機載藍綠激光測深的研究進展*

鄭 彤 李厚樸

（1.海軍裝備部駐武漢地區第五軍事代表室 武漢 430000）

（2.海軍工程大學 武漢 430000）

1 引言

“21 世紀海上絲綢之路”戰略的提出，促進了海洋測繪的發展。作為海洋測繪的重要基礎數據，海底地形數據的精度直接影響到海洋信息的表達效果。因此，海底地形數據的精密獲取和分析處理在海洋測繪工作中必然占據著非常重要的地位。

目前，海道測量，港口航道疏浚以及海洋工程探測的作業，一般是采用聲納測量設備，將設備安裝在船舶上開展作業。聲納信號無法穿過水與空氣的分界面，只能在水下高速傳播，這種狀態導致海洋測量受制于海洋環境，尤其是測量平臺的船速，以及測量海洋海況的限制，無法開展大面積靈活、快速的測量作業。

回聲測深是目前非常成熟，應用較為廣泛的水深測量手段，多波束測深系統和單波束測深儀是最為典型的測深設備代表。特別是后發展起來的多波束測深包括多波束聲學子系統，數據采集、處理子系統和多波束空間位置傳感器子系統。以20 世紀80 年代末為起點，商用多波束測深系統技術日趨完善，出現了不同類型的新型多波束系統。多波束測深系統在深水測區具有很大的優勢，但在50m以淺水域的測量效率并不高，實現全覆蓋測量一般需要布設較為密集的測線，測量作業時耗時較大。而機載激光測深可以一定程度上解決此類缺點。

機載激光測深，簡稱為“測深LiDAR”，對應的英文為Bathymetric Light Detection and Ranging，是近二三十年新發展起來的高效的海洋測深技術之一，集成了激光、自動控制、航空、GNSS、計算機等一系列前沿技術，它用飛機作為搭載平臺，機載傳感器發射激光束探測其下方水深的一種先進的測深方法［1］，其系統工作原理圖如圖1所示。

圖1 機載激光測深系統原理圖

我國的大陸岸線約為18000 多千米，管轄約300多萬平方千米的海域面積，擁有6500多個面積大于500 平方米的島嶼，島嶼的海岸線合計長達14000 多公里，蘊藏著豐富、寶貴的海洋礦產與生物資源。針對我國海岸線綿長，島嶼眾多的國情，利用機載激光開展高精度的水深測量技術具有特別重要的實用價值。隨著我國開發豐富的海底資源，周邊相鄰各國對其都是虎視眈眈，而藍綠激光比其他波長的電磁波輻射具有更強的海水穿透能力，可以利用它來搜尋潛艇［3］。機載激光測深系統在測量作業時是主動測深方式，在沿岸淺于50m的水域，該技術更可以發揮其優越性。主要優點如下［4］：

1）覆蓋寬度僅與飛機平臺的航高和激光測深系統測量條帶寬的高比有關，不受測量區域的水深影響，而多波束測深系統則不具備這一顯著的優點；

2）飛機平臺在測量作業時其速度遠遠快于船速，因而機載的方式具有非常高的測深效率和機動性；

3）機載激光測深系統可以實現水域和陸地同時測量，也就是說在岸線附近，可以一邊測量水深，一邊測量岸線附近的地形。

機載激光測深系統具有諸多優點，包括：精度高、低消耗、測點密度高、覆蓋面廣、測量周期短、易管理以及高機動性等。但機載激光測深技術涉及諸多學科，體系復雜，研制難度很大，當前我國對該技術處于跟蹤、研制階段，尚沒有形成用于測量作業生產的產品，還存在許多技術問題亟待解決。

2 機載激光測深系統的發展

機載激光測深最早于20 世紀60 年代后期提出，開展海洋激光探測技術研究與應用最早的國家是美國。美國Syracuse 大學的Hogg 和Hickman 于1968 年驗證了利用激光測量水深技術的可行性，建立了激光海洋探測技術的初步理論基礎，從而研制了世界上第一套激光海水測深系統［5～6］。隨著科技的發展和進步，一些國家如美國、加拿大、澳大利亞、法國、奧地利、俄羅斯、瑞典、荷蘭、中國等開始探索發展機載激光測深技術［7］。

目前，國際上發展成熟度較高的5 種機載激光測深系統是澳大利亞的LADS 系統、瑞典的Hawk Eye 系統、加拿大的SHOALS 系統、美國NASA研制的EAARL 系統，以及由SHOALS 系統的升級版本CZMIL 系統。上述機載激光測深系統的測量原理基本相同，但由于研制技術儲備、應用驗證等方面的因素，不同系統的功能和技術指標之間的差別還比較大。加拿大OPTECH 的SHOALS 3000T 作為其最新型號，可以根據應用場景選配高光譜遙感、高分辨率數碼相機以及超光譜等不同模式的先進配件，具有水深、地形同步測量功能，是已成功定型的商業機載激光測深系統。HawkEye II 型系統設備，具有技術先進、成本效益高、海域與陸地可以無縫測量等優點。Hawk Eye II 系統研制后主要銷售給瑞典皇家海軍沿岸測量隊以及挪威的Blom 公司。海軍部沿岸測量隊充分利用Hawk EyeⅡ系統的技術優勢，完成了許多復雜的測量任務，提供了有效的保障服務，在上述業務的基礎上向世界范圍內提供更多的測量服務。澳大利亞TENIX 的LADS MK II 系統裝備于沖8-202 飛機平臺并開始投入工程應用中，能夠為較深的海區提供更有效、更快捷和更高精度的服務。美國NASA 在EAARL系統實驗的基礎上進行了改進，研制了新型的機載搜索激光雷達（EAARL）系統，它具備近岸水深、沙質海灘、珊瑚礁以及沿岸植被同時測量的機載激光雷達系統。相較于傳統的機載測深激光雷達，EAARL 有四個主要特征：相對短的激光脈沖（1.3ns）；更窄的接收視域（FOV）（1.5mrad～2mrad）；實時后向散射數字化振幅波形信號；用軟件代替實時信號處理硬件單元。

在國內，開展過激光水下探測系統研制與論證工作的單位有：上海光機所、青島海洋大學、華中科技大學、西安光機所、長春光機所以及西安測繪研究所等，但是限于技術儲備等因素，都沒有研制出投入生產的成品。國內學者李樹楷于1996 年在集成INS、GPS、掃描成像儀和掃描激光測距儀的基礎上，研制出了一套新穎的航空遙感系統原理樣機。海軍海洋測繪研究所聯合中國科學院上海光機所在國家863 計劃的資助下，對機載激光測深系統開展了深入的研究，研制出了系統原理樣機，并在我國的南海海域進行了飛行測量試驗，成功地獲取了非常有價值的試驗數據。

表1 主流的機載激光測深系統技術參數對比表

3 機載激光測深數據處理技術研究進展

3.1 國外研究進展

自1968 年美國科學家成功研制第一臺激光水下測量系統以來，利用機載激光水深探測技術確定海底水深等的各種理論與方法得到了飛速的發展。Guenther G（1978，1989），Hickman G（1969），Muirhead K（1986），Banic J（1986），Hoge F（1980），Curran T（1988），Lillycrop W（1998），Steinvall O（1998），Ralph H（1998），Ackermann F（1999），Baltsavias E（1999，2000），Wehr A（1999），Toni S（2001），Krabill W（2000），Martin（2001），Vikramjit（2005），Torbjorn（2012），Bowens A（2011），Doneus M（2013），Irish J（1998），Nayegandhi A（2009），Monfort C（2011），Pastol Y（2011），Xhardé R（2011），Brock J（2006），Stockdon H（2009），Chust G（2008），Colin A（2010）等國外專家學者在機載激光測深方面做了很多研究，產生了很多成果。Kerker M（1969）分析了激光在大氣中傳輸的特性，分析得出了激光光束與傳輸介質相互作用由此產生的吸收、散射導致激光衰減的量化分析結果；Guem Y 等（1976）給出了用二維高斯分布描述海浪的斜率分布，同時通過試驗發現激光束在穿越大氣海水界面時，光束特性的改變將直接影響探測效果。Schippnick P F（1990）通過試驗得出了機載激光在進行水深測量或進行水下小目標探測時，建立了海水中準直光束的傳輸唯像理論模型。Hickman 等（1972）證實了機載激光的測深能力受限于水中的衰減系數和散射系數之比，發現了藍綠光從海面向海底的傳輸，以及海底向海面的傳輸是兩種不同的過程，采用有限尺寸光源的距離定律和激光水下傳輸的唯像理論模型，試驗表明該模型的采用可以較全面地分析機載激光測深能力的影響因素，能夠更精確地計算機載激光測深能力。

隨著慣導、激光、GNSS 定位、北斗和計算機等多種技術的全面進步，機載激光測量水深的性能也在不斷提高。為提高水深測量精度，目前機載激光水深測量開始數據處理方面研究，針對如何合理、有效地提取激光回波信號的技術問題上，Billard B.等（1986）提出了一種包括在回波信號中應用高通濾波剔除信號的低頻部分，同時在對兩種高頻脈沖識別的基礎上再進一步處理在回波信號中探測海底反射信號的運算法則；Guenther G.C.等于1988年論述了處理回波信號波形的方法，使用了啟發式的識別規則，對海表和海底的回波信號進行識別；Wong H.等（1991）論述了每一束回波被分解成兩組獨立信號，即海表反射信號和海底反射信號，再依據這兩種回波信號中進行水深的估算。在估算水深之前分離出水表和水底反射信號的原因是當水深比較小時，水底回波反射信號可能會與水表回波反射信號發生重疊，或者在水質比較渾濁的情況下，后向散射回波信號與海表、海底的回波信號的發生重疊的水深自動估算方法；Wong H 同時還指出，信號重疊是水底回波信號產生偏移的主要原因，最不理想的情況是水底反射信號完全嵌入在回波信號當中。

3.2 國內研究進展

相比國外，我國于20 世紀80 年代初才開展了機載激光水深測量技術的研究。劉經南（2002），劉焱雄（2014，2017），李慶輝（1996），陳文革（1998），黃謨濤（2000），葉修松（2010），昌彥君（2001），朱光喜（2002），翟國君（2006-2014），申家雙（2002），歐陽永忠（2003），任來平（2002），吳自銀（2005），李家彪（2001），陽凡林（2008），李海森（2012），趙建虎（2008），秦海明（2016），王越（2014），張永生（2015），徐啟陽（1996-2002），劉基余（2000），姚春華（2003），陳衛標（2004），戴永江（2002），賴旭東（2010），劉基余（2000），王建軍（2014），張國威（2002）等國內的專家學者對機載激光水深測量進行了軟硬件及算法理論的研究。陳文革等（1997）研究了采用蒙特卡洛模擬法的探測水下目標的海洋雷達系統光束擴散的問題；任來平等（2002）介紹了機載激光測深技術的橢圓掃描原理，并且推導了該方式下計算激光海面掃描軌跡的數學模型。在對當前機載激光測深系統研究分析的基礎上，翟國君等（2014）結合我國機載激光測深技術的研究現狀，總結了4 項系統研制的難點與關鍵技術，分析了海洋測繪中采用該技術在的意義與重要作用［7］。劉經南（2002）、張永生（2016）研究了機載激光系統誤差分析問題，陸秀平（2011）、劉基余（2000）、陳衛標（2004）、姚春華（2004）等對機載激光測深精度和最小可探測深度進行了十分詳細的分析和描述。任來平（2002）、申家雙（2003）、黃謨濤（2000）、歐陽永忠（2002）等對測深位置歸算與載體姿態及波浪改正技術進行了研究。徐啟陽（1996）等對唯像雷達方程進行了分析研究。

4 結語

鑒于機載激光測深系統具有覆蓋面廣、精度高、測量周期短、測點密度高、易管理、低消耗、高機動性等特點，已成為開展快速高效水深測量的最具發展前途的手段之一。同時，機載激光測深數據分析問題得到深入研究，國內外學者為此取得了大量富有成效的研究成果。但是在我國機載激光測深技術研究開始較晚，有許多關鍵性技術難題沒有破解，又沒有實測數據支撐，其數據處理理論與方法體系還需完善，面臨的挑戰更大。