激光雷達對沉潛油探測的探索*

王 鈺，趙一鳴，潘 超，張玉石，韓曉爽

激光雷達對沉潛油探測的探索*

王 鈺，趙一鳴，潘 超，張玉石，韓曉爽

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100094）

目前，人們對于海洋沉潛油的規(guī)律研究及控制水平較低，特別是探測30m深度以內(nèi)的淺海地區(qū)的沉潛油分布信息，其主要原因是缺乏快速有效的探測手段。北京遙測技術(shù)研究所開發(fā)水下探測激光雷達樣機，利用激光在海水中良好的透過特性，用于對水下沉潛油的探測以及對海底等目標(biāo)的高精度探測。樣機完成在水池中進行水下沉潛油的模擬探測試驗，對沉潛油樣本的典型激光回波信號進行采集分析，并測量模擬探測深度。試驗結(jié)果基本符合設(shè)計預(yù)期，為進一步提升激光雷達沉潛油探測能力打下良好基礎(chǔ)。

激光雷達；沉潛油；水下探測

引 言

對水下溢油目標(biāo)的探測是海洋研究獲取重要目標(biāo)信息的手段之一，在國民經(jīng)濟建設(shè)、海洋權(quán)益維護、國防建設(shè)和科學(xué)研究中具有重要的作用。目前，人們對于水下溢油的規(guī)律研究及控制水平較低，特別是探測30m深度以內(nèi)的淺海地區(qū)水下溢油分布信息，其重要原因是缺乏快速有效的水下溢油探測手段。在海洋溢油探測激光雷達的設(shè)備研制方面，目前國內(nèi)外的研究技術(shù)主要分為測深模式和激光激發(fā)熒光模式兩類。

測深模式激光雷達通常應(yīng)用于海底地形測繪，目前，世界上認(rèn)可的成熟系統(tǒng)主要有美國的SHOALS（Scanned Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey）系統(tǒng)等[1]，從20世紀(jì)70年代開始，該系統(tǒng)已經(jīng)形成了成熟的系列化產(chǎn)品，并進入了業(yè)務(wù)應(yīng)用階段。我國測深激光雷達系統(tǒng)研究從20世紀(jì)80年代末開始，主要單位有中科院上海光學(xué)精密機械研究所[2,3]以及北京遙測技術(shù)研究所等。其中上海光機所已經(jīng)完成了兩代機載激光測深系統(tǒng)的研制，并進行了機載航測試驗，取得了較好的試驗結(jié)果。

針對溢油、葉綠素等海洋表面目標(biāo)的探測應(yīng)用需求，研究人員開發(fā)出熒光激光雷達設(shè)備，其具有高效、實時、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點，可以實現(xiàn)多種海洋參數(shù)的測量。國際上，美國NASA和NOAA聯(lián)合研制了AOL（Airborne Oceanographic Lidar）系統(tǒng)[4]，能夠?qū)Ｋ械娜~綠素濃度和海洋油污染等進行探測；加拿大環(huán)境科學(xué)局等單位研制了機載海洋熒光激光雷達SLEAF（The Scanning Laser Environment Airborne Fluorosensor system）系統(tǒng)等[5]。國內(nèi)方面，中國海洋大學(xué)進行了激光雷達海洋探測方面的多項研究，并研制了一套機載海洋熒光激光雷達系統(tǒng)用以測量海洋表層的葉綠素濃度[6]。

綜上所述，針對海洋表面的溢油情況，熒光激光雷達的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟。但是，其受限于工作原理，此類激光雷達設(shè)備通常無法對水下的沉潛油目標(biāo)進行探測，也無法提供水下目標(biāo)的垂直深度信息。而測深激光雷達只對回波信號的深度信息進行提取，不易對目標(biāo)類型和形態(tài)進行識別。對于不同情況的海洋沉潛油探測需求，單獨使用以上兩種激光雷達設(shè)備均不能達到理想的效果。

本文針對已有的測深激光雷達及激光激發(fā)的熒光激光雷達在海洋溢油探測領(lǐng)域的應(yīng)用限制，利用多通道全波形激光雷達對海洋沉潛油探測進行研究，期望能解決海洋沉潛油的快速探測識別問題，突破沉潛油探測激光雷達系統(tǒng)指標(biāo)仿真、硬件設(shè)備研制、多通道激光雷達回波信號的信息提取及溢油目標(biāo)識別等技術(shù)。

1 原理設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理設(shè)計

激光雷達利用激光在海水中良好的透過特性，通過測量目標(biāo)后向散射回波光信號，實現(xiàn)對沉潛油、海底等目標(biāo)的高精度探測。使一束激光從空氣射至水面，經(jīng)過折射后向下傳播，到達水下目標(biāo)表面時，會轉(zhuǎn)化為向各向傳播的散射光。其中，有一定比例的散射光沿著光束入射方向原路返回激光發(fā)射設(shè)備處，通過光電探測器將其接收，轉(zhuǎn)換為電信號，然后對電信號進行讀取、存儲、計算等處理，即可實現(xiàn)對水下目標(biāo)的探測。

在回波信號中，脈沖信號間的時間差代表了激光光子飛行的距離，可以通過計算處理得到目標(biāo)的距離（深度）信息；脈沖信號的幅度代表了目標(biāo)表面的后向散射率，可以得到目標(biāo)的表面特征信息，實現(xiàn)分析分類目標(biāo)的功能。對于多通道的激光雷達，不同目標(biāo)在多通道中的激光回波信號特征不同，可以根據(jù)通道間回波信號的特定組合方式對目標(biāo)類別進行標(biāo)定識別，例如，通過同一波長的目標(biāo)激光回波偏振信號區(qū)分泥沙、水草、溢油等不同種類目標(biāo)。

在激光雷達的收發(fā)光路中，設(shè)置光學(xué)掃描裝置，使激光雷達的探測光路能夠覆蓋至一定的區(qū)域范圍，再通過搭載平臺（船或飛機等）的移動，即能夠?qū)崿F(xiàn)沿平臺的運動軌跡探測其水下范圍的目標(biāo)。由于激光雷達的回波信號提供了目標(biāo)與設(shè)備間的距離信息，同時使用姿態(tài)測量及地理位置測量設(shè)備，提供激光的實時指向角度及精確的地理位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，解算得到目標(biāo)的三維位置坐標(biāo)。對全部目標(biāo)位置的坐標(biāo)進行整體平滑處理，能夠繪制出水下目標(biāo)的三維位置圖，通過對圖中的目標(biāo)進行分布測算，能夠得到水下目標(biāo)的尺寸及范圍。

海洋探測激光雷達系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.2 水下沉潛油探測深度

通過對海洋探測激光雷達測距方程的仿真，得到水下沉潛油探測的理論深度。窄視場激光雷達水下探測方程如下式所示：

對于沉潛油探測激光雷達回波信號，各參數(shù)典型取值如表1所示。其中，根據(jù)文獻[7]海鹽引起海面氣溶膠光學(xué)厚度，取四季平均值為0.033；沉潛油目標(biāo)反射率參考文獻[8]厚油膜532nm處光譜反射率，取值0.005。

經(jīng)過仿真計算，30m深度的沉潛油目標(biāo)激光回波信號光強度為bot=3.4771×10–8W。參考光電探測器光電靈敏度約為1.5×105A/W。

計算得到光電轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)電流信號為5.216mA，參考光電探測器的暗電流約為1nA。所以，在不考慮水體散射、白天陽光散射等背景光的理想情況下，激光雷達可以探測到30m深度的沉潛油目標(biāo)，而信號的信噪比取決于實際情況下的海水透明度情況、沉潛油目標(biāo)的水下形態(tài)情況以及信號采集系統(tǒng)的電噪聲情況等。

圖1 海洋探測激光雷達原理圖

1.3 水下沉潛油探測尺寸

激光雷達水下探測目標(biāo)的最小尺寸取決于掃描腳點的分辨率，如圖2所示。

激光水下掃描角約為17.28°，水下30m深度的掃描圓半徑約為9.33m，圓周長度約為58.6m。由于光學(xué)掃描速度最快時對應(yīng)最大的腳點間距，即由10kHz的激光重頻及20Hz的最大掃描頻率計算得到最大腳點間距約為11.7cm?？紤]到水下激光光斑的發(fā)散特性，激光雷達可以探測到10cm尺寸的沉潛油目標(biāo)。

表1 回波最弱時激光雷達方程各參數(shù)取值

2 詳細(xì)設(shè)計

2.1 激光發(fā)射子系統(tǒng)

根據(jù)水下目標(biāo)探測需求，要求發(fā)射激光波長位于520nm~550nm波段，同時要求激光光源具備大脈沖能量、較高激光重頻、窄脈沖寬度等。激光發(fā)射子系統(tǒng)主要包括激光器、激光擴束裝置、激光對中裝置等，將532nm和1064nm波段的激光發(fā)射至海面，其中532nm波段的激光實現(xiàn)對海水的穿透、探測水下目標(biāo)、并激發(fā)熒光信號；1064nm波段的激光用于海面高度信息的探測。雙波長激光單脈沖能量超過1mJ，重復(fù)頻率達到10kHz，采用全固態(tài)激光光路設(shè)計、全風(fēng)冷制冷方式。

圖2 激光掃描分辨率示意圖

如圖3所示，激光器光學(xué)系統(tǒng)采取了基于二極管端面泵浦Nd:YVO4的主振蕩/功率放大器MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）的方案，主要由主振蕩器（種子源）、預(yù)放大器、功率放大器和倍頻器四個單元組成，這四部分統(tǒng)稱為激光光學(xué)模塊LOM（Laser Optics Module）。主振蕩器MO（Master Oscillator）提供高重頻窄脈寬的種子激光；預(yù)放大Pre-A（Pre-Amplifier）以及功率放大PA（Power Amplifier）級均采用技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠的二極管端面泵浦的Nd:YVO4晶體；倍頻晶體采用空基激光器中廣泛使用的高損傷閾值的I類相位匹配三硼酸鋰晶體。

圖3 激光器系統(tǒng)示意圖

2.2 光學(xué)接收子系統(tǒng)

光學(xué)接收子系統(tǒng)實現(xiàn)對目標(biāo)回波接收以及光束聚焦、窄帶濾波、分光等處理，主要包括望遠鏡、光路準(zhǔn)直裝置、濾波裝置、分光裝置、聚焦裝置、光電探測器等。光學(xué)接收處理子系統(tǒng)分為五個接收通道，分別為532nm P、532nm S、590nm、647nm和1064nm。其中532nm通道接收水下目標(biāo)的回波信號，647nm通道只接收水分子的回波信號，1064nm通道接收海面的回波信號，實現(xiàn)對海面高度和水下目標(biāo)的探測，通過目標(biāo)的后向散射特性等特征進一步實現(xiàn)不同目標(biāo)的區(qū)分。信號由高靈敏度的信號處理系統(tǒng)和處理軟件處理，采用多通道1GHz的采樣頻率，實現(xiàn)高精度回波時刻測量和回波強度測量，并進行回波波形分析。如圖4所示。

圖4 光學(xué)接收子系統(tǒng)組成

圖5 掃描光路示意圖

2.3 光學(xué)掃描子系統(tǒng)

為了對比測量回波信號的幅度，系統(tǒng)工作過程中要求激光束相對于海面具有相同的入射角度。采用圓掃描的方式，保證激光入射角相同，并獲得較高的掃描速度。掃描光路如圖5所示，光學(xué)元件由掃描棱鏡組成，其繞中心軸旋轉(zhuǎn)，使由上方垂直入射的激光光束能夠經(jīng)棱鏡偏折固定角度后向斜下方出射；同時，由下方同一角度返回的信號光能夠沿棱鏡陣列原路返回。

3 模擬試驗

3.1 設(shè)備整機

完成后的激光雷達設(shè)備整機如圖6所示，利用該設(shè)備，分別開展了垂直水槽和水平水槽中的溢油模擬探測試驗。

3.2 垂直水槽探測試驗

為了驗證激光雷達探測沉潛油方案的可行性，在垂直水槽進行了原理試驗，獲取水下模擬目標(biāo)的典型信號。測試目標(biāo)樣品分別選用泥沙（模擬水底回波信號）、水草（模擬綠藻信號）和海底溢油三種，如圖7所示。

圖6 設(shè)備整機圖

圖7下為試驗樣本激光雷達回波波形圖，橫坐標(biāo)為時間，單位為納秒（ns）；綠色和藍色曲線分別為532nm的P、S偏振通道回波信號；波形圖中，最后一個波峰為目標(biāo)樣本的回波，前一個波峰為試驗裝置中水面的激光回波，回波圖整體前面的波峰為激光雷達設(shè)備的內(nèi)部散射回波，可以作為激光發(fā)射時刻的參考信號。目標(biāo)的水下深度為

其中，為目標(biāo)與水面的激光回波時間間隔，c為真空中光速，N為海水折射率。經(jīng)計算，目標(biāo)深度為水下2.68m，與現(xiàn)場實測水深一致?；夭ㄐ盘枏姸却砟繕?biāo)表面的反射率，P、S偏振通道的差別代表目標(biāo)表面的消偏特性，目標(biāo)表面粗糙程度與消偏度成正比，由于激光雷達出射激光為P偏振態(tài)，S偏振通道中回波越強即消偏度越高。由波形可以看出，泥沙、水草、溢油樣本表面激光回波信號呈現(xiàn)出不同特征：泥沙表面粗糙度最高、消偏度很高，水草次之，而溢油目標(biāo)表面光滑、消偏度很低。溢油表面反射率較低，激光回波信號幅值最小，激光雷達回波信號特征與樣本表面目視特征一致。

3.3 水平水槽探測試驗

在水平水槽進行了深度模擬探測試驗，測試激光雷達最大探測深度。由于實際水槽的可用長度為20m，因此設(shè)計了光學(xué)折轉(zhuǎn)光路，使激光光束在水下往返，實現(xiàn)超過30m的模擬水深測試，如圖8所示。

圖8 水平水槽實驗現(xiàn)場、樣本及回波圖

根據(jù)圖8中的回波信號，由式（2）計算得出，泥沙模擬深度為水下10m，溢油模擬深度為水下6m，與現(xiàn)場實測距離一致。由于溢油表面反射率較低，其最大探測深度也較小。

3.4 試驗結(jié)果

由于溢油與泥沙、水草的表面特征不同，其激光的后向散射率也不同，溢油及泥沙等物質(zhì)呈現(xiàn)深色，對激光的吸收較強，其回波信號幅值較綠色的水草較低。在試驗中，泥沙樣本探測深度可以達到16m，沉潛油樣本深度探測約為10m~12m；另一方面，由于沉潛油樣本表面呈現(xiàn)為有一定光澤的較光滑表面，其對于532nm激光的消偏效果較泥沙的消偏效果小，通過532nm的P、S偏振通道信號可以判別，此特點可以在目標(biāo)識別中加以利用。

4 結(jié)束語

試驗結(jié)果表明，激光雷達可以實現(xiàn)對水下沉潛油的探測，但由于其表面后向散射率較低，實際探測深度較泥沙、水草等目標(biāo)的探測深度小，可以通過水下范圍掃描三維圖分析并初步識別沉潛油。后續(xù)可以繼續(xù)開展樣機的船載海上試驗，探索激光雷達發(fā)現(xiàn)、識別并測量沉潛油分布情況的能力，為進一步提升海洋沉潛油探測水平打下良好基礎(chǔ)。

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Exploration of submerged oil detection by Lidar

WANG Yu, ZHAO Yiming, PAN Chao, ZHANG Yushi, HAN Xiaoshuang

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100094, China）

At present, the level of ocean submerged oil research and control is still low, especially for detecting the distribution information of submerged oil within 30m, the main reason is the lack of fast and effective detection methods. The Beijing Research Institute of Telemetry developes a prototype of underwater detecting lidar, by using the good transmission characteristics of laser in seawater, it can be used for submerged oil detection, and for high-precision detection of other objects like seabed. The prototype carried out the simulated detection test of the submerged oil in the pool, collected and analyzed the typical laser echo signals of the samples, and measured depth. The results are basically in line with the designed expectations, which lays a good foundation for further improving the submerged oil detection capability of lidar.

Lidar; Submerged oil; Underwater detection

TN958.98

A

CN11-1780(2020)02-0036-07

國家重點研發(fā)計劃（2016YFC1402300）

2020-03-25

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

王 鈺 1987年生，博士，高級工程師，主要研究方向為激光雷達光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。

趙一鳴 1983年生，博士，研究員，主要研究方向為激光雷達總體設(shè)計。

潘 超 1981年生，碩士，研究員，主要研究方向為激光雷達總體設(shè)計。

張玉石 1987年生，碩士，工程師，主要研究方向為激光雷達光機結(jié)構(gòu)設(shè)計。

韓曉爽 1989年生，碩士，工程師，主要研究方向為激光雷達總體設(shè)計。