论文题目：间断性成像及其在光学测深系统中的应用研究
摘要：21世纪是海洋的世纪,随着世界人口不断增加,资源短缺等问题日益严峻,世界各国竞相将目光投向海洋,加快对海洋的研究和海洋资源的开发利用。我国是海洋大国,海洋经济发展前途无量。实施国家海洋战略,建设海洋强国,就要更深入的认识海洋、经略海洋,加快海洋领域科技创新步伐。海洋测绘领域的研究是开发海洋的基础,而水深测量又是对海底地形地貌测绘的基础。特别地,针对近岸水深及水下地形地貌测量具有重要的科学意义和应用价值。机载激光测深技术（Airborne Laser Bathymetry,ALB）被广泛应用于浅海区域的探测开发,是海洋测绘领域争相研究的重点。硬件方面国外已经有比较成熟的系统,而我国目前还处于实验室研究和实验分析阶段。在数据处理方面国内外研究学者提出各种处理方法,在不同程度上都有显著效果。但测量精度低,计算误差大、接收的目标信号不易辨别等问题仍是目前研究的难点和重点。为此,结合实验室在数学与海洋信息交叉领域的前期研究基础优势,本研究围绕机载激光测深系统方法和技术展开,特别是光学测深系统模型、算法和数据处理等方面的研究。研究的主要内容和创新点如下:（1）结合激光的传输特性以及系统参数,建立532nm激光回波信号模型的数学关系式,并用MATLAB进行仿真实验。针对机载激光测深回波信号的数据特点以及数据滤波算法提出了一种基于多物理场的信号处理方法,具体来说:将接收到的回波信号作为多孔介质的渗透率,从回波信号本身出发,在速度模值小的地方扩散缓慢,在速度模值大的地方扩散速度大,自适应平滑处理。基于仿真数据分别利用中值滤波、均值滤波等传统滤波方法同多物理场信号处理方法进行处理,结果表明多物理场处理方法可以更好地对机载激光回波信号进行滤波。（2）对光学测深系统参数反演和海底间断性成像进行研究。通过选取球面波形式的格林函数在基尔霍夫边界条件下求得菲涅耳--基尔霍夫衍射公式,以标量衍射理论为基础,结合波动方程参数间断性反演等理论,给出了光学测深系统海底间断性成像与参数反演的数学理论。通过数值仿真对接收的回波信号海底反射系数反演（计算）,最终得到海底水深（间断面）位置。（3）对卵形扫描式无人机载激光测深系统的扫描轨迹进行建模仿真分析,从空间直线与平面相交的原理出发,推导出海面及海底激光脚点的扫描轨迹,并建立海底激光脚点的三维点云,为测量数据检校等提供基础数据支持。
关键词：机载激光测深;回波信号处理;多物理场;波动方程反演;间断性成像;波形建模;激光脚点
学科专业：应用数学
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 机载激光测深技术
1.2.2 机载激光测深数据处理
1.3 主要研究内容与章节安排
第2章 标量衍射理论与波动方程参数反演
2.1 光的波动方程
2.2 标量衍射理论
2.2.1 亥姆霍兹方程
2.2.2 格林定理
2.2.3 基尔霍夫积分定理
2.2.4 基尔霍夫衍射公式
2.2.5 菲涅耳——基尔霍夫衍射公式
2.3 波动方程的参数反演
2.4 本章小结
第3章 机载激光测深回波信号的建模与计算
3.1 激光束在海水中的传输特性
3.1.1 海水的光学参数
3.1.2 激光束在海水中的吸收特性
3.1.3 激光束在海水中的散射特性
3.1.4 激光束在海水中的衰减特性
3.2 回波波形建模
3.2.1 海面回波信号
3.2.2 水体回波信号
3.2.3 海底回波信号
3.2.4 太阳光背景噪声及探测器内部噪声
3.3 回波信号的数值模拟
3.4 本章小结
第4章 基于多物理场的数据处理
4.1 多物理场数据处理
4.2 多物理场数据处理模型的有限差分方法
4.3 数值实验与分析
4.4 本章小结
第5章 间断性成像与海底反演
5.1 间断性反演的数学理论
5.2 海底间断面反演的算法
5.3 海底间断性成像分析
5.3.1 间断线反演的数值仿真
5.3.2 海底三维成像的数值仿真
5.4 本章小结
第6章 无人机载激光测深系统扫描轨迹建模与仿真分析
6.1 卵形扫描式激光测深系统模型
6.1.1 反射镜法线方向向量的求解
6.1.2 海面激光入射点坐标的计算
6.1.3 海底激光投射点坐标的计算
6.1.4 海底激光投射点坐标计算的模型检验
6.2 点云模拟
6.2.1 海面激光点云模型
6.2.2 海底激光点云模型
6.3 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
致谢