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，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 m 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 μm）和蓝绿激光（波长 532 μm）。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 、海水折射率n w 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 = ΔtC 0 cos[arcsin(sin(θθ/w ))]/(2n w )

∆t 是蓝绿光和红外光到达激光接收器的时间差；C 0 是激光在真空中船舶速度；n w

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

加拿大 OPTECH 公司相继推出了 S HOALS 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

2.瑞典HawkEye 系统

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：

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 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 60000 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 HD 系统。LADS HD 系统主要参数如下表。