于将接收到的光信号转化为电信号，方便后续进行分析。4.如权利要求1所述一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，其特征在于，所述探测系统还包括：采集卡，所述采集卡与所述接收器连接，用于接收所述接收器输出的信号，并对所述信号进行存储，所述采集卡还与所述计算机连接，用于在对所述信号进行存储后，将所述信号传输至所述计算机。5.如权利要求1所述一种基于激光雷达的水下垂向悬浮物浓度探测系统，其特征在于，所述计算机包括：数据处理模块，用于对接收到水体信息进行分析，得到悬浮物浓度结果；数据显示模块，用于将所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷少华，吴小扁，张杰铭，时元智，徐春，洪静雨，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：