机载激光雷达海洋测深技术.ppt

28自然资源科普与文化·2023年第3期精准绘就 方寸尽显文图/金鼎坚 吴 芳 高子弘 于 坤 赵 政——机载测深激光雷达探测水下奥秘第一作者简介 金鼎坚，高级工程师，主要从事航空遥感地质技术研究与应用工作。

近年来，随着卫星遥感技术的快速发展和无人机遥感技术的强势崛起，遥感，这一“神秘”的高科技越发明显地呈现出大众化趋势，在土地、矿产、海洋、测绘等自然资源各行业都获得广泛应用，大众熟知的程度也越来越高。

作为一种空间对地观测技术，遥感通常被认为只能获取地球表面信息。

实际上，一些特殊的遥感技术不仅能获取地球表面信息，还能一定程度地穿透植被、水体等，揭示地表覆盖下不为人知的秘密。

机载激光雷达测深（Airborne LidarBathymetriy ）即是这样特殊的遥感技术，专门用于从空中探测浅水水下信息。

机载测深激光雷达：遥感家族中的“隐世高手”机载激光雷达遥感是以机载激光雷达为传感器的一种航空遥感技术，按照功能和应用场景的不同，可分为机载> 航空遥感飞机进行测绘作业> 无人机29自然资源科普与文化·2023年第3期陆地激光雷达和机载测深激光雷达。

机载陆地激光雷达主要应用于陆地测量，目前在地形测绘、地质灾害调查、林业调查、电力巡检、建筑物三维建模等领域广泛使用；机载测深激光雷达则具有一定的水体穿透能力，可以探测水下地形、水体光学特性及水下目标等，主要应用于海岸带、海岛礁，以及内陆河流、湖泊的测量。

机载陆地激光雷达近年来发展迅速，声名鹊起；机载测深激光雷达则显得默默无闻。

实际上，机载激光雷达测深技术的发展比机载陆地激光雷达更早。

1960年，世界上第一台激光器问世，仅隔8年，美国锡拉丘兹大学（Syracuse University ）的科研人员就建造了世界遥感，顾名思义为遥远的感知，是指不直接接触目标物体，而使用传感器接收物体反射或发射的电磁波信号，揭示物体的几何与物理特性及其变化特征。

星载激光雷达全球海洋测深研究海洋水色遥感是实现全球海洋水体光学参数和颗粒物空间观测的主要手段，自1978 年第一台水色传感器(CZCS) 成功运行至今，卫星水色遥感作为全球观测系统的一个重要组成部分，在海洋初级生产力、海洋碳循环和海洋生态环境等领域发挥了重要作用。

目前业务化运行的星载水色传感器均采用被动光学遥感技术，利用海水组分对太阳光的吸收和散射特性，通过测量海面向上光谱辐射，获得海水固有光学参数IOPs以及叶绿素a浓度、颗粒有机碳POC浓度和颗粒无机碳PIC浓度、悬浮物SPM浓度生物地球化学参数。

激光雷达作为一种主动光学传感器，能够进一步提高空间全球海洋观测能力，已引起了海洋光学和水色遥感领域专家的极大兴趣。

目前在轨运行的星载云-气溶胶激光雷达（CALIOP) 已显示出海洋探测的潜力。

与被动水色传感器相比，星载海洋激光雷达具有获取垂直剖面数据和不受大气校正影响的优点，可以工作在白天和晚上，而且能覆盖太阳高度角较低的高纬度地区。

由于光波在海水中传输时衰减速度很快，海水光学性质及激光波长会显著影响激光雷达的探测深度。

文中基于激光传输过程，根据激光雷达方程和给定的激光雷达参数，对星载海洋激光雷达探测全球海洋的最优波长和最大探测深度进行了估算。

一、探测深度全球分布利用表1所示的海洋激光雷达参数和MODIS年平均海洋光学参数数据，文中对星载激光雷达全球海洋探测深度进行了估算。

发射激光参数的设定主要考虑了人眼安全阈值，并将不同波长的单脉冲能量设定为相同数值。

考虑到大气透过率受气溶胶和云的影响较大，存在较大的不确定性，这并非文中讨论的重点，因此在计算过程中将单程大气透过率假设为0.8。

背景光光谱辐亮度的数值在400～600nm的可见光范围内变化较小，因此计算过程中忽略了其随波长的变化。

表1中的背景光光谱辐亮度为太阳直射时的数值，计算时假定太阳直射赤道，并考虑背景光光谱辐亮度随纬度的变化。

所用的MODIS数据为Level 3全球年平均产品，包括吸收系数a和后向散射系数bb，水平分辨率为4km，包含6个波段(412、443、488、531、547、667 nm)。

水深测量（简称测深）是水下地形测量最主要的内容。

根据使用的测量工具，测深方法主要有：人工测量测深声呐测量此外，机载激光雷达测深仪（Airborne Lidar Bathymeter）从20世纪60年代末期开始用于水质透明度好的水域，测深深度可达60米，目前，该项技术并未得到广泛使用。

本节将重点介绍：人工测深单波束声呐多波束声呐测量一、人工测深在水下地形测量中，最早的测深工具是测深杆和测深锤。

尽管现在的测深设备主要是测深声呐，但在在水草密集的区域，或者极浅滩涂等声呐设备无法工作的地方，这些原始的测深工具仍然在发挥作用。

一、人工测深测深锤重约3.5kg，水深与流速较大时可用5kg以上的重锤。

在测深锤的绳索上每10cm作一标志，以便读数。

由于测深锤只适用于水深较小、流速不大的浅水区，测深时应使测深锤的绳索处于垂直位臵，再读取水面与绳索相交的数值，其测深精度与操作人员的熟练程度有很大关系，且工作效率低。

一、人工测深一、人工测深测深杆适用于水深5m以内且流速不大的水区。

同样，在测深杆上每10cm作一标志，以便读数。

现在虽然很少用测深杆进行水深测量，但在浅滩测量时，当回声测深仪难以反映小于1m的水深时，用测深杆进行水深测量更加有效。

二、单波束测深仪测量在19世纪20年代，人类就能够测量声音在水中的传播速度，直到一个世纪后才研制出了第一台回声测深仪，逐渐结束了人类用测深锤和测深杆测量水深的历史。

目前，回声测深仪（也称测深声呐）用途最广，是国内外进行水深测量的最基本的仪器。

1914年，美国设计制造第一台回声测深仪；约1940年，周同庆(1907-1989，物理学家、教育家)研制出我国第一台自动回声测深仪。

随着电子工业的发展与集成电路技术的应用，测深技术不断得到改进，测深仪从模拟信号处理发展到数字信号处理，极大地提高了水深测量的精度和效率。

二、单波束测深仪测量（一）测深原理测深仪的型号虽多，但其测深的基本原理都是利用声波在同一介质中均匀传播的特性。

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。

机载蓝绿激光海洋探测和传输系统关键技术及应用项目简介海洋垂直剖面测量是海洋观测的前沿技术，机载蓝绿激光雷达是目前可以实现海洋航空立体遥感的唯一手段。

项目组历经十多年持续攻关，发明了提升蓝绿激光海洋穿透深度、抑制背景干扰和海面扰动等核心技术，解决了机载蓝绿激光海洋剖面遥感和跨介质高速光通信技术在真实海况下的应用瓶颈问题，研制出我国唯一的机载蓝绿激光高分辨海洋探测系统和机载蓝绿激光跨介质高速通信系统，打破国外技术封锁，填补国内空白，在我国南海岛礁测绘、海洋环境监测和跨介质信息传输等领域获得重要应用，发挥了不可替代的作用。

本项目的主要技术发明和核心关键技术如下：发明点1：发明了瞬时光信号动态范围的非线性压缩技术。

设计出特种光学空间频率滤波器，信号动态范围压缩超20分贝，确保50分贝动态范围下信号的无失真探测，并应用到机载激光探测系统中，经多海域下飞行验证，0.2~50米深度范围的水深测量精度均优于±0.2米，达到国际领先水平。

发明点2：发明了光子数可分辨的微弱信号探测技术。

通过回波信号的多级光子甄别，实现光子数可分辨的光子计数探测，并结合激光编码调制与光子计数相关技术，使得测量系统兼容单光子量级和多光子数的信号范围。

经不同海域大量飞行验证，空中与水下平台间的跨介质蓝绿激光通信系统实现从浅海到120米以深的可靠通信，最大通信深度达到国际领先水平。

发明点3：发明了多孔径视场拼接和最大比分集的自适应阵列接收技术。

利用窄视场的多孔径拼接，实现等效口径下的总接收视场提升至60度，解决了海-气界面动态变化下的蓝绿激光通信对准难题；经不同海况下的验证，空中与水下平台间的跨介质蓝绿激光通信系统可在5级海况以下实现高信号稳定和低误码率。

发明点4：发明了匹配海水最佳透过率和太阳暗线的蓝绿脉冲激光源技术。

利用高效非线性频率变换技术，发明了与太阳夫琅禾费Mg和H-β暗线匹配的蓝绿脉冲激光源，暗线波长的太阳背景辐射可降低两个量级，且处于海洋最佳透过波段，显著提高了激光探测和通信信号接收的信噪比，扩展机载蓝绿激光海洋探测和传输系统的有效工作时段。

机载激光雷达在海洋研究方面的应用0 引言机载激光雷达测量技术的发展为获取高时空分辨率的地球空间信息提供了一种全新的技术手段，使人们从传统的人工单点数据获取变为连续自动数据获取，提高了观测的精度和速度，使数据的获取和处理朝智能化和自动化方向发展。

机载海洋激光雷达是利用机载的蓝绿激光发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海洋水下目标的一种先进技术。

主要解决海洋调查中的如下问题：①水下地形地貌测量；⑦河口、港口泥沙淤积变化；③水下地质灾害；④水下资源勘查；⑤海岸带工程建设。

[1]1 机载海洋激光雷达概述自1968年第一个激光海水测深系统研制成功以来，国内外近十个国家，先后开展了机载海洋激光雷达的研究工作，研制或生产了十余个机载海洋激光雷达系统。

特别是90年代以来，半导体泵浦大功率、高脉冲重复频率Nd：YAG激光器技术的进步和实用化，导致了世界范围内机载海洋激光雷达系统研究的又一个新的高潮，各国争相研制新一代实用化的雷达系统，应用范围也逐渐扩大，同时一些新的国家(包括中国、法国等)也加入到机载海洋激光雷达的研制行列中来，使得这一技术成为了海洋探测研究方面的一大热点。

与声纳技术相比，尽管机载海洋激光雷达的探测距离小，但是其搜索效率和探测电点密度都远远高于声纳，此外，它还具有很强的机动性、运行成本低和易于操作等许多优点。

由于具有这些优点，机载海洋激光雷达可以广泛用于海水水文勘测(包括浅海水深、海底地貌测绘、海水光学参数的遥测等)、水下潜艇探测、水雷探测、鱼群探测、海洋环境污染监测等众多领域。

目前，声纳在深水探测方面仍然是唯一的主要技术，而在浅水探测方面，机载海洋激光雷达已经显示出比声纳更强的竞争力，是一种极具诱惑力的新技术。

[2]2 机载海洋激光雷达对赤潮监测方面的应用[3]近年来，赤潮发生规模呈现不断扩大的趋势。

1998～2003年，在渤海、东海都发生了面积达到几千平方公里的特大赤潮，这在国际上都非常罕见．由于赤潮形成机理复杂，目前尚无十分有效地方法防治赤潮的发生，只能通过监测和预报的手段来减少赤潮造成的损失．常用的方法是基于船载的水质监测和浮标站定点连续自动监测等方法。