一种星载激光近海岸地形探测激光雷达及探测方法

技术领域

本发明属于地形探测技术领域，特别涉及一种星载激光近海岸地形探测激光雷达及探测方法，适用于全球尺度上的近海岸地形、浅海地形及水深定量测量，并兼顾浅海海水剖面及大气探测。

背景技术

海洋基础测绘主要由两部分组成：水深测量和沿岸地形测量。海岸地形是沿岸海图的重要组成部分，包括海岸线以上陆地地形、潮间带滩涂地形和浅海水下地形三部分。舰船航行过程不仅仅依赖海图中的水深信息，还需结合沿岸、海岛陆地信息更好的优化航线及实现船舶导航定位，同时近海和沿岸区域是海战场建设的重点方向，其中海军登陆抗登陆作战严重依赖海岸地形信息。

传统的海洋水深测量手段采用船舶声纳回波测深方法，其原理是利用水声换能器向水下发射声波，并接受海底回波，根据回波时间确定测点的水深。由于声波发射波束很宽，因此回波信号会使海底平滑化，不能探测凸起于海床上的礁石或岩石，这样就会遗漏许多海底地形、地貌信息，导致测量精度较低。传统的海洋水深测量方法由于其工作平台和原理的原因，对于船只无法到达或者有争议的海域，无法实施测量，不适用于浅海测绘。

上世纪六十年代，激光雷达(Light Detection And Ranging-LIDAR)一出现，很快被应用于主动海洋探测领域。激光雷达具有探测距离远、时空分辨率高等特点，是探测近海岸浅海地形和水深的强有力工具。现阶段激光雷达测深技术主要为机载平台，并形成一系列成熟的产品。

在国际上，1968年，美国Syracese大学的Hickman和Hogg建造了世界上第一个激光海水深度测量系统，首次阐述了激光水深测量技术的可行性，初步建立了海洋激光探测技术的理论基础。SHOALS(Scanned Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey)系统，是国外典型的海洋探测机载激光雷达系统，通过共轴双波长激光发射体制，可实现30m的水深测量能力，但受系统激光发射能量限制，其有效使用飞行高度仅为400m，先后经过20余年的发展，是目前世界上最为先进的激光雷达海洋探测系统。

国内在激光雷达的研制和利用激光雷达在海洋探测领域的研究等方面也开展了大量的研究工作，但是，由于技术成熟度等多方面的原因，目前国际上还没有利用多波束、双波长大能量激光发射的专用于海洋测绘的激光雷达卫星载荷报道。因此，迫切需要国内开发双波长、多波束星载激光近海岸地形探测设备，为全球尺度上的近海岸地形、浅海地形及水深定量测量等提供有效的观测手段。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，获取近海岸地形、海底地形、近海岸海水深度以及大气探测，本发明人进行了锐意研究，提供了一种星载激光近海岸地形探测激光雷达及探测方法，采用了双波长大能量多波束激光发射、多通道接收以及多模式探测技术，通过1波束的1064nm激光波束与532nm激光波束平行发射，实现海底、海表探测和大气偏振探测；5波束的1064nm波长激光波束成固定夹角分布，用于海浪高度、及近海岸陆地地形测量。本发明的特点是利用平行双波长大能量激光发射，通过对532nm波长激光回波大、小视场探测实现对深海、浅海海底回波的大动态探测，通过1064nm回波探测，实现对海表的同步探测，从而精确测量近海岸海底地形及水深；通过平行双波长激光发射、偏振接收探测实现大气探测；通过多波束1064nm激光发射、分视场接收探测，实现对海洋浪高、近海岸陆地地形的高效率测量。激光雷达采用卫星平台搭载，沿卫星飞行方向连续扫描实现全球尺度的近海岸地形及水深测量的工作模式。

与卫星被动光学遥感水深测量、微波主动遥感等其它浅海地形探测手段相比，工作在光学波段的激光雷达具有全天时探测、测量精度高、测量速度快、海水穿透性强等优点。天基激光主动载荷是现阶段唯一可在星载平台上实现高精度水深直接测量的遥感手段，不仅可实现全球范围内高平面定位精度、高深度精度的水深信息获取，可通过卫星姿态机动等手段，高密度、高频次、高时效获取我军关注的核心战略海区的地形数据、水深数据、海岸地形、岛屿和滩涂附近的变化情况，填补我国在天基主动激光水下探测领域的技术空白，促进我军近海水深基础地理信息获取技术的跨越式发展，满足提高武器装备研制自主创新能力的需求，具有重大的军事和经济效益。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种星载激光近海岸地形探测激光雷达，该激光雷达包括激光传感器单元和信号处理及控制单元，激光传感器单元包括激光发射装置和回波接收装置，其中，

激光发射装置包括：

激光器，用于在激光器控制器的控制下产生532nm、1064nm双波长激光；

发射光学分光装置，用于对激光器输出的双波长激光波束进行分色，产生5波束的1064nm波长激光波束、1波束的532nm波长激光波束，其中1波束的1064nm波长激光波束作为中心波束与532nm波长激光波束平行发射，用于海底、海表探测和大气偏振探测；其余4波束1064nm波长激光波束作为边缘波束分布于中心波束四周，与中心波束共同用于海浪高度及近海岸陆地地形测量；

回波接收装置包括：

大口径望远镜，用于接收地面激光回波；

中继光学装置，用于对大口径望远镜接收的激光回波实施分视场接收、偏振接收，将激光回波分为532nm大视场通道、532nm小视场平行偏振通道、532nm小视场垂直偏振通道、1064nm中心通道以及4个1064nm边缘探测通道；

多通道光电探测器，用于将中继光学装置接收的回波激光转换为电信号；

信号处理及控制单元包括：

信号调理和探测器控制模块，用于对多通道光电探测器输出的电信号进行调理及分路，并在综合控制器的控制下实现对多通道光电探测器的偏压设置及开关控制；

信号采集处理模块，用于在综合控制器输出的同步脉冲触发下完成对信号调理和探测器控制模块输出的各信号通道的信号采集和处理，并将采集和处理后的激光回波数据、卫星平台输出的定位、时间、载荷姿态数据打包上传到卫星平台；

激光器控制器，用于在综合控制器输出的系统同步信号的同步下，控制激光器的激光发射时间、频率和能量；

综合控制器，用于实施激光雷达各个模块的工作参数配置、系统同步、工作状态监测量的测量和上传、以及与卫星平台的控制指令交互。

第二方面，一种星载激光近海岸地形探测方法，包括：

激光器控制器控制激光器产生532nm、1064nm双波长激光；

通过发射光学分光装置对激光器输出的双波长激光波束进行分色，产生5波束的1064nm波长激光波束、1波束的532nm波长激光波束，其中1波束的1064nm波长激光波束作为中心波束与532nm波长激光波束平行发射，用于海底、海表探测和大气偏振探测；其余4波束1064nm波长激光波束作为边缘波束分布于中心波束四周，与中心波束共同用于海浪高度及近海岸陆地地形测量；

通过大口径望远镜用于接收地面激光回波；

通过中继光学装置对大口径望远镜接收的激光回波实施分视场接收、偏振接收，将激光回波分为532nm大视场通道、532nm小视场平行偏振通道、532nm小视场垂直偏振通道、1064nm中心通道以及4个1064nm边缘探测通道；

通过多通道光电探测器将中继光学装置接收的回波激光转换为电信号；

通过信号调理和探测器控制模块对多通道光电探测器输出的电信号进行调理及分路，将1064nm中心波束信号分路为1064nm中心波束高速信号通道和1064nm中心波束低速信号通道，将532nm小视场平行偏振通道电信号、532nm小视场垂直偏振通道电信号分路为532nm小视场平行偏振高速信号通道、532nm小视场垂直偏振高速信号通道、532nm小视场平行偏振低速信号通道、532nm小视场垂直偏振低速信号通道、532nm小视场平行偏振单光子探测通道、532nm小视场垂直偏振单光子探测通道，将532nm大视场通道和4个1064nm边缘探测通道电信号整形滤波为532nm大视场高速信号通道和4个1064nm边缘高速信号通道，并在综合控制器的控制下实现对多通道光电探测器的偏压设置及开关控制；

通过信号采集处理模块在综合控制器输出的同步脉冲触发下完成对信号调理和探测器控制模块输出的各信号通道的信号采集和处理，并将采集和处理后的激光回波数据、卫星平台输出的定位、时间、载荷姿态数据打包上传到卫星平台；

通过综合控制器实施激光雷达各个模块的工作参数配置、系统同步、工作状态监测量的测量和上传、以及与卫星平台的控制指令交互。

根据本发明提供的一种星载激光近海岸地形探测激光雷达及探测方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种星载激光近海岸地形探测激光雷达及探测方法，具备532nm和1064nm双波长、大能量、多波束激光发射能力，可获取全球尺度上的近海岸地形、浅海地形及水深信息，并兼顾浅海海水剖面及大气探测；

具备1波束的1064nm激光波束与1波束的532nm激光波束平行发射，利用532nm波长激光回波大、小视场探测实现对深海、浅海海底回波的大动态探测，从而实现海底高度的直接测量，最大探测水深可达50m，并通过对回波的连续采样实现海水剖面测量进而反演海水衰减系数实现对水质的评估；通过1064nm回波探测，实现对海表的同步探测，通过大于1GHz的高速采样测量实现优于0.15m的海底、海表高度测量；

具备5波束的1064nm波长激光波束成固定夹角分布，通过大于1GHz的高速采样测量实现优于0.15m的海浪高度、及近海岸陆地地形测量；

具备1波束的1064nm激光波束与532nm激光波束平行发射，通过偏振接收，大于10MHz的多通道低速模拟采样与优于100ns时间分辨的多通道单光子计数测量，实现优于15m垂直分辨率的大气偏振系数、衰减系数的廓线测量；

具备可实现卫星平台搭载，可沿卫星飞行方向连续扫描实现全球尺度的近海岸地形及水深测量、大气海洋剖面同步探测。

(2)本发明提供的一种星载激光近海岸地形探测激光雷达及探测方法，采用双波长大能量固体激光器，通过倍频技术和双波长扩束技术实现532nm、1064nm双波长发射，通过应用大能量激光发射技术，从而提高激光发射峰值功率，实现大于1J的单脉冲能量，提高了水深探测能力，以适用于卫星平台的海洋测深要求。

(3)本发明提供的一种星载激光近海岸地形探测激光雷达及探测方法中设计的大口径望远镜，有效口径大于1m，采用反射式离轴卡塞格林望远镜，通过主镜将接收激光回波聚焦到次镜，再经过次镜输出为准平行光路；通过视场光栅调节接收视场以与激光发射波束匹配，从而过滤背景光干扰，提高系统探测信噪比，望远镜主体结构采用蜂窝支撑结构，在保证机械强度的同时减小望远镜重量，以减小卫星平台搭载负担，从而适应星载平台搭载条件。

(4)本发明提供的一种星载激光近海岸地形探测激光雷达及探测方法中设计的中继光学装置，能够实现多模式、多要素协同探测的光学信号分离。

(5)本发明提供的一种星载激光近海岸地形探测激光雷达及探测方法中设计的信号处理及控制单元，将激光器控制器、信号采集处理模块、信号调理和探测器控制模块、综合控制器集成在一个单元结构内，有效地降低设备数量，提高设备的可靠性和易用性。

附图说明

图1为星载激光近海岸地形探测激光雷达的结构框图；

图2为激光雷达工作示意图；

图3为地面激光波束足印分布图；

图4为视场分布示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

根据本发明的第一方面，提供了一种星载激光近海岸地形探测激光雷达，如图1所示，包括激光传感器单元和信号处理及控制单元，激光传感器单元包括激光发射装置和回波接收装置，其中，

激光发射装置包括：

激光器，用于在激光器控制器的控制下产生532nm、1064nm双波长激光；

发射光学分光装置，用于对激光器输出的双波长激光波束进行分色，产生5波束的1064nm波长激光波束、1波束的532nm波长激光波束，其中1波束的1064nm波长激光波束作为中心波束与532nm波长激光波束平行发射，用于海底、海表探测和大气偏振探测；其余4波束1064nm波长激光波束作为边缘波束分布于中心波束四周，与中心波束共同用于海浪高度及近海岸陆地地形测量；

回波接收装置包括：

大口径望远镜，用于接收地面激光回波；

中继光学装置，用于对大口径望远镜接收的激光回波实施分视场接收、偏振接收，将激光回波分为532nm大视场通道、532nm小视场平行偏振通道、532nm小视场垂直偏振通道、1064nm中心通道以及4个1064nm边缘探测通道；

多通道光电探测器，用于将中继光学装置接收的回波激光转换为电信号；

信号处理及控制单元包括：

信号调理和探测器控制模块，用于对多通道光电探测器输出的电信号进行调理及分路，将1064nm中心波束信号分路为1064nm中心波束高速信号通道和1064nm中心波束低速信号通道，将532nm小视场平行偏振通道电信号、532nm小视场垂直偏振通道电信号分路为532nm小视场平行偏振高速信号通道、532nm小视场垂直偏振高速信号通道、532nm小视场平行偏振低速信号通道、532nm小视场垂直偏振低速信号通道、532nm小视场平行偏振单光子探测通道、532nm小视场垂直偏振单光子探测通道，将532nm大视场通道和4个1064nm边缘探测通道电信号整形滤波为532nm大视场高速信号通道和4个1064nm边缘高速信号通道，并在综合控制器的控制下实现对多通道光电探测器的偏压设置及开关控制；

信号采集处理模块，用于在综合控制器输出的同步脉冲触发下完成对信号调理和探测器控制模块输出的各信号通道的信号采集和处理，并将采集和处理后的激光回波数据、卫星平台输出的定位、时间、载荷姿态数据打包上传到卫星平台；

激光器控制器，用于在综合控制器输出的系统同步信号的同步下，控制激光器的激光发射时间、频率和能量；

综合控制器，用于实施激光雷达各个模块的工作参数配置、系统同步、工作状态监测量的测量和上传、以及与卫星平台的控制指令交互。

在本发明中，所述激光器为双波长大能量固体激光器。通过倍频技术和双波长扩束技术实现双波长发射，通过应用大能量激光发射技术，实现提高单脉冲能量，同时获得更大的水深探测深度，以适用于卫星平台的海洋测深要求。激光器发射的532nm激光单脉冲能量＞550mJ，1064nm激光单脉冲能量为大于450mJ，脉冲重复频率≥20Hz。

具体地，所述激光器采用LD泵浦加多级MOPA放大的技术方案，即激光振荡器加功率放大器实现大能量1064nm激光输出；通过电光调Q模块，实现大能量脉冲激光调制；采用倍频晶体对1064nm基频光进行二次谐波转换，输出大能量532nm倍频激光，从而实现大能量532nm、1064nm双波长激光脉冲产生。

在本发明中，所述发射光学分光装置包括分色镜、532nm扩束镜头、1064nm扩束镜头、衍射分光元件和光轴指向调节监视器。其中，所述分色镜用于对激光器输出的双波长激光波束进行分色，将532nm和1064nm波长的激光分离；所述532nm扩束镜头用于对532nm波长激光波束扩束；所述1064nm扩束镜头用于对1064nm波长激光波束扩束；所述光轴指向调节监视器用于对扩束后的532nm波长激光波束和1064nm波长激光波束的指向进行调节和指向测量；所述衍射分光元件将扩束后的1064nm波长激光波束分为5束，1波束作为中心波束发射方向与532nm波束平行，其余4波束以中心波束为中心正交排列，与中心波束成固定夹角如800μrad夹角。图2为激光雷达工作示意图，图3示出地面激光波束足印分布。

优选地，所述532nm扩束镜头将532nm波长激光波束扩束为＜60μrad的发散角；所述1064nm扩束镜头将1064nm波长激光波束扩束为＜60μrad的发散角；所述光轴指向调节监视器对扩束后的532nm波长激光波束和1064nm波长激光波束的指向测量精度不低于1.5角秒。

在本发明中，所述大口径望远镜包括主镜、次镜、视场光栅和望远镜主体结构，该大口径望远镜为反射式离轴卡塞格林望远镜，具有筒长更短、更易装调、更适合激光雷达系统的集成与生产的特点，其光学口径不小于1m，总接收视场不小于2mrad。

具体地，通过主镜将接收到的激光回波聚焦到次镜，再经过次镜输出为准平行光路；通过视场光栅调节接收视场以与激光发射波束匹配，从而过滤背景光干扰，提高系统探测信噪比，望远镜主体结构采用蜂窝支撑结构，在保证机械强度的同时减小望远镜重量，以减小卫星平台搭载负担。

在本发明中，所述中继光学装置包括视场分离镜、532nm窄带滤光片、1064nm窄带滤光片、滤波透反镜、偏振镜片和聚焦镜；其中，视场分离镜分离出532nm大视场通道，通过532nm窄带滤光片滤波后，由聚焦镜聚焦以便于多通道光电探测器接收；视场分离镜将边缘4波束1064nm波束分离为4个独立的边缘探测通道，通过1064nm窄带滤光片进行光学滤波，并通过聚焦镜聚焦以便于光电探测接收；视场分离镜将中心视场分离，并通过滤波透反镜将中心视场的532nm、1064nm波长激光回波分离为1064nm中心通道和532nm小视场通道，通过1064nm窄带滤光片对1064nm中心通道进行光学滤波，并通过聚焦镜聚焦以便于光电探测接收；偏振镜片将532nm小视场通道分为532nm小视场平行偏振通道、532nm小视场垂直偏振通道，2个偏振通道分别通过532nm窄带滤光片滤波和聚焦镜聚焦以便于光电探测接收，从而实现激光雷达的多通道探测。图4示出视场分布，其中，中心大圆表示532nm大视场通道，中心小圆表示重叠的532nm小视场平行偏振通道、532nm小视场垂直偏振通道和1064nm中心通道，边缘分布的四个小圆为1064nm边缘探测通道。

在本发明中，所述多通道探测器装置采用3个PMT探测器实施对532nm大视场通道、532nm小视场平行偏振通道、532nm小视场垂直偏振通道的532nm波长激光回波的光电探测，采用5个APD探测器实施对1064nm中心通道以及4个1064nm边缘探测通道的1064nm波长激光回波的光电探测。

在本发明中，信号采集处理模块将激光器控制器、信号采集处理模块、信号调理和探测器控制模块、综合控制器集成在一个单元结构内，有效地降低设备数量，提高设备的可靠性和易用性。

本发明中，信号采集处理模块对信号调理和探测器控制模块输出的各信号通道的信号采集时，高速信号采集通道为8通道输入，单通道采样率不低于1GHz，采样有效位数可达9bits以上；低速信号采集通道为3通道输入，单通道采样率不低于50MHz，采样有效位数可达11bits以上；高速光子计数通道为2通道输入，单通道计数率不低于200Mcps，时间分辨率优于20ns。

根据本发明的第二方面，提供了一种星载激光近海岸地形探测方法，包括：

激光器控制器控制激光器产生532nm、1064nm双波长激光；

通过发射光学分光装置对激光器输出的双波长激光波束进行分色，产生5波束的1064nm波长激光波束、1波束的532nm波长激光波束，其中1波束的1064nm波长激光波束作为中心波束与532nm波长激光波束平行发射，用于海底、海表探测和大气偏振探测；其余4波束1064nm波长激光波束作为边缘波束分布于中心波束四周，与中心波束共同用于海浪高度及近海岸陆地地形测量；

通过大口径望远镜用于接收地面激光回波；

通过中继光学装置对大口径望远镜接收的激光回波实施分视场接收、偏振接收，将激光回波分为532nm大视场通道、532nm小视场平行偏振通道、532nm小视场垂直偏振通道、1064nm中心通道以及4个1064nm边缘探测通道；

通过多通道光电探测器将中继光学装置接收的回波激光转换为电信号；

通过信号调理和探测器控制模块对多通道光电探测器输出的电信号进行调理及分路，将1064nm中心波束信号分路为1064nm中心波束高速信号通道和1064nm中心波束低速信号通道，将532nm小视场平行偏振通道电信号、532nm小视场垂直偏振通道电信号分路为532nm小视场平行偏振高速信号通道、532nm小视场垂直偏振高速信号通道、532nm小视场平行偏振低速信号通道、532nm小视场垂直偏振低速信号通道、532nm小视场平行偏振单光子探测通道、532nm小视场垂直偏振单光子探测通道，将532nm大视场通道和4个1064nm边缘探测通道电信号整形滤波为532nm大视场高速信号通道和4个1064nm边缘高速信号通道，并在综合控制器的控制下实现对多通道光电探测器的偏压设置及开关控制；

通过信号采集处理模块在综合控制器输出的同步脉冲触发下完成对信号调理和探测器控制模块输出的各信号通道的信号采集和处理，并将采集和处理后的激光回波数据、卫星平台输出的定位、时间、载荷姿态数据打包上传到卫星平台；

通过综合控制器实施激光雷达各个模块的工作参数配置、系统同步、工作状态监测量的测量和上传、以及与卫星平台的控制指令交互。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。