机载蓝绿激光测深的研究进展.pdf
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1、舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期总第 347 期2023 年第 5 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.51引言“21世纪海上丝绸之路”战略的提出,促进了海洋测绘的发展。作为海洋测绘的重要基础数据,海底地形数据的精度直接影响到海洋信息的表达效果。因此,海底地形数据的精密获取和分析处理在海洋测绘工作中必然占据着非常重要的地位。目前,海道测量,港口航道疏浚以及海洋工程探测的作业,一般是采用声纳测量设备,将设备安装在船舶上开展作业。声纳信号无法穿过水与空气的分界面,只能在水下高速传播,这种状态导致海洋测量受制于海洋环境,尤其是
2、测量平台的船速,以及测量海洋海况的限制,无法开展大面积灵活、快速的测量作业。回声测深是目前非常成熟,应用较为广泛的水深测量手段,多波束测深系统和单波束测深仪是最为典型的测深设备代表。特别是后发展起来的多波束测深包括多波束声学子系统,数据采集、处理子系统和多波束空间位置传感器子系统。以20世纪80年代末为起点,商用多波束测深系统技术日趋完善,出现了不同类型的新型多波束系统。多波束测深系统在深水测区具有很大的优势,但在50m收稿日期:2022年11月9日,修回日期:2022年12月17日基金项目:国家自然科学基金项目(编号:41474061,41576105,41631072)资助。作者简介:郑彤
3、,女,博士研究生,研究方向:舰船武备电子。机载蓝绿激光测深的研究进展郑彤1李厚朴2(1.海军装备部驻武汉地区第五军事代表室武汉430000)(2.海军工程大学武汉430000)摘要机载激光测深系统具有测深精度高、测点密度高、覆盖范围广、低消耗、测量周期短、具备高机动性等特点,是目前最具有发展前途的在浅海,暗礁,岛礁及一般船只无法到达水域,开展水深测量的快速、高效、经济的手段之一。论文总结分析了当前机载激光测深数据处理的关键技术及相关的研究工作。蓝绿激光测深数据处理理论的研究成果可广泛应用于海洋资源开发、空间技术发展和地球科学研究等多个应用领域,具有重要的研究价值和明显的军事效益。关键词机载激光
4、测深系统;数据处理;异常值探测;信息融合中图分类号TJ95DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.044Development of Airborne Laser Bathymetry TechnologyZHENG Tong1LI Houpu2(1.The Fifth Military Representative Office of Naval Equipment Department,Wuhan430000)(2.Naval University of Engineering,Wuhan430000)AbstractThe airborne laser
5、bathymetry system has the characteristics of high precision,wide coverage,high density of measuring points,short period of measurement,low consumption,easy management,and high mobility,which is one of the most promising means for the implementation of fast and efficient bathymetry especially in the
6、area of shoal water,islands,reef,submergedreef and places that ships are unable to reach safely.The paper summarizes and analyzes the key technologies and related researchwork of airborne laser bathymetry data processing theory.And the theory can be widely applied in activities such as investigation
7、 ofmarine resources,space technology development and application of earth science research,which has important research value andobvious military benefits.Key Wordsairborne laser bathymetry technology,data processing,outlier data,information fusionClass NumberTJ95217总第347期以浅水域的测量效率并不高,实现全覆盖测量一般需要布设较
8、为密集的测线,测量作业时耗时较大。而机载激光测深可以一定程度上解决此类缺点。机载激光测深,简称为“测深LiDAR”,对应的英文为 Bathymetric Light Detection and Ranging,是近二三十年新发展起来的高效的海洋测深技术之一,集成了激光、自动控制、航空、GNSS、计算机等一系列前沿技术,它用飞机作为搭载平台,机载传感器发射激光束探测其下方水深的一种先进的测深方法1,其系统工作原理图如图1所示。Nadir Angle20Surface SpetDiameter(2.5m apprat)Typically Measures2 to 3 Secchi Depth图1机
9、载激光测深系统原理图我国的大陆岸线约为 18000 多千米,管辖约300多万平方千米的海域面积,拥有6500多个面积大于 500 平方米的岛屿,岛屿的海岸线合计长达14000多公里,蕴藏着丰富、宝贵的海洋矿产与生物资源。针对我国海岸线绵长,岛屿众多的国情,利用机载激光开展高精度的水深测量技术具有特别重要的实用价值。随着我国开发丰富的海底资源,周边相邻各国对其都是虎视眈眈,而蓝绿激光比其他波长的电磁波辐射具有更强的海水穿透能力,可以利用它来搜寻潜艇3。机载激光测深系统在测量作业时是主动测深方式,在沿岸浅于 50m的水域,该技术更可以发挥其优越性。主要优点如下4:1)覆盖宽度仅与飞机平台的航高和激
10、光测深系统测量条带宽的高比有关,不受测量区域的水深影响,而多波束测深系统则不具备这一显著的优点;2)飞机平台在测量作业时其速度远远快于船速,因而机载的方式具有非常高的测深效率和机动性;3)机载激光测深系统可以实现水域和陆地同时测量,也就是说在岸线附近,可以一边测量水深,一边测量岸线附近的地形。机载激光测深系统具有诸多优点,包括:精度高、低消耗、测点密度高、覆盖面广、测量周期短、易管理以及高机动性等。但机载激光测深技术涉及诸多学科,体系复杂,研制难度很大,当前我国对该技术处于跟踪、研制阶段,尚没有形成用于测量作业生产的产品,还存在许多技术问题亟待解决。2机载激光测深系统的发展机载激光测深最早于2
11、0 世纪60 年代后期提出,开展海洋激光探测技术研究与应用最早的国家是美国。美国Syracuse 大学的Hogg和Hickman于1968年验证了利用激光测量水深技术的可行性,建立了激光海洋探测技术的初步理论基础,从而研制了世界上第一套激光海水测深系统56。随着科技的发展和进步,一些国家如美国、加拿大、澳大利亚、法国、奥地利、俄罗斯、瑞典、荷兰、中国等开始探索发展机载激光测深技术7。目前,国际上发展成熟度较高的5 种机载激光测深系统是澳大利亚的 LADS 系统、瑞典的 HawkEye 系统、加拿大的SHOALS 系统、美国NASA研制的 EAARL系统,以及由 SHOALS系统的升级版本CZM
12、IL 系统。上述机载激光测深系统的测量原理基本相同,但由于研制技术储备、应用验证等方面的因素,不同系统的功能和技术指标之间的差别还比较大。加拿大 OPTECH 的 SHOALS 3000T 作为其最新型号,可以根据应用场景选配高光谱遥感、高分辨率数码相机以及超光谱等不同模式的先进配件,具有水深、地形同步测量功能,是已成功定型的商业机载激光测深系统。HawkEye II型系统设备,具有技术先进、成本效益高、海域与陆地可以无缝测量等优点。Hawk Eye II系统研制后主要销售给瑞典皇家海军沿岸测量队以及挪威的 Blom 公司。海军部沿岸测量队充分利用Hawk Eye系统的技术优势,完成了许多复杂
13、的测量任务,提供了有效的保障服务,在上述业务的基础上向世界范围内提供更多的测量服务。澳大利亚 TENIX 的LADS MK II系统装备于冲8-202飞机平台并开始投入工程应用中,能够为较深的海区提供更有效、更快捷和更高精度的服务。美国NASA在EAARL系统实验的基础上进行了改进,研制了新型的机载搜索激光雷达(EAARL)系统,它具备近岸水深、沙质海滩、珊瑚礁以及沿岸植被同时测量的机载激光雷达系统。相较于传统的机载测深激光雷达,EAARL 有四个主要特征:相对短的激光脉冲(1.3ns);更窄的接收视域(FOV)(1.5mrad2mrad);郑彤等:机载蓝绿激光测深的研究进展218舰 船 电
14、子 工 程2023 年第 5 期实时后向散射数字化振幅波形信号;用软件代替实时信号处理硬件单元。在国内,开展过激光水下探测系统研制与论证工作的单位有:上海光机所、青岛海洋大学、华中科技大学、西安光机所、长春光机所以及西安测绘研究所等,但是限于技术储备等因素,都没有研制出投入生产的成品。国内学者李树楷于1996年在集成INS、GPS、扫描成像仪和扫描激光测距仪的基础上,研制出了一套新颖的航空遥感系统原理样机。海军海洋测绘研究所联合中国科学院上海光机所在国家863计划的资助下,对机载激光测深系统开展了深入的研究,研制出了系统原理样机,并在我国的南海海域进行了飞行测量试验,成功地获取了非常有价值的试
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