Лазерная батиметрия дна водоемов

Для зондирования дна водоемов (батиметрия) лазерным излучением используется лазер видимого диапазона, синего или зеленого цвета. Минимум поглощения дистиллированной воды находится в синей части спектра, однако в реальных условиях из-за растворенных в воде веществ минимум смещен в зеленую область спектра.

Поэтому неодимовые импульсные лазеры с удвоением частоты наилучшим образом подходят для профилирования дна: затухание света с длиной волны 532 нм в пресной и морской воде минимально. При проведении авиационной батиметрической съемки получается карта, на которой различные цвета соответствуют различным глубинам.

Воздушная лазерная батиметрия дна водоема

Для измерения профиля дна используется обычно импульсный неодимовый лазер с удвоением частоты. Пройдя через нелинейный кристалл, часть излучения с длиной волны 1064 нм преобразуется в свет 532 нм. Лазерный передатчик посылает по одной и той же траектории импульс с двумя длинами волн, видимого и ближнего инфракрасного диапазонов.

Поскольку поглощение инфракрасного излучения в воде достаточно сильно, то сигнал на длине волны 1064 нм не доходит до дна и может быть получен только от поверхности воды. С другой стороны, зеленый луч глубже проникает через толщу воды и отражается от дна.

В фотоприемном канале 532 нм наблюдаются последовательно два импульса, соответствующие отражениям от поверхности воды и от дна водоема. Импульс лазера отражается как от поверхности воды, так и от дна водоема. На фотоприемнике наблюдаются последовательно два пика, интервал между которыми соответствует глубине.

В основном, батиметрия оперирует данными, получаемыми с помощью гидроакустических лотов (эхолотов, или сонаров), вмонтированных в дно судна. В реальных условиях лазерное сканирование не всегда может составить конкуренцию звуковой эхолокации: максимальная глубина, на которой удается зарегистрировать сигнал, отраженный от дна, для самой чистой морской воды не превышает 70 м. В реках, в мутной воде глубина сканирования ограничена всего несколькими метрами.

Однако в некоторых случаях лазерная батиметрия имеет неоспоримые преимущества. С помощью лазерного сканера можно проводить профилирование морского дна с самолета или вертолета с большой скоростью на очень больших территориях. Акустическое зондирование весьма уязвимо в местах, изобилующих отмелями и поэтому более пригодно для использования в глубоких водах.

Гидроакустика обеспечивает радиус обзора примерно в два раза больший, чем глубина. Это означает, что охват рельефа дна ограничен на мелководье и в прибрежных зонах. С водного транспорта гидроакустическими методами трудно сканировать перемежающиеся отмели и мелководье.

Воздушная лазерная батиметрия, напротив, обеспечивает возможность большого охвата участков рельефа дна на мелководье, недискретный, цельный поток данных через раздел суша-море. В реальной системе зеркальное отражение лазерного луча от поверхности воды при ветреной погоде, приводящей к образованию мелких волн, существенно усложняется, поскольку эти мелкие волны действуют как грани зеркала.

Авиационная батиметрическая система

В спокойных условиях поверхность представляет собой одно большое зеркало и, таким образом, направляет отраженное излучение прямо на приемник. Следует отметить, что исходящий лазерный луч при сканировании образует угол до 20° по отношению к вертикали.

Зеленый лазерный луч на 532 нм при прохождении морской поверхности преломляется на угол порядка 15° в зависимости от структуры поверхностных волн. Поэтому датчик также должен учитывать коэффициент преломления при вычислении глубины дна или объекта.