本發(fā)明屬于海洋地形檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種利用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)海洋的海底地形進(jìn)行測(cè)量的方法。

背景技術(shù)：

機(jī)載激光雷達(dá)是一種激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)，它利用飛機(jī)攜帶激光發(fā)射器向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，并利用激光掃描儀接收返回的脈沖，由此獲取被測(cè)目標(biāo)的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息。目前，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用在海底地形、地貌的測(cè)繪、航道探測(cè)、水下目標(biāo)搜索等任務(wù)中。

在利用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量海底地形的過程中，海面誤差校正技術(shù)是提高測(cè)量精度的關(guān)鍵技術(shù)之一，它關(guān)系到海底地形測(cè)量中海底深度的測(cè)量精度和海底目標(biāo)點(diǎn)的位置精度?，F(xiàn)有的校正方法主要有兩種：一種是利用GPS測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，該方法是建立在GPS測(cè)量精度很高的前提下的，并且不考慮海面的波浪起伏對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響；另一種是海浪潮汐修正法，是根據(jù)預(yù)報(bào)的水位和潮位數(shù)，對(duì)海面高度進(jìn)行校正。

由于利用激光脈沖對(duì)海水進(jìn)行照射時(shí)，激光的入射平面與海平面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)夾角，即海面入射角，這個(gè)入射角會(huì)隨著海面的波浪起伏發(fā)生變化，從而帶入一定的誤差(位置誤差和深度誤差)，并且這個(gè)誤差會(huì)隨著海浪起伏的增大而變大，從而對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響?，F(xiàn)有的上述兩種校正方法由于都沒有將激光脈沖相對(duì)于海平面的入射角考慮進(jìn)去，因此必然會(huì)把海面入射角所產(chǎn)生的誤差帶入測(cè)量結(jié)果，從而影響海底地形的測(cè)量精度，導(dǎo)致測(cè)量出的海底地形與真實(shí)情況產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有基于機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的海底地形測(cè)量技術(shù)所存在的測(cè)量結(jié)果精確度差的問題，提出了一種海面誤差校正方法，同樣利用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)海底地形進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)海面入射角引入的誤差進(jìn)行校正，從而有效克服了海面波浪起伏對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響，實(shí)現(xiàn)了海底地形的高精度測(cè)量。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種基于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量海底地形的海面誤差校正方法，包括：利用機(jī)載激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖，照射目標(biāo)海域；利用激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)采集激光脈沖入射到海面形成的海面回波脈沖和入射到海底形成的海底回波脈沖；根據(jù)所述海面回波脈沖生成三維海面數(shù)據(jù)，在所述三維海面數(shù)據(jù)中包含有回波脈沖點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)以及激光雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)M距離海平面的高度H；選擇海面回波脈沖中的每一個(gè)回波脈沖點(diǎn)作為海面入射點(diǎn)o，以所述激光雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)M為坐標(biāo)原點(diǎn)、飛機(jī)的飛行方向?yàn)閄軸建立空間直角坐標(biāo)系，計(jì)算所述海面入射點(diǎn)o在所述空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X,Y,Z)；確定所述海面入射點(diǎn)o所在海平面的切面以及所述切面的法線，建立起以所述海面入射點(diǎn)o為坐標(biāo)原點(diǎn)、以所述海平面的切面為XOY面的三維海面坐標(biāo)系；在所述三維海面坐標(biāo)系中，計(jì)算所述海面入射點(diǎn)o所對(duì)應(yīng)的激光脈沖入射到海水中所形成的入射角α和折射角β；在所述空間直角坐標(biāo)系中，根據(jù)所述入射角α、折射角β、折射光線的入射距離L’以及所述海面入射點(diǎn)o的坐標(biāo)(X,Y,Z)計(jì)算海底反射點(diǎn)N的坐標(biāo)(X¹，Y¹，Z¹)以及海底深度h；根據(jù)海平面高度△h校正所述海底深度h，得出海底深度校正值h¹，形成海底地形數(shù)據(jù)。

為了方便地獲得所述的海面回波脈沖和海底回波脈沖，本發(fā)明設(shè)計(jì)所述機(jī)載激光發(fā)射器同時(shí)發(fā)射1064nm和532nm兩種波長(zhǎng)的激光脈沖，分別照射目標(biāo)海域；所述激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)采集1064nm波長(zhǎng)的激光回波脈沖，形成所述的海面回波脈沖；采集532nm波長(zhǎng)的激光回波脈沖，形成所述的海底回波脈沖。

優(yōu)選的，所述海面入射點(diǎn)o在所述空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X,Y,Z)優(yōu)選采用以下公式計(jì)算生成：

X＝Lsinγcosδ

Y＝Lsinγsinδ

Z＝Lcosγ；

其中，L是激光雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)M到海面入射點(diǎn)o之間的距離；γ是天頂角；δ是所述海面入射點(diǎn)o所對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)發(fā)射光在水平方向的投影與飛機(jī)飛行方向的夾角。

作為所述三維海面坐標(biāo)系的一種優(yōu)選構(gòu)建方式，以所述海面入射點(diǎn)o為交點(diǎn)，形成x線和y線；其中，x線與飛機(jī)的飛行方向平行，且由飛機(jī)飛行方向上的相鄰海面回波脈沖點(diǎn)的連線形成；y線是與x線不同方位且由在該方位上的相鄰海面回波脈沖點(diǎn)的連線形成；選取x線上包括所述海面入射點(diǎn)o在內(nèi)的連續(xù)的n個(gè)脈沖點(diǎn)，分別記為x1、x2、x3、x4、x5、……、xo、……、xn-4、xn-3、xn-2、xn-1、xn，所述n個(gè)脈沖點(diǎn)的坐標(biāo)為：

X_xi＝L_xisinγcosδ_xi+vt_xi

Y_xi＝L_xisinγsinδ_xi

Z_xi＝L_xicosγ；

其中，L_xi是第i個(gè)脈沖點(diǎn)xi所對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)發(fā)射光入射到海面的入射距離；δ_xi是第i個(gè)脈沖點(diǎn)xi所對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)發(fā)射光在水平方向的投影與飛機(jī)飛行方向的夾角；v是飛機(jī)的飛行速度；t_xi是第i個(gè)脈沖點(diǎn)xi與海面入射點(diǎn)o之間的飛機(jī)飛行的時(shí)間差，且t_xo＝0；選取y線上包括所述海面入射點(diǎn)o在內(nèi)的連續(xù)的m個(gè)脈沖點(diǎn)，分別記為y1、y2、y3、y4、y5、……、yo、……、ym-4、ym-3、ym-2、ym-1、ym，所述m個(gè)脈沖點(diǎn)的坐標(biāo)為：

X_yj＝L_yjsinγcosδ_yj+vt_yj

Y_yj＝L_yjsinγsinδ_yj

Z_yj＝L_yjcosγ；

其中，L_yj是第j個(gè)脈沖點(diǎn)yj所對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)發(fā)射光入射到海面的入射距離；δ_yj是第j個(gè)脈沖點(diǎn)yj所對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)發(fā)射光在水平方向的投影與飛機(jī)飛行方向的夾角；t_yj是第j個(gè)脈沖點(diǎn)yj與海面入射點(diǎn)o之間的飛機(jī)飛行的時(shí)間差，且t_yo＝0；利用x線上的所述n個(gè)脈沖點(diǎn)的坐標(biāo)采用最小二乘法進(jìn)行擬合，形成ox曲線；利用y線上的所述m個(gè)脈沖點(diǎn)的坐標(biāo)采用最小二乘法進(jìn)行擬合，形成oy曲線；根據(jù)所述ox曲線和oy曲線分別求出兩條曲線在入射點(diǎn)o的切線，形成以海面入射點(diǎn)o為坐標(biāo)原點(diǎn)O的三維海面坐標(biāo)系的OX軸和OY軸；將OX軸和OY軸所形成的XOY面的法線作為Z軸，形成所述的三維海面坐標(biāo)系。

作為所述入射角α的一種優(yōu)選獲取方式，設(shè)定所述入射角α為激光脈沖與所述Z軸的夾角，采用夾角公式cosα＝a·b/|a|·|b|計(jì)算生成；其中，a是所述L在所述三維海面坐標(biāo)系中的單位向量，b是所述三維海面坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸Z在所述三維海面坐標(biāo)系中的單位向量。

作為所述折射角β的一種優(yōu)選獲取方式，所述折射角β采用折射率公式計(jì)算生成；其中，η₀為空氣的折射率，η₁為海水的折射率。

優(yōu)選的，所述海底反射點(diǎn)N在所述空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X¹，Y¹，Z¹)優(yōu)選根據(jù)以下公式計(jì)算生成：

X¹＝X+L’sin(β+γ-α)cosδ

Y¹＝Y(jié)+L’sin(β+γ-α)sinδ

Z¹＝Z+L’cos(β+γ-α)。

由此，即可計(jì)算出海底深度h＝Z¹-Z＝L’cos(β+γ-α)。

優(yōu)選的，所述海平面高度△h優(yōu)選根據(jù)飛機(jī)上的GPS系統(tǒng)檢測(cè)到的飛行高度H’結(jié)合所述三維海面數(shù)據(jù)中的高度H計(jì)算而成。

為了提高所述海平面高度△h的準(zhǔn)確性，優(yōu)選根據(jù)所述三維海面數(shù)據(jù)中的每一個(gè)脈沖點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的GPS定位的飛行高度H’和所述三維海面數(shù)據(jù)中記錄的高度H，分別求解出相應(yīng)的海平面高度△h1、△h2、△h3……△hp，p為所述海面回波脈沖的個(gè)數(shù)；求取△h1、△h2、△h3……△hp的平均值，作為最終的海平面高度△h。

進(jìn)一步的，根據(jù)所述最終的海平面高度△h校正所述海底深度h，得到所述海底深度校正值h¹＝h-△h。

優(yōu)選的，在得到所述海底深度校正值h¹后，優(yōu)選執(zhí)行以下過程形成所述的海底地形數(shù)據(jù)，即：根據(jù)所述海底反射點(diǎn)N的坐標(biāo)X¹和Y¹結(jié)合GPS定位數(shù)據(jù)換算成經(jīng)緯度坐標(biāo)x¹、y¹，生成海底反射點(diǎn)N的三維空間坐標(biāo)(x¹，y¹，h¹)；針對(duì)激光脈沖在海底形成的每一個(gè)海底反射點(diǎn)，分別生成三維空間坐標(biāo)，以形成最終的海底地形數(shù)據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：本發(fā)明基于機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量海底地形，針對(duì)測(cè)量過程中因激光入射角引入的測(cè)量誤差提出海面誤差校正方法，從而有效校正因海面波浪起伏所引起的誤差，解決了傳統(tǒng)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量海底地形精度差的問題，實(shí)現(xiàn)了海底地形的精確測(cè)量。

結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實(shí)施方式的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提出的基于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量海底地形的海面誤差校正方法的一種實(shí)施例的處理流程圖；

圖2是機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)接收到的激光回波脈沖點(diǎn)的一種實(shí)施例的示意圖；

圖3是激光雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)、海面入射點(diǎn)、海底反射點(diǎn)在三維海面坐標(biāo)系中的幾何關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)地描述。

本實(shí)施例在利用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)海域的海底地形進(jìn)行測(cè)量的過程中，引入海面誤差校正技術(shù)，根據(jù)激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)采集到的激光回波脈沖形成海面數(shù)據(jù)網(wǎng)格，建立三維海面數(shù)據(jù)；將海面數(shù)據(jù)網(wǎng)格中的每一個(gè)脈沖點(diǎn)作為海面入射點(diǎn)形成兩條相交于所述入射點(diǎn)的曲線，根據(jù)平面定理可知，利用兩條相交曲線的切線可以確定出海面入射點(diǎn)所在曲面的切面，切面的法線就是入射光的法線；根據(jù)法線和入射光確定激光入射角，根據(jù)折射公式可以求得折射角，進(jìn)而結(jié)合折射角、海面入射點(diǎn)在三維海平面的位置以及海底回波距離即可校正海面波浪對(duì)海底深度計(jì)算結(jié)果的影響，達(dá)到提高機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量海底地形精度的目的。

下面結(jié)合圖1-圖3，對(duì)本實(shí)施例的基于機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量海底地形的海面誤差校正方法的具體設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行詳細(xì)地闡述，包括以下步驟：

S101、設(shè)定機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作參數(shù)；

在本實(shí)施例中，可以根據(jù)海底地形的測(cè)量精度要求，對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作參數(shù)進(jìn)行初始設(shè)定。例如，可以對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的掃描頻率、激光脈沖的發(fā)射頻率以及飛機(jī)的飛行高度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。作為本實(shí)施例的一種優(yōu)選設(shè)計(jì)方案，優(yōu)選設(shè)定機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的掃描頻率為20Hz、激光脈沖的發(fā)射頻率為1000Hz、飛機(jī)的飛行高度在100-500米之間。在設(shè)定激光脈沖的發(fā)射頻率時(shí)，應(yīng)使其遠(yuǎn)高于激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的掃描頻率，這樣可以保證激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)在每個(gè)掃描周期內(nèi)都能夠采集到足夠多的激光回波脈沖，從而滿足測(cè)量精度的要求。

S102、利用激光發(fā)射器對(duì)目標(biāo)海域發(fā)射激光脈沖，并啟動(dòng)激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)采集激光回波脈沖，獲得原始信號(hào)；

在本實(shí)施例中，可以通過激光發(fā)射器同時(shí)發(fā)射兩種波長(zhǎng)的激光脈沖：一種為1064nm激光；一種為532nm激光。由于1064nm的紅外光因無法穿透海水而被海面直接反射回來，因此可以利用紅色的激光脈沖測(cè)量海面數(shù)據(jù)；而由于海水對(duì)532nm的藍(lán)綠光具有較高的透射性，因此可以利用藍(lán)綠色的激光脈沖測(cè)量海底數(shù)據(jù)。利用激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)采集紅色的激光脈沖照射到海面時(shí)產(chǎn)生的海面回波脈沖，可以獲得反映海面位置的原始信號(hào)；利用激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)采集藍(lán)綠色的激光脈沖照射到海底時(shí)產(chǎn)生的海底回波脈沖，可以獲得反映海底位置的原始信號(hào)。

所述激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)可以是定角圓錐掃描，也可以是掃描振鏡的Z字形掃描或者其他掃描方式。本實(shí)施例以定角圓錐掃描為例進(jìn)行說明，若設(shè)置激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的掃描頻率為20Hz、激光發(fā)射器的發(fā)射頻率為1000Hz，那么激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)每50毫秒掃描一圈，每圈可掃描到50個(gè)回波脈沖，如圖2所示，D為飛機(jī)的飛行方向，圖2中每一個(gè)點(diǎn)即表示掃描到的一個(gè)激光回波脈沖點(diǎn)。對(duì)于同時(shí)發(fā)射頻率為1000Hz的紅色激光脈沖和藍(lán)綠色激光脈沖的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，則激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)每掃描一圈，可獲得50個(gè)紅色激光回波脈沖(即海面回波脈沖)和50個(gè)藍(lán)綠色激光回波脈沖(即海底回波脈沖)，即形成每圈100個(gè)回波脈沖點(diǎn)的螺線管狀的掃描圖樣。

S103、對(duì)獲得的原始信號(hào)進(jìn)行處理，生成三維海面數(shù)據(jù)；

在本實(shí)施例中，可以根據(jù)掃描獲得的海面回波脈沖點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)網(wǎng)格，并結(jié)合紅色激光脈沖的入射距離L(即激光雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)M到海面入射點(diǎn)的距離L)換算出激光雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)M到海面的距離，即高度H，從而建立三維海面數(shù)據(jù)。

對(duì)建立的三維海面數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)誤差(包括飛機(jī)姿態(tài)誤差等誤差)進(jìn)行校正，以得出系統(tǒng)誤差校正后的三維海面數(shù)據(jù)。本實(shí)施例后面所使用到的三維海面數(shù)據(jù)均為校正后的數(shù)據(jù)。

S104、選擇海面入射點(diǎn)o，建立以激光雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)M為原點(diǎn)、以飛機(jī)的飛行方向?yàn)閄軸的空間直角坐標(biāo)系，并計(jì)算出所述海面入射點(diǎn)o在所述空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；

在圖2所示的激光回波脈沖點(diǎn)的圖像中，每一個(gè)海面回波脈沖點(diǎn)均為紅色激光脈沖入射到海面上時(shí)的海面入射點(diǎn)，選擇其中一個(gè)海面入射點(diǎn)o，計(jì)算其在空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X,Y,Z)。具體來講，可以以激光雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)M作為坐標(biāo)原點(diǎn)、飛機(jī)的飛行方向作為X軸建立所述的空間直角坐標(biāo)系，根據(jù)所述海面入射點(diǎn)o所對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)發(fā)射光在水平方向的投影與飛機(jī)飛行方向的夾角δ(以下稱方位角δ)、天頂角γ以及所述激光雷達(dá)發(fā)射光的入射距離L(即激光雷達(dá)發(fā)射點(diǎn)M到海面入射點(diǎn)o之間的距離)，計(jì)算出海面入射點(diǎn)o在所述空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X,Y,Z),公式如下：

X＝Lsinγcosδ

Y＝Lsinγsinδ

Z＝Lcosγ。

S105、確定所述海面入射點(diǎn)o所在海平面的切面以及該切面的法線，從而建立三維海面坐標(biāo)系，如圖3所示；

在本實(shí)施例中，對(duì)于所述海平面的切面，可以采用以下方法確定：

在圖2中，以入射點(diǎn)o為交點(diǎn)，形成x線和y線。其中，x線與飛機(jī)的飛行方向平行，是由飛機(jī)飛行方向上的相鄰海面回波脈沖點(diǎn)的連線形成的；y線是與x線不同方位且由在該方位上的相鄰海面回波脈沖點(diǎn)的連線形成的。由于海面海浪的一個(gè)起伏周期一般在1秒-30秒之間，例如，在20Hz的掃描頻率下，一個(gè)海浪起伏周期內(nèi)將有20-600個(gè)掃描點(diǎn)，因此完全可以選取入射點(diǎn)o前后的合適個(gè)數(shù)的脈沖點(diǎn)形成所述的x線和y線。本實(shí)施例優(yōu)選將入射點(diǎn)o前后的至少5個(gè)海面回波脈沖點(diǎn)連接，形成所述的x線和y線。

對(duì)于各脈沖點(diǎn)的坐標(biāo)，可以采用以下方法計(jì)算生成：

選取x線上連續(xù)的n個(gè)脈沖點(diǎn)，分別記為x1、x2、x3、x4、x5、……、xo、……、xn-4、xn-3、xn-2、xn-1、xn，所述n個(gè)脈沖點(diǎn)的坐標(biāo)可以表示為：

X_xi＝L_xisinγcosδ_xi+vt_xi

Y_xi＝L_xisinγsinδ_xi

Z_xi＝L_xicosγ。

其中，L_xi是第i個(gè)脈沖點(diǎn)xi所對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)發(fā)射光入射到海面的入射距離；δ_xi是第i個(gè)脈沖點(diǎn)xi所對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)發(fā)射光在水平方向的投影與飛機(jī)飛行方向的夾角；v是飛機(jī)的飛行速度；t_xi是第i個(gè)脈沖點(diǎn)xi與海面入射點(diǎn)o之間的飛機(jī)飛行的時(shí)間差。在所述空間直角坐標(biāo)系中，海面入射點(diǎn)o(即脈沖點(diǎn)xo)的時(shí)間為零，海面入射點(diǎn)o前后其他脈沖點(diǎn)xi的時(shí)間t_xi代表該脈沖點(diǎn)xi與海面入射點(diǎn)o之間的時(shí)間差。

同理，選取y線上連續(xù)的m個(gè)脈沖點(diǎn)，分別記為y1、y2、y3、y4、y5、……、yo、……、ym-4、ym-3、ym-2、ym-1、ym，所述m個(gè)脈沖點(diǎn)的坐標(biāo)可以表示為：

X_yj＝L_yjsinγcosδ_yj+vt_yj

Y_yj＝L_yjsinγsinδ_yj

Z_yj＝L_yjcosγ。

其中，L_yj是第j個(gè)脈沖點(diǎn)yj所對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)發(fā)射光入射到海面的入射距離；δ_yj是第j個(gè)脈沖點(diǎn)yj所對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)發(fā)射光在水平方向的投影與飛機(jī)飛行方向的夾角；v是飛機(jī)的飛行速度；t_yj是第j個(gè)脈沖點(diǎn)yj與海面入射點(diǎn)o之間的飛機(jī)飛行的時(shí)間差。在所述空間直角坐標(biāo)系中，海面入射點(diǎn)o(即脈沖點(diǎn)yo)的時(shí)間為零，海面入射點(diǎn)o前后其他脈沖點(diǎn)yj的時(shí)間t_yj代表該脈沖點(diǎn)yj與海面入射點(diǎn)o之間的時(shí)間差。由于x線和y線上的海面回波脈沖點(diǎn)分別在不同的平面內(nèi)，因此可以利用x線上的所述n個(gè)脈沖點(diǎn)的坐標(biāo)(X_xi，Y_xi，Z_xi)采用最小二乘法進(jìn)行擬合，以形成ox曲線。同理，可以利用y線上的所述m個(gè)脈沖點(diǎn)的坐標(biāo)(X_yj，Y_yj，Z_yj)采用最小二乘法進(jìn)行擬合，以形成oy曲線。根據(jù)獲得的ox曲線和oy曲線分別求出兩條曲線在海面入射點(diǎn)o的切線，形成以海面入射點(diǎn)o為坐標(biāo)原點(diǎn)O的三維海面坐標(biāo)系的OX軸和OY軸，如圖3所示。其中，OX軸和OY軸所形成的XOY面即為海面的切面，將海面切面的法線作為Z軸，形成所述的三維海面坐標(biāo)系。在所述三維海面坐標(biāo)系中，X軸和Y軸可以是不正交的。

S106、在所述三維海面坐標(biāo)系中，計(jì)算所述海面入射點(diǎn)o所對(duì)應(yīng)的激光脈沖入射到海水中所形成的入射角α和折射角β；

本實(shí)施例根據(jù)構(gòu)建的三維海面坐標(biāo)系計(jì)算激光脈沖的入射角α，如圖3所示，所述入射角α為激光脈沖與Z軸的夾角，可以根據(jù)如下夾角公式計(jì)算生成：

cosα＝a·b/|a|·|b|；

即cosα等于向量a、b的數(shù)量積與向量a、b的模之積的比值。其中，a是所述海面入射點(diǎn)o所對(duì)應(yīng)的紅色激光脈沖測(cè)得的入射距離L在所述三維海面坐標(biāo)系中的單位向量；b是三維海面坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸Z在所述三維海面坐標(biāo)系中的單位向量。

根據(jù)計(jì)算出的入射角α結(jié)合折射率公式計(jì)算出激光脈沖的折射角β，即：

$sin\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{sin\α\η}}_0}{\mathrm{\η}1};$

其中，η₀為空氣的折射率，η₁為海水的折射率。

S107、計(jì)算海底深度h以及海底反射點(diǎn)N在所述空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X¹，Y¹，Z¹)；

在本實(shí)施例中，可以根據(jù)海面反射點(diǎn)o在所述空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)、方位角δ、天頂角γ、入射角α、折射角β以及折射光線的入射距離L’(即海面入射點(diǎn)o到海底反射點(diǎn)N之間的距離，可以根據(jù)與所述海面入射點(diǎn)o相對(duì)應(yīng)的紅色激光脈沖同時(shí)發(fā)射的藍(lán)綠色激光脈沖采集到的海底回波脈沖獲得)，求解出海底反射點(diǎn)N在所述空間直角坐標(biāo)系中的相對(duì)位置(X¹，Y¹，Z¹)，即：

X¹＝X+L’sin(β+γ-α)cosδ

Y¹＝Y(jié)+L’sin(β+γ-α)sinδ

Z1＝Z+L’cos(β+γ-α)。

由此，海底深度h＝Z¹-Z＝L’cos(β+γ-α)。

本實(shí)施例在三維海面坐標(biāo)系中計(jì)算折射角β，利用折射角β計(jì)算海底深度h以及海底反射點(diǎn)N在空間直角坐標(biāo)系中的相對(duì)位置(X¹，Y¹，Z¹)，從而校正了波浪起伏所引起的折射角誤差。

S108、計(jì)算海平面高度△h，根據(jù)海平面高度△h校正海底深度h，得到海底深度校正值h¹；

在本實(shí)施例中，所述海平面高度△h即海平面到海拔零點(diǎn)之間的距離，可以利用飛機(jī)的GPS數(shù)據(jù)結(jié)合上述步驟S103中獲得的三維海面數(shù)據(jù)計(jì)算生成。具體來講，假設(shè)飛機(jī)上的GPS系統(tǒng)定位飛機(jī)的飛行高度為H’，而三維海面數(shù)據(jù)中記錄的高度為H，則海平面高度△h＝H’-H。利用三維海面數(shù)據(jù)中的每一個(gè)脈沖點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的GPS定位高度H’和所述三維海面數(shù)據(jù)中記錄的高度H，分別求解出相應(yīng)的海平面高度△h1、△h2、△h3……△hp，p為所述海面回波脈沖的個(gè)數(shù)；求取△h1、△h2、△h3……△hp的平均值，作為最終的海平面高度△h。

利用最終求取出的海平面高度△h校正海底深度h，得到海底深度校正值h¹，即h¹＝h-△h。

S109、生成海底反射點(diǎn)N的三維空間坐標(biāo)；

在本實(shí)施例中，可以結(jié)合海底反射點(diǎn)N在所述空間直角坐標(biāo)系中的相對(duì)位置(X¹，Y¹，Z¹)以及海底深度校正值h¹，得到海底反射點(diǎn)N的精確坐標(biāo)(X¹，Y¹，h¹)。其中，坐標(biāo)X¹和Y¹可以結(jié)合GPS定位數(shù)據(jù)換算成經(jīng)緯度坐標(biāo)x¹、y¹，由此便可以生成海底反射點(diǎn)N的三維空間坐標(biāo)(x¹，y¹，h¹)。所述三維空間坐標(biāo)即表示包含經(jīng)度、緯度、海拔的三維坐標(biāo)。

S110、針對(duì)激光脈沖在海底形成的每一個(gè)海底反射點(diǎn)，分別生成三維空間坐標(biāo)，形成海底地形數(shù)據(jù)。

在本實(shí)施例中，可以針對(duì)每一個(gè)海底回波脈沖計(jì)算出其海底反射點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底地形的準(zhǔn)確測(cè)量。

本實(shí)施例的海底地形測(cè)量方法根據(jù)折射角和入射點(diǎn)在三維海平面的位置，并結(jié)合海底回波距離，對(duì)海面波浪的影響進(jìn)行校正，從而提高了機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)海底地形測(cè)量的精度。

當(dāng)然，以上所述僅是本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。