Analysis and processing of signals in laser bathymetry

Abstract

Die luftgestützte Laser-Bathymetrie ist eine Fernerkundungstechnik zur Kartierung der Unterwassertopographie. Im Vergleich zum topographischen Airborne-Laserscanning ist die Lichtausbreitung in zwei Medien zu berücksichtigen. Ein wichtiger Unterschied besteht auch darin, dass für den Einsatz in der Bathymetrie nur Wellenlängen des Lasers im sichtbaren Bereich verwendet werden können, da Licht im Infrarotbereich praktisch nicht in das Wasser eindringen kann. Die erste Generation von Scannern für die Bathymetrie kam kurz nach der Erfindung des LASERS zum Einsatz. Während anfangs hauptsächlich nur analoge Elektronik für die Auswertung der Signale zur Verfügung stand, wurde später die gesamte Kurvenform des rückgestreuten Echos digital aufgezeichnet. Das Aufkommen erschwinglicher Computer öffnete schließlich den Weg zu komplexerer Signalverarbeitung.Für die Bestimmung der Elevation des Unterwasserbodens ist es notwendig, zwei signifikante Zeitpunkte in der Wellenform zu identifizieren. Der erste ist der Zeitpunkt, zu dem der Lichtimpuls ins Wasser eintritt und der zweite der Zeitpunkt, zu dem er auf den Boden trifft. Es ist von besonderer Bedeutung, den ersten Moment zu kennen, denn von diesem Moment an bewegt sich der Impuls langsamer und in eine andere Richtung.Die Standardmethode zur Identifizierung eines Zeitpunkts in einem Signal ist die Gauß’sche Zerlegung des Signals. Unter Wasser leidet die Methode jedoch unter dem Problem, dass viele verteilte kleine Partikel Störechos verursachen, die die genaue Zerlegung behindern. Solange die Verteilung solcher Teilchen nicht zu dicht ist hat die Wellenform exponentiellen Charakter. In dieser Arbeit stelle ich daher ein Modell vor, das aus Exponentensegmenten besteht, die die Wirkung der Teilchen beschreiben, und Dirac-förmigen Impulsen, die die Wirkung diskret angeordneter Streuer beschreiben. Diese Beschreibung ist jedoch noch nicht ausreichend, um die empfangene Signalform zu erklären. Das Exponentialmodell muss mit der Systemwellenform gefaltet werden, um eine korrekte Darstellung des empfangenen Signals zu erhalten. Durch Minimierung der Differenz zwischen dieser Darstellung und den gemessenen Daten können die Parameter des Exponentialmodells erhalten werden. Ich stelle eine Prozedur vor, die ich Exponentialzerlegung nenne, mit der die eigentliche Verarbeitung durchgeführt werden kann. Die Wirksamkeit des Verfahrens wird auf der Grundlage von Daten überprüft, die in einem Nebenfluss der Donau gesammelt wurden. Anhand von mittels GNSS-vermessenen Kontrollpunkten wird die Richtigkeit der Ergebnisse bestätigt.Ein wichtiger Aspekt bei der Modellierung von Signalen ist, dass das Modell physikalisch korrekt ist. Ein unterschätzter Effekt in der Laser-Bathymetrie ist, dass sich gepulstes Licht langsamer ausbreitet als herkömmlich angenommen. Da der Effekt im Zusammenhang mit der Laser-Bathymetrie noch nicht diskutiert worden ist, beschreibe ich ein von mir durchgeführtes Experiment, das den Effekt in seiner vorhergesagten Größe bestätigt. Darüber hinaus befasse ich mich mit den Fragen, ob ein Ein-Wellenlängensystem realisierbar ist und was die kleinste messbare Tiefe in der Laser-Bathymetrie ist.

Airborne laser bathymetry is a remote sensing technique for the mapping of underwater topography. Compared to topograhic airborne laser scanning, light propagation in two media must be considered. An important difference also is that for use in bathymetry, only wavelengths of the laser in the visible range can be used, since light in the infrared range is practically unable to penetrate the water. The first generation of scanners for bathymetry came into use shortly after the invention of the LASER. Although in the beginning mainly only analog electronics was available for the evaluation of the signals, later the entire trace of the backscattered echo was recorded digitally. The advent of affordable computers finally opened the way to more complex signal processing.For the determination of the elevation of the underwater bottom it is necessary to identify two significant time instants in the waveform. The first is when the light impulse enters the water and the second is when it hits the bottom. It is especially important to know the first moment, because from this moment on the impulse moves slower and in a different direction.The standard method to identify an instant of time in a signal is by gaussian decomposition of the signal. Underwater, however, the method suffers from the problem that a lot of distributed small particles cause clutter that is hindering the exact decomposition. For a tenuous distribution of such particles the waveform is of exponential character. In this thesis I therefore introduce a model consisting of exponential segments that describe the effect of the particles and Dirac shaped pulses that describe the effect of discretely located scatterers. This description is however not sufficient yet to account for the received signal form. The exponential model has to be convolved with the system waveform to yield a correct representation of the received signal. By minimizing the difference of this representation and the measured data the parameters of the exponential model can be retrieved. I present a procedure, which I call exponential decomposition, by which the actual processing can be done. The effectiveness of the procedure is verified on the basis of data collected in a tributary of the Danube river. The correctness of the results is confirmed using GNSS surveyed control points.An important aspect for the modeling of signals is that the model is physically correct. An underestimated effect in laser bathymetry is that pulsed light propagates more slowly than conventionally assumed. Since the effect in the context of laser bathymetry has not yet been discussed, I describe an experiment I performed that confirms the effect in its predicted magnitude. Furthermore, I deal with the questions whether a single wavelength system is feasible and what the smallest measurable depth in laser bathymetry is.