[发明专利]条纹管激光成像雷达海面回波畸变测量浅层海水衰减系数的遥感方法

权利要求书

1.条纹管激光成像雷达海面回波畸变测量浅层海水衰减系数的遥感方法，其特征在于它按以下步骤实现：

一、激光器产生光源，通过条纹管激光成像雷达的发射光学系统发射光功率的时域信号到海面；

激光器产生的光功率的时域信号为：

P0(t)=A0exp(t2σ2)---(1)]]>

其中，A₀为激光器固有光功率振幅；σ为激光脉宽的一半，t为信号的时域时间；

二、光反射回波由接收光学系统接收，通过窄带滤光片滤去杂光，使反射光照射到条纹管探测器上，条纹管探测器记录经过海平面畸变后的回波光，并通过条纹管激光器的A/D采集以及DSP处理，得到海平面回波的光功率信号；

三、利用海平面回波的光功率信号计算出浅层海水的衰减系数。

2.根据权利要求1所述的条纹管激光成像雷达海面回波畸变测量浅层海水衰减系数的遥感方法，其特征在于步骤二条纹管探测器记录经过海平面畸变后的回波信号并通过条纹管激光器的A/D采集以及DSP处理，得到海平面的回波的光功率信号具体为：

(一)条纹管探测器探测单元记录海表面散射光功率信号；

Pr(t)=A1exp((t-2t0)2σ2)exp(-k1·2Ct0)=A1exp((t-2H0C)2σ2)exp(-k1·2H0)---(2)]]>

A1=P0aπr2(Ct0)2T12---(3)]]>

其中，A₁为条纹管探测器单元接收到的海表面散射光振幅，t为信号的时域时间，t₀为光从激光器到海面所经历的时间，k₁为大气衰减系数，C为光速，H₀为装置距海面高度，σ为激光脉宽一半，a为散射光功率空间分布函数；T₁为光学系统单程透过率，k₁为大气衰减系数，A₀为激光器固有光功率振幅，r为条纹管探测器接收光学系统半径；

(二)条纹管探测器探测单元记录穿透海平面的散射光信号即水下后向散射光功率信号；

首先假定在水下某一点S处，激光产生后向散射，其后向散射被条纹管探测器单元接收到的光功率信号为：

Pb=(t,L)=A2exp(-(t-2t0-2t2)2σ2)exp(-2k1C(t-2t0))exp(-2k2CWt2)=·A2exp(-(t-2t0-2t2)2σ2)exp(-2k1H0)exp(-2k2L)=A2exp(-(t-2H0C-2nLC)2σ2)exp(-2k1H0)exp(-2k2L)---(4)]]>

其中，L为水面到S点距离；A₂为接收到后向散射光功率的振幅；n为折射率；k₂为浅层海水衰减系数；t₂为激光从海面到S点所经历的时间，C_W为激光在水中速度；

其振幅A₂表示为：

A2=P0T12T2T3T4bπr2(H0+nL)2---(5)]]>

其中，T₂为激光从空气进入海水的透过率；T₃为光线沿折射光线传播的比率；T₄为激光从海水到空气的透过率；b为海水体后向散射系数，P₀激光器峰值功率；

计算激光从进入海水一直传播到S点处产生的总的后向散射光功率回波信号为：

Pb(t)=∫0+∞Pb(t,L)dL=∫0+∞P0T12T2T3T4bπr2(H0+nL)2·exp(-(t-2H0C-2nLC)2σ2)exp(-2k1H0)exp(-2k2L)dL---(6)]]>

(三)条纹管探测器记录海平面回波的光功率信号即经过海平面畸变后的回波信号总功率为：

Pt(t)=P0aπr2H02T12exp(-(t-2H0C)2σ2)exp(-2k1H0)+∫0+∞P0T12T2T3T4bπr2(H0+nL)2·exp(-(t-2H0C-2nLC)2σ2)exp(-2k1H0)exp(-2k2L)dL---(7).]]>

3.根据权利要求2所述的条纹管激光成像雷达海面回波畸变测量浅层海水衰减系数的遥感方法，其特征在于步骤三利用海平面回波的光功率信号计算出浅层海水的衰减系数：

通过分离变量法得到：

P_t(t)＝P_t(P₁,P₂,H₀,t,k₂)＝P₁f(H₀,t)+P₂g(H₀,t,k₂)  (8)

其中，

P₁＝aT₁²P₀πr²  (9)

P₂＝P₀T₁²T₂T₃T₄b·πr²  (10)

f(H0,t)=1H02exp(-(t-2H0C)2σ2)exp(-2k1H0)---(11)]]>

g(H0,t,k2)=∫0+∞1(H0+nL)2·exp(-(t-2H0C-2nLC)2σ2)exp(-2k1H0)exp(-2k2L)dL---(12)]]>

假设在探测器中，实际探测的真实信号为G(t)，则该信号具有如下的特征：

Pp=G(2H1C)=G(t1)---(13)]]>

G′(t₁)＝0  (14)

∫0∞G(t)dt=Et---(15)]]>

其中，t₁为峰值时间；P_P为峰值功率；E_t为回波能量；G(t₁)实际探测信号的峰值功率，

G′(t₁)实际探测到的功率信号在t₁时刻的导数为0；

因此，P_t(t)函数需满足条件(13)，(14)，(15)；

P₁f′(H₀,t₁)+P₂g′(H₀,t₁,k₂)＝0      (16)

P₁f(H₀,t₁)+P₂g(H₀,t₁,k₂)＝P_p     (17)

P1∫0+∞f(H0,t)dt+P2∫0+∞g(H0,t,k2)dt=Et---(18)]]>

根据方程(16)-(18)，可以得出：

f(H0,t1)·g′(H0,t1,k2)-f′(H0,t1)·g(H0,t1,k2)∫0+∞f(H0,t)dt·g′(H0,t1,k2)-f′(H0,t1)·∫0+∞g(H0,t,k2)dt=Pp/Et---(19)]]>

P1=Pp·g′(H0,t1,k2)f(H0,t1)·g′(H0,t1,k2)-f′(H0,t1)·g(H0,t1,k2)---(20)]]>

P2=-Pp·f′(H0,t1)f(H0,t1)·g′(H0,t1,k2)-f′(H0,t1)·g(H0,t1,k2)---(21)]]>

其中，H₀，P₁，P₂，K₂为未知数，由(19)-(21)得到H₀，P₁，P₂关于k₂的表达式；得到H₀，P₁，P₂关于k₂的曲线；

引入函数S²，其表现为P_t(t)与函数G(t)的相似度：

S2=∫0∞(Ptotal(t)-G(t))2dt---(22)]]>

S²越小，P_t(t)与函数G(t)相似度越高；

将由方程组(19)-(21)得出的H₀，P₁，P₂关于k₂的变化规律，将这些数值代入方程(22)当S²取最小值时，得浅层海水衰减系数k₂。