机载激光雷达测深技术及应用.docx

1、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

2、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

3、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、

4、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，Duntley S Q 和 Gilbert G D 等人在研究光波在海水中传播规律时，发现 0.47-0.58 mm 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 1046 m ）和蓝绿激光（波长 532 m ）。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

5、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 = tC0 cosarcsin(sin(/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；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

6、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

7、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 SHOALS 200（1994 年）、SHOALS 400（1998 年）、SHOALS 1000T（2003 年）、SHOALS 3000T（2005 年）、SHOALS 3000（2010 年）。其中，SHOALS 3000T在日本、美国、台湾都得到广泛应用。SHOALS 1000T 和 SHOALS 3000T 的技术指标如下：模式 型号参数SHOALS 1000TSHOALS 3000T测深型模式测量频率1000HZ3000HZ飞行高度200-400m300-400 米水深精度IHO o

8、rder 1IHO order 1水平精度IHO order 1（2.5m）IHO order 1最小探测深度0.2 米0.2 米最大探测深度50m50m水深点密度2m2m，3m3m4m4m，5m5m2m2m，3m3m4m4m，5m5m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125-180knots125-260knots电源要求60A，28VDC70A，28VDC测地模式测量频率垂直精度10kHz25cm，1 20kHz25cm，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/

9、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1.7m1.7m 至 3.5m3.5m间，可选择其它选项海底目标探测水平IHO Order 1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0.5m0.15m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Hawk Eye 系统。目前，HawkEye II 系统是瑞典

10、最为成熟和最具代表性的机载激光测深系统。Leica 公司在 Leica Chiroptera II 基础上升级研发了 Leica HawkEye III。Leica HawkEye III 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（2 ）深水： 0.32 +（0.013 depth）2 m（2）

11、运行温度0-35储藏温度-10-50电源18-32V DC，2X50A28 V DC测地模式频率500KHz垂直精度0.02m水平精度0.2m3.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 RAN LADS 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 BHP Engineering 和 Vision System 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 6

12、0000 平方公里。1995 年，Vision System 公司又投资 2400 万澳元研制新的机载激光测深系统，名为 LADS MKII。LADS MKII 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 Tenix Pty 公司机载激光雷达业务。2011 年，LADS MK III 完成试飞。相比 LADS MK II，LADS MK III 体积更小，不需要专门的大飞机。荷兰 Fugro 在 LADS MK III 的基础上，2015 年发布了LADS H

13、D 系统。LADS HD 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22m 至 4.64.6m 间可选测深精度IHO order1（0.5m）水平精度IHO order1（5.0m）目标探测IHO order1a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

14、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22m 至 4.64.6m 间可选测深精度IHO order1（0.5m）水平精度IHO order1（5.0m）目标探测IHO order1a运行温度0-40姿态74.CZMIL 系统CZMIL 机载激光测深系统是 SHOALS 3000T 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

15、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 ， 2水平位置精度（3.5+0.05 depth）m， 2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，2垂直测量精度0.15m，2（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

16、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

17、 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-Mapper 5000。Mapper 5000 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 1.1m1.1

18、m，陆地测点密度 0.25m0.25m。Mapper 5000 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

19、，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

20、，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 2m2m，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。