论文专区▏机载激光测深系统研制中的关键技术

【编者按：本文根据机载激光测深系统的工作机理，分析梳理了研制过程中涉及的主要关键技术，包括：高重复频率激光器研制、大动态范围微弱光信号提取、海底回波识别、海面波浪改正、浅水与深水分离测量、高速多通道数字采集、海陆分界识别、定位测姿、水位改正和测深数据质量控制等技术。只有成功突破上述关键技术，才能实现《海道测量规范》要求的测深精度指标。论文发表在《海洋测绘》2014年第3期上，现编发给朋友们阅读了解。考虑到排版关系，参考文献索引略。翟国君，男，1961出生，山西临汾人，高级工程师，博士，博士生导师，主要从事海底地形测量和海洋大地测量技术与应用研究。】

文/翟国君 黄谟涛 欧阳永忠 陆秀平

1、引言

鉴于机载激光测深技术具有高精度、高分辨率、灵活机动、快速高效和全覆盖的测深特点，自20世纪60年代以来，国内外众多机构相继投入大量的人力和物力研制开发机载激光测深系统。其中有代表性的国家机构主要包括：美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚、瑞典、法国、荷兰和中国。到目前为止，技术最为成熟、商品化程度最高、推广应用最好的代表性机载激光测深系统是加拿大OPTECH公司生产的SHOALS系列(目前已经升级到CZMIL)和瑞典AHAB公司生产的HAWKEYE系列。两个系列产品均具有4000Hz以上的激光器重复频率，其最大测深能力在清彻水域可达到50m，测深精度完全满足国际海道测量组织颁布的S-44标准。因此，两个系列产品在国际上占有绝对的市场份额。

在研制开发的初期，机载激光测深系统还不具备扫描功能和高速数据记录功能。在逐渐增加了激光扫描、高速数据记录、卫星定位和姿态测定等功能后，才使得机载激光测深系统变成真正的水深测量系统。由于海道测量的范围涉及水域和岸线附近的邻近陆地部分，新型的机载激光测深系统又增加了陆地地形测量功能，使得在岸线附近测量时可同时完成水深和岸线地形测量，实现海陆地形无缝拼接测量。

机载激光测深系统涉及的技术复杂、经费投入多、研制难度大，是集成了激光、卫星定位、姿态测定、航空、计算机、环境参数改正、测量数据处理等多种技术于一体的主动式测深系统。本文根据国内外机载激光测深系统的发展进程和我们的研发经历，对系统研制过程中涉及的主要关键技术进行梳理提炼，并提出一些建议。

二、机载激光测深系统研制涉及的关键技术

⒈ 高重复频率激光器研制技术

在研制机载激光海洋测深系统的过程中，激光器的选择与研制至关重要。机载激光测深是否具有可行性，关键在于所选激光器的各种参数(激光波长、脉冲能量、脉冲宽度、重复频率等)是否能使激光束在海水中传输到能够实用的深度，并经海底反射后还有足够的能量被飞机上的探测系统能够探测到。根据海水存在的透光窗口，测深激光器发出的激光脉冲波长一般在470～ 580nm之间，脉宽在5ns左右，激光器的重复频率在200Hz以上(早期曾采用50Hz、100Hz、168Hz)。由于海水的纯净度越高，海水的透光窗口就越向短波方向移动。因此，用于沿岸水深测量的机载激光测深系统的激光脉冲波长一般选在520～550nm之间。先后出现的激光器主要有：铜蒸汽激光器、燃料激光器(灯泵浦燃料激光器，准分子激光泵浦燃料激光器)、溴化汞(HgBr)准分子激光器、氯化氙(XeCI)准分子激光器、二极管泵浦Nd:YLF激光器、闪光灯泵浦Nd:YAG激光器、光二极管泵浦Nd:YAG激光器、Nd:YAG调Q倍频激光器、半导体泵浦Nd:YAG 固体激光器。其中最适合测深应用的成熟激光器是半导体泵浦Nd:YAG 固体激光器。这种激光器具有脉宽窄、重复频率高、出光效率高、能耗低、体积小、重量轻、稳定性高、寿命长、不怕冲击和振动等优点。这项技术的关键是如何在众多要求之间取得效益的最大化，尤其是要设法满足大功率、高重复频率的指标需求。需要突破的技术难题包括：减小激光器的热效应、降低腔内器件的破坏程度、提升泵浦均匀性、提高温度控制的精确性。

⒉ 大动态范围微弱光信号提取技术

由于海水特有的光学传输性质，使得光学信号在海水中传播时衰减很快，飞机上光学接收系统接收到的海底回波信号非常微弱。根据海表面回波信号功率和海底回波信号功率计算公式不难得出，一般情况下海底反射信号与海面反射信号的动态范围可达10³。如果考虑到海水的浑浊度、海底底质、海况因素、观测时间以及海水深度的差异等因素，激光信号的动态范围可达10⁶，甚至更高。

⒊ 海底回波识别技术

由于海底回波信号非常微弱，因此从噪声污染的微弱信号中高精度甄别提取海底信号的测距技术直接关系到测深功能的实现效果。有很多方法可实现普通声学信号、电磁信号波形的识别，但对于机载激光测深而言，由于信号强度动态范围大、回波信号微弱、背景噪声干扰多，如何将这些有效的微弱回波信号从噪声信息中提取和分离，并确定回波信号的返回时刻和返回强度，是系统研制过程面临的另一挑战。因为采用传统方法很难准确识别海底回波的拐点，如此势必影响水深测量的精度。解决问题的办法主要有：采用自适应阈值以及匹配滤波方式，提高检测准确性；采用灵敏度高的激光器元件，提高信号检测的精度。

⒋ 海面波浪改正技术

受风、流、浪、涌的影响，瞬时海面一直处于动态变化当中。由于激光落在海面的光斑大小有限，有可能落在波峰上，也可能落在波谷上，而我们要求理想的情况是激光的光斑落在海平面上。因此，海平面求定准确与否是影响测深精度的关键因素之一。提高海平面的求定精度，也就是通常所说的海面波浪改正精度，涉及到机载激光测深系统的硬件配置和数据后处理方法的选择。波浪改正准确与否一则取决于测定飞机本身起伏的准确性，二则取决于选用数学模型的精度。通常采用的做法是：自飞机向海面发射红外激光束和蓝绿光激光束，红外光由海面反射回飞机上的激光接收装置，由于其光斑足迹较大，故用于确定海平面的位置。蓝绿光则穿透海水由海底反射回飞机上的激光接收装置。在数据处理方面，充分利用激光器高重复频率和飞机姿态随机摆动的特性、扫描装置连续转动和海浪随机起伏的特点，以及IMU/POS所提供的飞机准确的升降、纵倾和横摇等姿态信息，采用一定的数学滤波方法来确定平均海面。

⒌ 浅水与深水分离测量技术

要想实现高精度的陆海无缝拼接测量，机载激光测深系统必须具备非常好的最浅水深探测能力。随着技术的发展，其最浅水深探测能力已经从最初的2m提高到目前的0.2m甚至0.15m。为了实现尽可能高的最浅探测能力，可选择：一是采用更高灵敏度的激光器；二是尽可能采用更窄的脉冲宽度；三是采用更高的数字采集速率；四是采用更优的激光信号提取算法。但最浅探测能力的实质性改善还需要借助于分离通道技术来解决。因为近海海面散射信号非常强，所以采用一个探测器很难兼顾浅水和深水测量。另外，测量深水水底信号时，需要加大接收视场角，以获得更强的测量信号，而大的接收视场角会造成近表层信号的叠加，影响近表层的测量，使系统无法获得小于2m以下海底深度信息。采用分离通道，针对浅水和深水进行独立测量。对浅水通道，采用小的接收视场角，正交偏振器和高速、低灵敏度探测器相结合，有效分离海表和浅海水底反射信号。同时采用窄带干涉滤光片、小口径探测器以降低噪声，提高测量信噪比。只有这样，才有可能实现更好的最浅水深探测能力。

⒍ 高速多通道数字采集技术

为了精确测量海底深度，需要对整个激光回波波形进行数字化处理，否则无法准确识别海底回波信号的拐点。其处理过程通常称为高速多通道数字采集技术，采用的设备称为高速数字采集系统。要想获得好的处理效果，应尽可能采用速率为500MHz甚至1GHz或者更高速率的数字化仪，对海表和海底信号进行数字化采集。

⒎ 海陆分界识别技术

海陆分界的识别是实现陆海无缝拼接测量的前提。为了解决海面和陆地的识别问题，以加拿大Optech公司生产的shoals系列机载激光测深系统为代表，特别增加了第三个光学通道，利用647nm的红光的喇曼后向散射进行海面检测以及海面与陆地的区分。

⒏ 定位测姿技术

深度测量和定位是水深测量的主要工作内容。对于水深测点定位和水深成果的精度要求在有关文献中都有明确的规定。机载激光测深技术初期发展缓慢除了是因为受到激光器和扫描装置的制约之外，卫星定位系统和高精度姿态传感器尚未出现也是很重要的原因。自20世纪80年代之后，机载激光测深系统的定位与测姿问题已得到很好的解决。通常利用卫星定位与惯性导航(GNSS/INS)相结合来确定飞机的位置和姿态。这种组合导航系统有利于充分发挥两者各自优势并取长补短，利用GNSS的长期稳定性和适中的精度，来弥补INS测量误差随时间而积累的缺点，利用INS的短期高精度来弥补GNSS接收机在受干扰时误差增大或遮挡时丢失信号等的不足，进一步突出捷联式惯性导航系统结构简单、可靠性高、体积小、重量轻、造价低的优势，并借助惯导系统的姿态信息和角速度信息，提高GNSS接收机天线的定向操纵性能，使之快速捕获或重新捕获GNSS卫星信号，同时借助GNSS连续提供的高精度位置信息和速度信息，估计并校正惯导系统的位置误差、速度误差和系统其他误差参数，实现对其空中传递对准和标定。

⒐ 水位改正技术

载体姿态改正、延时改正、光的折射改正、波浪改正、水位改正等，都是机载激光测深数据处理的重要环节。由于沿岸验潮站的潮差变化大，因此水位改正的完善与否将直接影响水深测量成果能否达到测量规范要求。尤其是要求全覆盖测量的重要浅水区，水位改正更是数据处理时需要特别重视的一项改正。因此研究确定高精度的水位改正方法就成为数据处理的重要内容。而如何设计和实现验潮站控制范围大、潮位计算精度高、计算过程简便的水位改正方法一直是海道测量工作者研究的问题之一。除了传统的时差法和潮汐数值预报水位改正方法之外，利用余水位法进行多波束测深水位改正的技术也日益成熟和完善，完全可以移植到机载激光水深测量中。

10.测深数据质量控制技术

影响机载激光测深精度的因素很多。由于海水浑浊度、海底底质、海况以及激光测深系统本身等因素的影响，测深数据中粗差的出现不可避免。另外，由于测深系统校准不完善、测量时遇到不好的天气条件、飞行员操作不平稳、回波信号质量欠佳等原因，主测线与检查线在交叉点处的水深不符值可能会很大。以上这些因素导致的系统误差、偶然误差和粗差必然直接反映到水深测量成果中。为了提高水深测量成果的可靠性，除了可采取提升测深系统本身的稳定性、完善仪器校准和比对方法、选择良好天气作业等手段外，还必须选择有效的数据处理方法，以控制和补偿系统误差、减小偶然误差、识别和剔除粗差。这些方法主要包括测线网平差、条带拼接、抗差估计、低通滤波、三维可视化检查等。

三、结束语

机载激光测深系统的研制涉及激光技术、扫描技术、海洋光学、定位测姿、测量数据处理等多项技术，任何一个环节的疏忽都将导致最终水深测量成果无法满足测量规范的精度要求。本文根据国外和我们对机载激光测深系统的研制经验，梳理提炼了其中的10项关键技术，涵盖硬件研制、软件算法、质量控制等几个主要方面，只有很好地解决了这些问题，才能研制出测量精度高、可靠性好的机载激光测深系统。本文的梳理提炼对推动我国机载激光测深技术的发展，具有一定的参考和借鉴作用。