播光| 机载双频激光雷达测深技术 - 海洋测绘中测深仪测量水深基于什么原理

宿命轮回 · 发表于海洋技术专业 2024-9-8 21:05:13

1. 海域测绘需求

我国海域是中华民族赖以生存和发展的蓝色宝库，也是抵御外来入侵的主要战场之一。海洋测绘是一切海洋开发和海上军事活动的基础，海底地形测量是海洋测绘最基本的任务之一。在现代海洋高新技术的介入和支撑下，海底地形测量技术获得了迅速发展，现已成为世界各海洋国家在海洋测绘方面的一个重要领域，在探测海底地形地貌、建设海洋工程、开发海洋资源、维护海洋权益以及军事等诸多方面都发挥了极其重要的作用。

当今的海道测量、航道疏浚及其它海洋工程探测通常是通过声呐设备(回声测深仪、条带测深仪、多波束测深系统)在船舶上进行的。船载多波束声纳成像技术是目前唯一获取大面积海底地貌的测量手段，但是针对浅海、岛礁、暗礁，船载多波束难以发挥其优势，甚至由于受到航道不明的因素而无法开展测绘活动，同时海况和船只速度等制约，难以进行灵活、快速大面积测量。目前航空摄像,机载和星载合成孔径雷达也有一定的水深测量能力，但是其测量深度、精度极其有限，而且其数据质量易受到海面波浪的影响。

2. 机载双频激光雷达测深原理

机载双频激光雷达技术是集激光测距技术、GPS定位技术、姿态测量技术、高速数字信号处理技术等多种高新技术于一体的新型主动激光测绘、侦查系统。在浅海海域、岛礁暗礁海区，机载激光测深系统具有如下优势和特色：

具有高的机动性和灵活性，能够快速获取特定区域海底地貌并成图；

作用范围广、测量效率高；

能够测量非常浅的海域，以及船只无法进入的海区，如具有暗礁或者未知航道的海域。

机载双频激光雷达技术的原理如下图，基于机载平台的双频激光雷达系统向下发射双波长窄脉冲激光，窄脉冲激光在海面和海底会发生两次反射，先后产生两个激光脉冲回波，第一个脉冲的时间延迟代表飞机到海面的距离，两个脉冲的时间间隔代表了激光从海表到达海底经历的时间，通过对两个时间的测量，可计算出飞机到海表和海表到海底的斜程，结合平台的定位和姿态信息，能够获取海底的三维地形。

图1 机载双频激光雷达测深原理

3. 国外机载双频激光雷达测深技术发展过程

激光雷达是利用激光作为发射源的主动遥感设备，它是二十世纪六十年代末迅速发展起来的一门综合性探测技术，采用蓝绿波长的机载双频激光雷达系统，可以实现快速、高效水深测绘。机载双频激光雷达测深技术发展主要经过了四个阶段：

3.1 探索阶段

20世纪60年代末到70年代初是属于探索阶段。第一代机载海洋激光雷达被美国海军、美国航空航天局、加拿大以及澳大利亚等国的国防部门在20世纪70年代成功演示。前苏联、瑞典和加拿大遥感中心则开展了船载试验工作。

3.2 系统的设计阶段

20世纪70年代后期，美国转到第二代激光雷达系统的设计，加拿大、澳大利亚国防部、前苏联也同时开展相关工作。加拿大和瑞典的研究机构开始采用扫描技术，扫描技术使得系统能够更加快速、经济地进行浅水测量。在20世纪80年代，第一台实用型机载激光测深系统—LARSEN-500在加拿大诞生。澳大利亚的WRELADS II 也随后成功完成，澳大利亚皇家海军的实用型系统LADS也开始了设计和研制。其它系统，如美国海军的HALS，瑞典的FLASH也在同时开展设计和改进工作。另外，三个多用途系统 (GOI, Chaika, and Makrel-II)在前苏联进行了测试。1988年，加拿大Optech公司开始为美国研制SHOALS系统。

3.3 定型和业务化运行阶段

20世纪90年代后，机载激光测深系统进入定型和业务化运行阶段。SHOALS在美国进入业务化运行，同时，LADS系统和Hawk Eye 系统则分别在澳大利亚和瑞典被正式使用。其中最具代表性的SHOALS系统经过多次升级，激光脉冲重复频率从最初的200Hz提升到1000 Hz，该系统采集数据的速度集满足国际海道测量组织1级标准，每小时采集数据覆盖70平方千米的区域，能够针对海岸带和较远的海岛礁进行业务化测绘工作。

3.4 多数据融合的产品化阶段

进入2000年后，主要的机载激光测深系统已经完全转化成商业产品，并且融入了光谱、相机等多源数据获取能力，多源数据处理和分析软件得到进一步完善，形成了完整的软件产品线。随着激光技术的发展，产品的硬件性能也进一步提升，尤其体现在测量点密度上，较前一代产品提升达到10倍。部分产品还针对深度小于15m的浅水区域增加了专门的高密度探测通道，进一步提升海陆交界区域的测点密度。同时，开发机载激光测深系统的公司开始提供针对不同用户需求的定制化产品，并且扩展了高密度陆地同步测量功能，满足用户对于海陆一体化测绘的需求。下面是国际上有代表性的机载激光测深系统的指标情况。

表1 国际上主要的机载激光测深系统技术指标

4. 我国的研究情况与技术基础

我国的机载双频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、中科院上海光机所等单位分别进行了相关的技术研究和系统研制，其中有代表性的是中科院上海光机所研制的成系列的机载双频激光雷达。从1998年开始，上海光机所先后开发成功了LADM-I、LADM-II和Mapper5000三代机载双频激光雷达系统。在我国的南海开展了超过30个架次的试验和应用示范飞行，获得了大量的海陆一体地形数据和海水光学参数数据。

图2 海陆一体测量点云图

图3 海岛（a）礁（b）DEM图

如表2所示，上海光机所的机载双频激光雷达技术不断改进和提升，系统的激光波长、激光重频、探测范围、探测精度、网格密度和仪器重量等关键指标得到较大提升。最新的Mapper5000系统，增加的偏振探测通道提供了更多的海洋剖面信息和底质信息，经过结构优化和减重后的系统总重量降低到了98 kg，最大单模块重量为60 kg，模块化的装配方式大大简化了现场安装人员的工作量。由于重量和体积的缩小，Mapper5000已经具备在大型无人机上的安装和使用条件。

5. 总结与展望

目前的机载双频激光雷达探测技术主要是瞄准海陆测绘，随着我国对海洋探索和研究的深入，新的海洋探测领域将会对激光雷达提出更多的需求，包括海洋环境、海洋动力、海洋生物和海洋资源等。对于机载双频激光雷达探测技术的升级和扩展将成为未来技术的发展趋势，发展方向包括如下6个方面：

1) 小型化和低成本：系统进行模块化设计，减小系统体积，适应无人机为代表的小型平台，降低系统的使用成本；

2) 处理速度的提升：将成熟的数据处理算法固化到硬件系统内，实现实时的数据处理，压缩数据成果的输出时间；

3) 探测能力的提升：包括测点密度和探测深度等，通过更高灵敏度的探测技术和更高性能的光源技术，提升系统的探测能力；

4) 探测波段的拓展：采用更加先进的激光器技术，在海水透过窗口内输出更多的波长，获取更加丰富的光谱剖面信息；

5) 数据产品的丰富：在测量地形的同时，提供海底底质、海洋光学参数、生物量等更加丰富的数据产品；

6) 探测机理的探索：开展激光与海洋光学量、生物量、环境要素和气象要素等相互关联关系的探索，为激光在海洋中的探测开辟新的研究领域。

未来的海洋探测平台将从船载提升到机载、星载，海洋遥感也将从表面观测深入到水下透视，以机载双频激光雷达探测技术作为起点的激光遥感将会凭借其不可取代的优势，在海洋探测领域发挥更加重要的作用。

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