机载激光雷达测深技术及应用.docx

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机载激光雷达测深技术及应用

机载激光雷达测深技术及应用

海底地形是海洋基础测绘要获取的重要地理空间信息之一，在国民经济建设、海洋权益维护、国防建设和科学研究中具有重要的作用。

人们通过对声、光、电、磁长期的研究后发现，声波在海水中具有光、电、磁无法比拟的优越性。

迄今为止，人们所熟知的水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播性能为最好。

正是由于声波在海水中衰减小、传播距离长，因而最适合于水深测量。

因此，基于声波的回声测深技术是应用最广最为成熟的水深测量技术，其中最为典型的测深设备是单波束测深仪和多波束测深系统。

尤其是多波束测深系统以其高效率全覆盖的优势在水深测量中得到了越来越普遍的应用。

一般而言，多波束测深系统的波束在海底的覆盖宽度是水深的3～7倍，个别系统最大可达10倍。

然而，即使是多波束测深系统具有如此之宽的覆盖测幅，在浅水区的全覆盖测量效率也是非常低的。

自从人们发现光波在海水中的最佳透光窗口后，机载激光测深技术得到了迅速的发展。

美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、瑞典、中国等都先后对机载激光测深技术进行了研究。

其中最为成熟的机载激光测深系统是加拿大的SHOALS系列产品（现已升级为CZMIL）和瑞典的HAWKEYE系列产品。

机载激光测深技术是集激光、全球定位与导航、自动控制、航空、计算机等前沿技术，以直升机和固定翼飞机为平台，从空中向海面发射激光束来测量水深的海洋高新技术，属于主动测深系统，在浅于50m的沿岸水域，具有无可比拟的优越性。

特别是能够高效快速测量浅海、岛礁、暗礁及船只无法安全到达的水域。

其主要优点如下：

（1）覆盖宽度不受水深的影响，而仅仅与飞机航高和激光测深系统的宽高比有关，这一显著特点是多波束测深系统所不具备的；

（2）飞机速度远远快于船速，因此，机载激光测深系

统具有很好的机动性和非常高的测深效率；（3）机载激光测深系统目前已具有水部和陆部同时测量的功能，即在岸线附近，测量水深的同时，还可以测量岸线附近的地形。

一、激光测深原理

机载激光测深技术是一种主动式测量技术，利用了光在海洋中传播特性。

海水组成成分复杂，包括可溶有机物、无机盐、悬浮泥沙和浮游生物，这些物质对光有一定的吸收和散射作用。

1963年，DuntleySQ和GilbertGD等人在研究光波在海水中传播规律时，发现0.47-0.58mm波段内的蓝绿光在海水中传播时衰减程度比其它波段小很多，证实了海洋中存在一个类似于大气的透光窗口。

机载激光正是利用了蓝绿光在海水中传播衰减小的特性。

机载激光水下目标探测的基本原理和回声测深原理相似。

机载激光雷达采用激光器同时发射红外激光（波长1046μm）和蓝绿激光（波长532μm）。

红外激光到达海面后反射，被激光接收器接收；而蓝绿激光由于传播衰减小到达海底后散射，被激光接收器接收。

根据红外激光和蓝绿激光到达激光接收器的时间差，并结合蓝绿激光入射角q、海水折射率nw等因素综合计算，得到被测点的水深值D，再与定位数据、飞行姿态数据、潮汐数据等融合，最终确定被测点的水深。

D=ΔtC0cos[arcsin（sin（θθ/w））]/（2nw）

t是蓝绿光和红外光到达激光接收器的时间差；

C0是激光在真空中船舶速度；

nw为海水对蓝绿光的折射率；

θ为蓝绿光在海面的入射角。

二、机载激光测深系统的组成

机载激光测深系统主要由两部分组成：

机上系统和地面系统。

机上系统主要完成飞机位置的确定和海水深度的探测，由卫星定位接收机、惯性导航系统、姿态传感器、激光发射器、扫描装置、光学接收机、数据采集和控制系统以及实时显示分系统等组成。

为了实时监测海面情况，通常还配备CCD数字摄像机。

地面系统主要完成数据后处理与成图，由数据处理工作站、打印机、绘图仪等组成。

其功能包括深度信息处理、飞行姿态校正、折射改正、波浪改正、水位改正、粗差剔除、条带拼接等，最终获得高精度海底地形数字成果。

三、国内外机载激光测深技术的发展

（一）国外机载激光测深技术的发展

世界上较成熟的机载测深系统主要有加拿大的SHOALS系统、瑞典的HawkEye系统、澳大利亚的LADS系统、美国NASA的EAARL以及SHOALS系统的升级产品CZMIL系统。

这些机载激光测深系统虽然在原理上基本相同，但在技术指标和系统功能方面存在较大差异。

1.加拿大SHOALS系统

加拿大OPTECH公司相继推出了SHOALS200（1994年）、SHOALS400（1998年）、SHOALS1000T（2003年）、SHOALS3000T（2005年）、SHOALS3000（2010年）。

其中，SHOALS3000T

在日本、美国、台湾都得到广泛应用。

SHOALS1000T和SHOALS3000T的技术指标如下：

模式型号

参数

SHOALS1000T

SHOALS3000T

测深型模式

测量频率

1000HZ

3000HZ

飞行高度

200-400m

300-400米

水深精度

IHOorder1

IHOorder1

水平精度

IHOorder1（2.5m）

IHOorder1

最小探测深度

0.2米

0.2米

最大探测深度

50m

50m

水深点密度

2m×2m，3m×3m

4m×4m，5m×5m

2m×2m，3m×3m

4m×4m，5m×5m

扫描宽带

可调（最大值为飞行

高度的0.58倍）

可调（最大值可达飞

行高度的0.75倍）

飞行速度

125-180knots

125-260knots

电源要求

60A，28VDC

70A，28VDC

测地模式

测量频率

垂直精度

10kHz

25cm，1

20kHz

25cm，1

2.瑞典HawkEye系统

模式型号

参数

指标

测深型模式

作业高度

250-500m

飞行速度

290km/h

测量频率

4000Hz

扫描宽度

100-330m

系统重量

小于190Kg

电源要求

50A，28VDC

垂直精度

0.25m

水平精度

2.5m

最小探测深度

0.3m

最大探测深度

3倍圆盘透明度；北海35-40m，法国25-30m，加勒

比群岛50m。

水深点密度

1.7m×1.7m至3.5m×3.5m

间，可选择其它选项

海底目标探测水平

IHOOrder1

测地模式

测量频率测点密度水平精度

垂直精度

64000Hz

每平方米1-4个0.5m

0.15m

在机载激光测深系统的研发和应用方面，瑞典的Saab公司先后开发了Flash系统和HawkEye系统。

目前，HawkEyeII系统是瑞典最为成熟和最具代表性的机载激光测深系统。

Leica公司在LeicaChiropteraII基础上升级研发了LeicaHawkEyeIII。

LeicaHawkEyeIII主要参数指标如下：

模式型号

参数

指标

测深型模式

深水测深频率

10kHz

浅水测深频率

35kHZ

飞行高度

400-600m

测深范围

深水，Dmax=4/k（3倍圆盘透明度）；

浅水，Dmax=2.4/k（1.5倍圆盘透明度）

视场角

前后±14°，左右±20°

扫描宽度

0.7倍飞行高度

点密度

深水：

0.4pts/m2；浅水1.5pts/m2

测深精度

浅水：

0.15（2σ）

深水：

0.32+（0.013⨯depth）2m（2σ）

运行温度

0℃-35℃

储藏温度

-10℃-50℃

电源

18-32VDC，2X50A@28VDC

测地模式

频率

500KHz

垂直精度

0.02m

水平精度

0.2m

3.澳大利亚LADS系统系列

澳大利亚20世纪70年代开始了机载激光测深系统研制。

后来以RANLADS命名的机载激光测深系统是根据1975-1985年的研究而设计的，系统研制成功后进行了多次海上试验。

1989-1993年澳大利亚国防部委托BHPEngineering和VisionSystem公司对LADS进行重新研制。

自1993年以来，澳大利亚皇家海军海道测量局就一直利用此系统开展水深测量，6年来测量面积约60000平方公里。

1995年，VisionSystem公司又投资2400万澳元研制新的机载激光测深系统，名为LADSMKII。

LADSMKII在浅水水域的测量效率是传统声学方法的20倍，但总经费只需传统方法的20%，水深测量精度能够达到《国际海道测量标准》中的一级要求。

2009年，荷兰Fugro公司收购澳大利亚TenixPty公司机载激光雷达业务。

2011年，LADSMKIII完成试飞。

相比LADSMKII，LADSMKIII体积更小，不需要专门的大飞机。

荷兰Fugro在LADSMKIII的基础上，2015年发布了LADSHD系统。

LADSHD系统主要参数如下表。

参数

指标

测深频率

3kHz

飞行高度

1200-3000ft（365-914m）

飞行速度

125-175knots（231-324km/h）

测深范围

0-80m，取决于海水透明度，通常约

3倍圆盘透明度

扫描宽度

100-600m，取决于飞行高度和测点

密度

点密度

2×2m至4.6×4.6m间可选

测深精度

IHOorder1（<0.5m）

水平精度

IHOorder1（<5.0m）

目标探测

IHOorder1a

运行温度

0℃-40℃

姿态

±7℃

参数

指标

测深频率

3kHz

飞行高度

1200-3000ft（365-914m）

飞行速度

125-175knots（231-324km/h）

测深范围

0-80m，取决于海水透明度，通常约

3倍圆盘透明度

扫描宽度

100-600m，取决于飞行高度和测点

密度

点密度

2×2m至4.6×4.6m间可选

测深精度

IHOorder1（<0.5m）

水平精度

IHOorder1（<5.0m）

目标探测

IHOorder1a

运行温度

0℃-40℃

姿态

±7℃

4.CZMIL系统

CZMIL机载激光测深系统是SHOALS3000T的升级版本，是美国军方2011年向Optech

公司定制的，2012年交付美国军方使用。

CZMIL系统是一套集激光测量传感器和影像传感器为一体的新一代水深和沿岸地形测量系统，具有光学孔径大、空间分辨率高、适合较差水质的显著特点。

其主要性能指标见下表。

模式

参数

指标

测深模式

测量频率

10000Hz

最大测量深度

80m，与水质有关，一般2.5倍圆盘

透明度

最浅测量深度

<0.7m（系统）；<0.15m（浅水算法）

飞行高度

一般400m，最高可达1000m

飞行速度

260KM/h

测深精度

[0.32+（0.013⨯depth）2]1/2，2σ

水平位置精度

（3.5+0.05⨯depth）m，2σ

测点密度

2⨯2

扫描角

20°

扫描宽带

291m

运行温度

0-40℃或0-50℃

测地模式

测量频率

70KHz

水平位置精度

±1m，2σ

垂直测量精度

±0.15m，2σ

（四）国内机载激光测深技术的发展

我国机载激光雷达探测技术开始于20世纪80年代末，华中科技大学、中国海洋大学及中科院上海光机所等单位进行了相关技术研究和技术研制，其中有代表性的是中科院上海光机所研制的机载双频雷达，在国家高技术研究发展计划（863计划）和国家重大科学仪器设备开发专项的持续支持下，经过三代的性能升级和改造，在激光波长、激光脉冲重复频率、探测精度、测点密度等方面有较大提升，完成了从原理样机到产品样机的转化，产品性能达到国际同类产品水平。

下面重点介绍第3代机载激光雷达样机情况。

从2013年开始，在国家重大科学仪器设备开发专项支持下，中科院上海光机所联合国内6家单位开展机载双频激光雷达产品开发工作，目标是实现海陆一体化测绘的机载双频激光雷达产品开发，最终实现产业化。

2015年，新的机载双频激光雷达工程样机（Mapper5000-S）研制成功。

新样机在原有532nm和1064nm波长的基础上，增加了针对陆地高分辨率探测的1550nm波长。

新系统在南海完成了3个架次的机载飞行试验，获得了海陆一体化的三维地形数据。

2017年，对系统进行了优化，测深频率提升到5000Hz，增加了偏振探测通道，完成了产品定型-Mapper5000。

Mapper5000系统在南海完成了11个架次的飞行试验，获得了南海岛礁的三维地形数据，最大实测深度51m，最浅测深达到0.25m，测深精度0.23m，水平位置精度0.26m，海洋测点密度1.1m×1.1m，陆地测点密度0.25m×0.25m。

Mapper5000系统指标如下表。

模式

参数

指标

测深模式

激光波长

1064nm，532nm

激光峰值功率

1MW（532nm）

激光脉冲宽度

1ns（532nm）

测量频率

5KHz

照相机孔径

200mm

扫描角

±15°

飞行高度

100-1500m

测深范围

0.25-51m

测深精度

0.23m

水平精度

0.26m

测地模式

激光波长

1550nm

激光峰值功率

0.001MW

激光脉冲宽度

4ns

测量频率

100-400KHz

照相机孔径

70mm

扫描角

±30°

四、机载激光测深系统的应用

机载激光测深系统虽然受海水透明度、天气和大气物理异常和小目标探测能力较弱的限制，但由于其快速、机动、高效及全覆盖的优势，成为声呐测深系统最有效的补充。

尤其在水质清澈的浅水区，机载激光测深系统的测深效率远远高于多波束测深系统效率。

目前，机载激光测深系统的应用主要集中在以下几个方面：

沿岸浅水区水深测量。

多波束测深系统的海底覆盖宽度与水深有关，在浅水区域使用多波束测量效率低下，且水深浅、礁石多，测量安全得不到保证。

而机载激光雷达测深系统海底覆盖宽度与水深无关，仅与航高有关，且可到达珊瑚礁、礁石浅滩等测量船舶无法到达的水域，是浅水区水深测量最有效的手段。

目前，海事测绘浅水区域测量仍然采用声呐测深系统，效率较低，海图沿岸浅水区域数据更新周期较长。

机载激光雷达测深系统可有效解决这一问题。

碍航物物探测。

碍航物探测扫测面积大，对于疑存、概位扫测范围要求3.5公里×5公里，是海事测绘面临的重要疑难问题之一。

机载激光测深系统在正常飞行条件下测点密度可达2m×2m，对碍航物探测非常有效，可以与侧扫声呐探测相媲美。

近岸工程建设。

机载激光测深系统高分辨率、全覆盖的特点可满足近岸工程建设的对海底地形的需求。

海岸带管理。

机载激光测深系统可同时进行水深和岸线地形测量，可以为海底沉积物变化、海岸侵蚀、滩涂变化等提供实时性强、准确度高度海底地形数据和海岸地形数据。

五、结论

机载激光测深是实施沿岸浅水区测量的有效手段。

国际上加拿大、澳大利亚、瑞典等国家研发了成熟的产品，并得到了成功应用，提高了海道测量效率。

我国机载激光测深系统研发虽然起步较晚，但发展很快，已有较成熟的产品问世。

机载激光测深系统测量具有快速、高精度、全覆盖的特点，在浅水区域测量、碍航物探测、海岸带管理等领域有广泛的应用前景。