机载激光测深

3.5　机载激光测深

随着空间数据应用领域的不断扩大，对获取准确可靠空间数据的要求也越来越高。机载激光雷达(LIDAR，light detection and ranging)作为一种经济可靠的技术随之孕育而生。激光本身具有非常精确的距离校正能力，测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除受激光本身因素的影响外，还受GPS及惯性测量部件(IMU)的内在因素影响。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台(如在飞机)上获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。

LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束离散的光脉冲，打在物体上并反射，最终被接收器所接收。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间，由于光速已知，所以可以测量出距离。结合激光器的高度、激光扫描角度、从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光始发方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的坐标x、y、z。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在3～4 m。

海道测量机载激光雷达的使用要比地形机载激光雷达早得多。机载LIDAR的海道测量是从20世纪60年代中期发展起来的，最先进可靠的一种设备叫做扫描海道测量机载激光雷达测量(SHOALS)系统，它是一种多用途的海道测量LIDAR系统。

激光是一种具有高度单色性、良好的相干性和强度的彩色光源。机载激光测深原理与回声测深的原理相类似。从飞机上向海面发射两种波段的激光，其中一种为波长1064 nm的红外光，另一种为波长532 nm的绿光，红外光被海面反射，绿光则透射到海水中，到达海底后被反射回来。两束反射光被接收的时间差等于激光从海面到海底的传播时间的两倍。

考虑海水折射率后，激光测深的公式为:

式中:c为光速;n为海水折射率;ΔT为所接收红外光与绿光的时间差。

机载激光测深系统目前测深能力一般在50 m左右，其测深精度在0.3 m左右。激光测深系统的组成一般包括以下6个部分:

①测深系统(DSSS)。测深系统使用两组激光光束，发射以每秒脉冲数为168次N_d和YAG激光脉冲。红外光束向海面垂直发射，获取离海面的高度;绿光脉冲以垂直于飞行航向，通过扫描镜获取航线下268 m宽的海面扫描线，从而获得一定间隔的海水深度。

②导航系统(NSS)。多采用GPS定位系统。

③数据处理分析系统(DPSS)。用来处理、记录位置和水深数据，也处理、记录系统操作所需的其他数据。

④控制-监视系统(CNSS)。用于系统操作员在控制台对系统进行实时控制和监视。

⑤地面处理系统(GPSS)。对机上的实时记录进行处理。

⑥飞机与维修设备。装载激光的飞机及维修设备也是这个系统中不可缺少的部分。飞机可以是直升机，也可以是固定机翼飞机。

机载激光测深具有速度快、覆盖率高、灵活性强等优点，在某些领域大有可为。机载激光测深可作常规海道测量之用，这也是研制机载激光测深系统的始动力。机载激光测深具有快速实施大面积测量的优点，被海洋大国广泛应用于沿岸大陆架海底地形测量之中。如澳大利亚用来对其2.10×10⁶ km²的大陆架测量，使用情况表明测量成果良好可靠。加拿大用其ARSEN-500测量北极海域，克服了天气恶劣、海况复杂等困难，效益明显。其他各国的海试表明，机载激光测深是测深技术的一次革命，虽然它不能替代回声测深，但其潜力不可低估。除常规的海底地形测量外，机载激光测深的覆盖率高决定了它还能提高探测航行障碍物的探测率。同时，机载激光测深还能提高水下运动目标(如潜艇)的发现概率。对无深度信息的登陆场，机载激光测深可迅速、安全地获取信息，从而提高快速反应部队的作战能力。机载激光还可用来测量海区的混浊度，测定温度、盐度。在海洋工程中，机载激光测深还可以测定港口的淤积等。