激光水深测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种激光水深测量系统及方法，系统包括：蓝/绿相位激光测距装置，用于测量蓝/绿激光出射口至水底的单程光程L；红外/近红外相位激光测距装置，与蓝/绿相位激光测距装置并列放置，用于测量红外/近红外激光出射口至水面的单程光程L1；姿态传感器，用于测量系统的姿态角θ1及其分量；GPS模块，用于测量系统的定位信息；主控单元，分别与蓝/绿激光测距装置、红外/近红外激光测距装置、姿态传感器、GPS模块连接，用于根据光程L、光程L1、姿态角θ1计算待测水深H，并根据光程L、光程L1、姿态角θ1及定位信息计算待测水深位置对应的经纬度。本发明专利技术设计简单，成本低，实现小型无人机搭载，测深精度高，单人即可测量。单人即可测量。单人即可测量。

【技术实现步骤摘要】
激光水深测量系统及方法


[0001]本专利技术属于激光探测
，涉及激光测深技术，具体地说，涉及一种激光水深测量系统及方法。

技术介绍

[0002]岛礁地形测绘具有重要意义，但现有大型测量船的声学测量设备无法进入浅海，而小型无人机艇由于随波浪倾斜严重，无法实现顺利测量。目前新发展起来的机载激光测深系统可以实现浅海与岛礁的地形测绘，普遍采用的激光测距方法为脉冲激光测距方法和三角测距方法进行激光测深。
[0003]脉冲测距方法，激光峰值功率高，满足国际海道测量规范IHO
‑
44的要求，可达到在海水衰减系数优于0.2m
‑1时，能在白天达到50m的穿透能力，是目前最常用的方法。例如：公开号为CN111780726A的中国专利申请公开的一种海洋激光测深方法及系统和公开公开号为CN111551952A的中国专利申请公开的一种水深测量激光数据的提取方法、水深测量方法及装置，均采用脉冲法进行激光测深。但由于该方法采用大能量激光光源，大口径接收镜头，其测距分辨率与脉冲宽度相关，分辨率一般为米级或分米级，要实现高精度水深测量，需采用半导体泵浦的倍频固体激光器，并加以调Q实现窄脉冲激光输出；供电功率与激光功率大，供电量要求大，增加了调Q与倍频模块，造成设备尺寸重量较大，设备造价高，控制与结构组成复杂，需要大型飞机搭载测量，难以实现多旋翼小型无人机搭载。另外，还需要高速数据采集，成本高。也就是说，脉冲测距方法虽然测深深度大(约50m)，但也造成了设备笨重，系统造价高，需要采用大型飞机进行搭载测量，测量流程复杂，费时费力，对飞行技术要求高。
[0004]三角测距方法，采用成像方法测深。例如：公开号为CN1307228A的中国专利公开的一种高精度便携式海基激光测深方法及装置，其采用三角法进行激光测深。但三角法激光测深时，测深深度非常有限，无法满足实际需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术存在的测深方法存在的设备结构复杂、成本高等上述问题，提供了一种激光水深测量系统及方法，采用相位测距，测距深度满足大部分浅水深度要求，且设计简单，成本低，实现小型化旋翼无人机搭载，测深精度高，可实现随时随地单人测量。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种激光水深测量系统，安装于小型无人机底部，包括：
[0007]蓝/绿相位激光测距装置，用于测量蓝/绿激光出射口至水底的单程光程L；
[0008]红外/近红外相位激光测距装置，与蓝/绿相位激光测距装置并列放置，用于测量红外/近红外激光出射口至水面的单程光程L1；
[0009]姿态传感器，用于测量激光水深测量系统的姿态角θ1及姿态角θ1的经度方向分量和纬度方向分量；
[0010]GPS模块，用于测量激光水深测量系统的定位信息；
[0011]主控单元，分别与蓝/绿相位激光测距装置、红外/近红外相位激光测距装置、姿态传感器、GPS模块连接，用于根据光程L、光程L1、姿态角θ1计算待测水深H，并根据光程L、光程L1、姿态角θ1及定位信息计算待测水深位置对应的经纬度。
[0012]优选的，根据光程L、光程L1、姿态角θ1计算待测水深H的具体方法为：
[0013]根据蓝/绿激光在水中部分的单程光程L2和蓝/绿激光射入水面后折射角θ2计算待测水深H，表示为：
[0014]H＝L2×
cosθ2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015]又：
[0016]L2＝(L
‑
L1)/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]θ2＝arcsin(sinθ1/n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0018]则有：
[0019]H＝(L
‑
L1)/n
×
cos[arcsin(sinθ1/n)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0020]式中，n为水的折射率。
[0021]优选的，根据光程L、光程L1、姿态角θ1及定位信息计算待测水深位置对应的经纬度的方法为：
[0022]通过公式(5)和公式(6)计算待测水深位置对应的经纬度，公式(5)和公式(6)表示为：
[0023]x＝X+L
1X
×
sinθ
1X
+L
2X
×
sinθ
2X
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0024]y＝Y+L
1Y
×
sinθ
1Y
+L
2Y
×
sinθ
2Y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0025]式中，x为待测水深位置的纬度，y为待测水深位置的经度；X为由GPS模块测得的纬度，Y为由GPS模块测得的经度；θ
1X
为姿态角θ1在纬度方向的分量，θ
1Y
为姿态角θ1在经度方向的分量，由姿态传感器直接获得；L
1X
为光程L1在纬线与垂直水面的垂线构成的面上的分量，L
1Y
为光程L1在经线与垂直水面的垂线构成的面上的分量，由光程L1、分量θ
1X
和分量θ
1Y
计算获得；θ
2X
为折射角θ2在纬度方向的分量，θ
2Y
为折射角θ2在经度方向的分量，由分量θ
1X
、分量θ
1Y
与水的折射率n计算获得；L
2X
为光程L2在纬线与垂直水面的垂线构成的面上的分量，L
2Y
为光程L2在经线与垂直水面的垂线构成的面上的分量，由光程L2、分量θ
2X
和分量θ
2Y
计算获得。
[0026]优选的，所述主控单元包括：
[0027]主控制板；
[0028]控制模块，设于主控制板上，分别与蓝/绿相位激光测距装置、红外/近红外相位激光测距装置连接；
[0029]计算模块，设于主控制板上，分别与蓝/绿相位激光测距装置、红外/近红外相位激光测距装置、姿态传感器、GPS模块连接，用于根据光程L、光程L1、姿态角θ1计算待测水深H，并根据光程L、光程L1、姿态角θ1及定位信息计算待测水深位置对应的经纬度。
[0030]进一步的，还包括存储器，所述存储器与计算模块连接，用于存储计算模块计算得到的待测水深H、待测水深位置对应的经纬度及时间。
[0031]进一步的，还包括壳体，所述蓝/绿相位激光测距装置、红外/近红外相位激光测距装置、姿态传感器、GPS模块、存储器均放置于壳体内。
[0032]为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种激光水深测量方法，基于上述激光水深测量系统，其具体步骤为：
[0033]蓝/绿相位激光测距装置测量蓝/绿激光出射口至水底的单程光程L；
[0034]红外/近红外相位激光测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光水深测量系统，安装于小型无人机底部，其特征在于，包括：蓝/绿相位激光测距装置，用于测量蓝/绿激光出射口至水底的单程光程L；红外/近红外相位激光测距装置，与蓝/绿相位激光测距装置并列放置，用于测量红外/近红外激光出射口至水面的单程光程L1；姿态传感器，用于测量激光水深测量系统的姿态角θ1及姿态角θ1的经度方向分量和纬度方向分量；GPS模块，用于测量激光水深测量系统的定位信息；主控单元，分别与蓝/绿激光测距装置、红外/近红外激光测距装置、姿态传感器、GPS模块连接，用于根据光程L、光程L1、姿态角θ1计算待测水深H，并根据光程L、光程L1、姿态角θ1及定位信息计算待测水深位置对应的经纬度。2.如权利要求1所述的激光水深测量系统，其特征在于，根据光程L、光程L1、姿态角θ1计算待测水深H的具体方法为：根据蓝/绿激光在水中部分的单程光程L2和蓝/绿激光射入水面后折射角θ2计算待测水深H，表示为：H＝L2×
cosθ2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)又：L2＝(L
‑
L1)/n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)θ2＝arcsin(sinθ1/n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)则有：H＝(L
‑
L1)/n
×
cos[arcsin(sinθ1/n)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，n为水的折射率。3.如权利要求2所述的激光水深测量系统，其特征在于，根据光程L、光程L1、姿态角θ1及定位信息计算待测水深位置对应的经纬度的方法为：通过公式(5)和公式(6)计算待测水深位置对应的经纬度，公式(5)和公式(6)表示为：x＝X+L
1X
×
sinθ
1X
+L
2X
×
sinθ
2X
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)y＝Y+L
1Y
×
sinθ
1Y
+L
2Y
×
sinθ
2Y
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式中，x为待测水深位置的纬度，y为待测水深位置的经度；X为由GPS模块测得的纬度，Y为由GPS模块测得的经度；θ
1X
为姿态角θ1在纬度方向的分量，θ
1Y
为姿态角θ1在经度方向的分量，由姿态传感器直接获得；L
1X
为光程L1在纬线与垂直水面的垂线构成的面上的分量，L
1Y
为光程L1在经线与垂直水面的垂线构成的面上的分量，由光程L1、分量θ
1X
和分量θ
1Y
计算获得；θ
2X
为折射角θ2在纬度方向的分量，θ
2Y
为折射角θ2在经度方向的分量，由分量θ
1X
、分量θ
1Y
与水的折射率n计算获得；L
2X
为光程L2在纬线与垂直水面的垂线构成的面上的分量，L
2Y
为光程L2在经线与垂直水面的垂线构成的面上的分量，由光程L2、分量θ
2X
和分量θ
2Y
计算获得。4.如权利要求1至3任意一项所述的激光水深测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡德信，刘保华，尹航，柴瀛，毕显斌，杨磊，卢泽宇，张孟，徐洪军，
申请(专利权)人：青岛海洋科学与技术国家实验室发展中心，
类型：发明
国别省市：