《单波段水深探测激光雷达原理（上册）》系统介绍了单波段激光雷达水深探测硬件，包括水深探测原理、发射光学系统、光学接收系统、回波信号探测、综合控制系统与整机集成、回波信号波形分解等内容，并利用大量的真实实验数据、图片等描述了仪器测试和验证的过程。《单波段水深探测激光雷达原理（上册）》不仅为读者详尽介绍了相关理论和技术，也为读者提供了测试和验证单波段测深激光雷达的**手资料。《单波段水深探测激光雷达原理（上册）》的出版填补了国内外该领域学术专著的空白。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.1.1 背景 1
1.1.2 水深探测回顾 1
1.1.3 卫星多光谱测量水下地形 2
1.1.4 声呐测量水下地形 3
1.1.5 水深探测激光雷达 7
1.2 激光雷达水深测量发展与现状 9
1.2.1 国外发展历程 10
1.2.2 国内发展历程 14
1.3 激光雷达水深测量系统组成 18
1.4 本章小结 19
参考文献 20
第2章 单波段激光雷达水深探测原理 24
2.1 引言 24
2.2 单波段激光脉冲不同介质传输理论 25
2.2.1 大气中激光传输理论 25
2.2.2 大气–水界面激光传输理论 26
2.2.3 水下激光传输理论 27
2.3 *大测量水深预测模型的构建 30
2.3.1 水下*大测深与系统衰减系数的经验模型 30
2.3.2 水下*大测深与系统模型参数的选择 32
2.3.3 *大测量水深预测模型的耦合 34
2.3.4 *大测量水深预测模型的误差分析 40
2.4 *大测量水深预测模型的验证 40
2.4.1 背景噪声功率和有效接收功率交叉对比验证 40
2.4.2 *大测量水深预测模型对比 43
2.4.3 *大测量水深预测 44
2.5 本章小结 49
参考文献 49
第3章 单波段激光雷达发射光学系统 51
3.1 引言 51
3.2 发射光学设计理论 51
3.2.1 开普勒准直扩束装置 52
3.2.2 伽利略准直扩束装置 54
3.2.3 反射式光楔扫描理论 56
3.3 激光器及其选型 57
3.3.1 激光器选择 57
3.3.2 激光能量的测试 60
3.4 扫描系统 64
3.4.1 激光扫描原理 64
3.4.2 光学扫描器件和电机选型 66
3.4.3 扫描电机控制系统 67
3.5 本章小结 72
参考文献 73
第4章 单波段激光雷达光学接收系统 74
4.1 引言 74
4.2 单波段激光雷达多通道分视场理论 75
4.2.1 浅海测量*优视场（FOV）理论 75
4.2.2 各通道探测器光学参数分析 78
4.3 接收光学物镜结构设计 82
4.3.1 柯克三片式物镜 82
4.3.2 施密特–卡塞格林物镜 87
4.3.3 离轴四反射式物镜 91
4.3.4 物镜镜头的对比与选择 93
4.4 接收光学目镜选择及设计 94
4.4.1 单透镜目镜 94
4.4.2 双透镜目镜 95
4.5 光学接收系统杂散光抑制结构设计 96
4.5.1 杂散光来源分析 96
4.5.2 杂散光抑制方法 98
4.5.3 杂散光抑制光机结构设计 100
4.6 接收光机系统杂散光抑制模拟验证 103
4.7 接收光学系统杂散光抑制实现 106
4.8 本章小结 115
参考文献 115
第5章 单波段激光雷达回波信号探测 117
5.1 引言 117
5.2 探测器 118
5.2.1 雪崩二极管（APD） 118
5.2.2 光电倍增管（PMT） 119
5.3 射频放大电路设计与实现 121
5.3.1 低噪声射频放大电路设计与实现 121
5.3.2 二级射频放大电路设计与实现 125
5.4 PMT增益控制设计与实现 137
5.4.1 基于FPGA的PMT增益远程控制方法 137
5.4.2 基于FPGA的PMT增益自适应反馈控制 140
5.5 本章小结 151
参考文献 151
第6章 单波段水深测量激光雷达综合控制系统与整机集成 153
6.1 引言 153
6.2 工作原理 153
6.2.1 激光雷达主控系统工作原理 153
6.2.2 高速数据实时采集系统工作原理 154
6.3 综合控制技术及软硬件模块设计 155
6.3.1 高精度时序同步技术 155
6.3.2 光轴稳定技术 161
6.3.3 高速数据采集硬件模块 163
6.3.4 高速高精度实时采集软件设计 166
6.4 单波段激光雷达整机系统集成 170
6.4.1 单波段激光雷达整机系统组成部分 170
6.4.2 单波段激光雷达整机系统集成实现 175
6.5 单波段水深测量激光雷达验证 181
6.5.1 系统功能测试 181
6.5.2 水深测量验证试验 187
6.6 本章小结 198
参考文献 199
第7章 回波信号波形分解 201
7.1 引言 201
7.2 波形分解的基本原理与算法 201
7.2.1 基于数学模拟法的波形分解 202
7.2.2 基于反卷积法的波形分解 204
7.3 五种波形分解算法的对比分析 206
7.3.1 研究数据 206
7.3.2 波形分量数量的对比分析 207
7.3.3 波形分量位置的对比分析 208
7.3.4 波形分量参数的对比分析 210
7.3.5 分解精度的对比分析 212
7.3.6 分解速度的对比分析 213
7.4 高斯拐点波形分解方法 213
7.4.1 高斯拐点选择原理 213
7.4.2 分解后参数优化 217
7.4.3 优化后参数拟合 217
7.4.4 拟合后波形分量分类 219
7.5 高斯拐点分解方法的验证与分析 221
7.5.1 高斯拐点分解方法验证 221
7.5.2 参数优化结果分析 228
7.6 本章小结 235
参考文献 236
第8章 单波段激光雷达测试场和验证 239
8.1 引言 239
8.2 室内测试及验证 239
8.2.1 激光雷达功能测试 239
8.2.2 水槽测试 241
8.2.3 游泳池验证 245
8.3 室外不同场景测试场与验证 247
8.3.1 水井测试场 247
8.3.2 人工水池测试场 248
8.4 自然池塘测试场 251
8.5 自然河流测试场 253
8.6 自然海域测试场 254
8.7 本章小结 256
参考文献 256

第1章绪论
　　1.1引言
　　1.1.1背景
　　随着港口码头建设、海洋渔业捕捞、海洋资源开发、海底管道电缆铺设、国防军事、海洋划界等近海岸活动的增加，人们对近海水下地形测量的精度、速度提出了更高的要求。为此，人们一直不停探索水深测量及水下地形绘制的技术和方法，包括多波束和单波束测量、声学多普勒电流分析仪（acoustic Doppler current profiler，ADCP）、水底剖面仪（sub-bottom profiler）、Ecomapper自主水下航行器（Ecomapper autonomous underwater vehicle）、浮标、卫星多光谱、激光雷达测量等。各种不同的方法都有其优点和缺点，具体使用哪种方法取决于水域的规模、经费、所需的量测精度和其他因素（Zhou et al.，2004）。
　　早期用于量测陆地地形的机载激光雷达（airborne LiDAR）技术和应用在过去几十年中经历了快速发展，这种激光雷达被称为地形激光雷达（topographic LiDAR）。然而，用于测量水深或者水底地形的机载激光雷达却没有经历同样的发展。目前仍然是一项非常专业和*特的高科技技术，只有国外少数几家存在此类系统。这种激光雷达被称为测深激光雷达，或者水深探测激光雷达。传统的测深机载激光雷达使用1064nm红外波长测量水表面高程；532nm绿色波长通过穿透水体来测量水底高程，二者之差即为水深。因此，人们往往将其称为双波段测深激光雷达。2002年美国国家航空航天局（NASA）EAARL团队公开了研发的集成单一绿光波长激光器和窄视场的测深激光雷达系统，它把测量浅水水深和陆地地形测绘功能结合在一个系统中。因此，人们称这类测深激光雷达为单波段测深激光雷达系统。EAARL单波段测深激光雷达产品的突破，标志着新一代激光雷达技术的发展，不仅打破了双波段测深激光雷达利用1064nm和532nm测量水深的局限性，而且仪器体积小、重量轻、可搭载在无人机平台上，为测深激光雷达技术的发展等提供了新的、令人兴奋的机会。
　　1.1.2水深探测回顾
　　己知*早的测深是在公元前1800年左右，埃及人用一根杆子测量水深，后来使用了加重线。这两种方法的量测精度受天气、海况、水流影响大，测深度和位置误差大，而且费力、耗时。在1870年，英国皇家海军的一艘挑战者号护卫舰（HMSChallenger）使用缆绳和绞车的方法测量水深（图1-1），但这种方法仅限于浅水区，且要求航行速度非常慢，才能保证量测精度（W6lfl et al.，2019）。20世纪20～30年代，人们使用单波束回声测深仪沿着测量船航行路线每隔一段距离量测正下方水深，但这种方法存在数据点之间的间隙，特别是并行线之间。侧扫声呐于20世纪50～70年代开发，但该技术缺乏在扫描宽度上直接测量深度的能力；多波束系统通过传感器的精确位置和姿态数据获得声呐扫描带宽度上的水深信息，达到更高的分辨率和精度。美国海军海洋办公室（The U.S.Naval Oceanographic Office）在20世纪60年代研发了多波束技术的机密版本。在20世纪70年代末美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）获得了非机密商业版本，并制定了水深测量标准，极大地促进了民用多波束声呐水深测量的发展。
　　图1-1使用缆绳和绞车的方法测量水深
　　20世纪70年代的美国陆地卫星和后来的欧洲哨兵卫星提供了量测水深数据的新方法，这些方法包括利用不同波段的光穿透水的不同深度，对己知条件下光影穿透的距离进行建模来反演水深。NASAICESat-2上的先进地形激光高度计系统（ATLAS）是一种光子计数激光雷达，其利用地球表面激光脉冲的返回时间来计算地表高度。ICESat-2测量可以与船基声呐数据相结合，以填补空白并提高浅水地图的精度。
　　1.1.3卫星多光谱测量水下地形
　　卫星多光谱测量水下地形的工作原理是卫星发射多波段的电磁辐射能量（或太阳发射的电磁辐射能量）到达水面后，一部分会被反射回来；另一部分透射到水中，到达水底后再反射回来。不同波长的激光在水中吸收、散射等特性是不同的，因此，反射回来的辐射能量也不同。人们可根据这些反射回来的辐射波长、能量来探测水下地形（图1-2）。
　　图1-2卫星多光谱测量水下地形（田洲，2023）
　　卫星接收到数据后，*先要选取合适的卫星波段数据，然后进行预处理，包括大气、水下底质、波动干扰的去除和校正等；接着进行图像匹配、深度计算、地形重建等处理，*终得到水下地形信息。与传统的声呐或激光等水下探测技术相比，卫星多光谱技术具有覆盖范围广、速度快、成本低等优点。另外，由于其卫星遥感的特性，该技术还能够同时获取水质、生态和环境等相关信息。因此，卫星多光谱技术己广泛应用于海洋、湖泊等水域的水下地形测量和研究。例如，用于研究海底火山、海底地形演化、海岸侵蚀等问题。此外，该技术还可应用于渔业资源调查、生态环境监测等领域。随着时代的进步、科技的发展，卫星多光谱水下地形测量己经成为一种先进的遥感技术，具有广阔的应用前景，可以为水下地形研究和相关领域提供重要数据支撑。
　　1.1.4声呐测量水下地形
　　声呐水深测量是一种常用的水下地形测量方法，它利用声波在水中传播的特性进行水深测量。常见的声呐水深测量方法有单波束声呐、多波束声呐、侧扫声呐、相位测深仪等。
　　1.单波束声呐
　　单波束声呐是一种水深测量技术，它通过发射和接收单个声波束来探测水下地貌，从而获得水深信息。其工作原理为：单波束声呐发射一个声波束，当声波到达水面时，一部分能量被反射回来，形成**个回波；当声波到达水底时，部分能量也会反射回来，形成第二个回波。仪器记录两次回波间的时间差，再根据声波在水中传播的速度，即可计算出水深（图1-3）。由于单波束声呐只有一个发射角度和接收角度，因此测量的范围较小，一般适用于浅水区域、港口等需要高精度测量的场合。该方法的优点是：单波束声呐操作简单，价格相对便宜，对设备的要求不高，可以满足一些水域科学研究或海洋勘探的需求。
　　该方法的缺点是:单波束声呐无法同时测量多个点，也无法获取高分辨率的海底地形信息。此外，由于受到水下环境的影响，如水流、悬浮物等，测量也会产生误差。单波束声呐可应用于水下地形调查、水文勘测、工程建设和船只导航等方面。例如，在港口工程建设中，使用单波束声呐可以快速准确地获取港口内的水深、岩石分布等信息。
　　图1-3单波束声呐测量水下地形原理
　　总之，单波束声呐是一种简单、实用的水深测量技术，具有低成本、易操作、高精度等优点。虽然其测量范围受到限制，但在某些特定的需要高精度测量的场合仍然具有广泛的应用前景。
　　2.多波束声呐
　　多波束声呐是一种用于水下探测和成像的高级声学设备。它可以同时发射和接收多个不同角度的声波，从而提供更加准确、细致的水下图像。其工作原理为：多波束声呐由多个声源和接收器组成，每个声源和接收器之间都有一个*立的通道，形成多个波束。在工作时，声呐通过多个声源发出多个声波束，在不同方向上进行扫描（图1-4）。当声波束遇到物体时，会发生反射和散射，这些信号被接收器捕获并处理，从而生成水下图像。
　　与单波束声呐测量相比，多波束声呐测量具有以下优点，①更高的分辨率：多波束声呐可以在不同角度上同时扫描，从而提供更加准确、细致的水下图像，尤其是对于复杂的地形和目标；②更广的覆盖范围：因为可以同时扫描多个方向，多波束声呐可以快速地覆盖更广泛的水域区域；③更高的探测效率：相比传统单波束声呐，多波束声呐可以更快地获得更多数据，从而提高了水下探测的效率和准确性。
　　多波束声呐测量相对于传统的单波束声呐测量的缺点有①成本高：由于需要使用多个传感器和处理器，因此多波束声呐的成本比传统的单波束声呐要高；②复杂性高：多波束声呐需要进行复杂的信号处理和数据分析，因此需要更复杂的算法和软件来支持其工作；③能耗大：多波束声呐需要使用更多的传感器和电子设备，因此会消耗更多的能源；④对环境要求高：多波束声呐对环境的要求比较高，如水下噪声、水流等都会影响声呐的性能；⑤重量重：由于多波束声呐需要使用更多的传感器和电子设备，因此其重量比传统的单波束声呐要重。
　　总之，多波束声呐是一种高级的水下声学设备，通过同时发射和接收多个不同角度的声波，能够提供更加准确、细致的水下图像。它在海洋勘探、水下测绘、港口建设、水下考古等领域得到广泛应用，为水下探测和成像提供了更高效、更精确的技术手段。
　　图1-4多波束水深测量原理（潘满和何波，2016）
　　分析多波束声呐测量的基本原理，从图1-4可得如下关系式：
　　（1-1）
　　（1-2）
　　 （1-3）
　　联合式（1-1）～式（1-3），可得
　　（1-4）
　　式中，H为GPS所测大地高度；L为RTK天线到水面的高度；d为换能器到水面的距离（吃水）h为运动传感器所测船舶升沉值；T为RTK潮位；D为多波束所测水深；Z为1985国家高程基准面到WGS84椭球面的距离（高程异常）S为1985国家高程基面下水深；L+d为RTK天线到探头底部距离，为固定值。若可以实时采集到85高程，便可以实现RTK三维多波束测量（潘满和何波，2016）。
　　3.侧扫声呐
　　侧扫声呐是通过向两侧发射声波来探测水下物体，从而生成高分辨率的图像。侧扫声呐由声源、接收器和信号处理器等组成（图1-5）。在工作时，声源向两侧发射定向声波，声波遇到物体后会产生反射和散射，这些回波被接收器捕获并处理。通过对回波数据进行合成，就可以生成高分辨率的水下图像。
　　相比传统声呐，侧扫声呐具有以下优点，①更高的分辨率：侧扫声呐可以提供更高分辨率的水下图像，因为它可以在不同方向上扫描，同时捕获多个角度的回波数据；②更广的覆盖范围：侧扫声呐可以快速覆盖更广泛的水域区域，因为它可以在船体两侧同时扫描；③更好的目标识别能力：侧扫声呐可以提供更清晰、更准确的水下图像，因此能够更好地识别和定位水下物体。
　　相比传统声呐，侧扫声呐具有以下缺点，①精度受限：侧扫声呐的探测范围通常较大，但其精度相对较低，可能无法准确分辨不同目标之间的细节区别；②深度限制：侧扫声呐的工作深度通常较浅，一般不适用于深海探测；③探测目标受限：由于侧扫声呐只是将声波发射并接收回波反射来进行探测，因此无法直接探测到主动物体（如鱼类、水母等）；④能量较大：侧扫声呐的能量较大，可能会对海洋生态环境产生一定的影响；⑤受环境影响大：海洋环境的变化，如海水温度、盐度、海流等都会对声呐传输和接收产生影响，从而影响探测效果。
　　侧扫声呐己广泛应用于海底地形和地质构造的成像和分析，水下管道、电缆、沉船等物体的探测和定位，水下遗址和文物的发掘和保护，搜索和救援任务中的目标定位和识别等领域。
　　图1-5侧扫声呐测量水下地形原理（Chen andTian，2021）
　　4.相位测深仪
　　相位测深仪是通过测量声波传播的时间和相位差来确定水深。其工作原理是：相位测深仪通过向水下发射短脉冲声波，并记录它们被水底反射以及回到传感器的时间和相位信息。根据声速和声波传播时间，可以计算出水深。与其他声呐不同的是，相位测深仪可以同时记录瞬时相位差，从而提供更高精度的测量。
　　相比其他水深测量技术，相位测深仪具有以下优点，①高精度：相位测深仪可以提供更高精度的水深测量，因为它可以同时记录时间和相位信息；②宽波段：相位测深仪可以在较宽的频率范围内进行测量，这使得它能够应对不同水域条件下的测量需求;
　　③非接触性：相位测深仪无须接触水底，因此可以避免对海底生态环境产生影响。
　　相比其他水深测量技术，相位测深仪具