機(jī)載藍(lán)綠激光測深的研究進(jìn)展*

鄭 彤 李厚樸

（1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)第五軍事代表室 武漢 430000）

（2.海軍工程大學(xué) 武漢 430000）

1 引言

“21 世紀(jì)海上絲綢之路”戰(zhàn)略的提出，促進(jìn)了海洋測繪的發(fā)展。作為海洋測繪的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，海底地形數(shù)據(jù)的精度直接影響到海洋信息的表達(dá)效果。因此，海底地形數(shù)據(jù)的精密獲取和分析處理在海洋測繪工作中必然占據(jù)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(yè)，一般是采用聲納測量設(shè)備，將設(shè)備安裝在船舶上開展作業(yè)。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(tài)導(dǎo)致海洋測量受制于海洋環(huán)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(yè)。

回聲測深是目前非常成熟，應(yīng)用較為廣泛的水深測量手段，多波束測深系統(tǒng)和單波束測深儀是最為典型的測深設(shè)備代表。特別是后發(fā)展起來的多波束測深包括多波束聲學(xué)子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、處理子系統(tǒng)和多波束空間位置傳感器子系統(tǒng)。以20 世紀(jì)80 年代末為起點(diǎn)，商用多波束測深系統(tǒng)技術(shù)日趨完善，出現(xiàn)了不同類型的新型多波束系統(tǒng)。多波束測深系統(tǒng)在深水測區(qū)具有很大的優(yōu)勢，但在50m以淺水域的測量效率并不高，實(shí)現(xiàn)全覆蓋測量一般需要布設(shè)較為密集的測線，測量作業(yè)時耗時較大。而機(jī)載激光測深可以一定程度上解決此類缺點(diǎn)。

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

圖1 機(jī)載激光測深系統(tǒng)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(jì)長達(dá)14000 多公里，蘊(yùn)藏著豐富、寶貴的海洋礦產(chǎn)與生物資源。針對我國海岸線綿長，島嶼眾多的國情，利用機(jī)載激光開展高精度的水深測量技術(shù)具有特別重要的實(shí)用價(jià)值。隨著我國開發(fā)豐富的海底資源，周邊相鄰各國對其都是虎視眈眈，而藍(lán)綠激光比其他波長的電磁波輻射具有更強(qiáng)的海水穿透能力，可以利用它來搜尋潛艇［3］。機(jī)載激光測深系統(tǒng)在測量作業(yè)時是主動測深方式，在沿岸淺于50m的水域，該技術(shù)更可以發(fā)揮其優(yōu)越性。主要優(yōu)點(diǎn)如下［4］：

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

2）飛機(jī)平臺在測量作業(yè)時其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于船速，因而機(jī)載的方式具有非常高的測深效率和機(jī)動性；

3）機(jī)載激光測深系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)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(jī)載激光測深系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括：精度高、低消耗、測點(diǎn)密度高、覆蓋面廣、測量周期短、易管理以及高機(jī)動性等。但機(jī)載激光測深技術(shù)涉及諸多學(xué)科，體系復(fù)雜，研制難度很大，當(dāng)前我國對該技術(shù)處于跟蹤、研制階段，尚沒有形成用于測量作業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，還存在許多技術(shù)問題亟待解決。

2 機(jī)載激光測深系統(tǒng)的發(fā)展

機(jī)載激光測深最早于20 世紀(jì)60 年代后期提出，開展海洋激光探測技術(shù)研究與應(yīng)用最早的國家是美國。美國Syracuse 大學(xué)的Hogg 和Hickman 于1968 年驗(yàn)證了利用激光測量水深技術(shù)的可行性，建立了激光海洋探測技術(shù)的初步理論基礎(chǔ)，從而研制了世界上第一套激光海水測深系統(tǒng)［5～6］。隨著科技的發(fā)展和進(jìn)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(fā)展機(jī)載激光測深技術(shù)［7］。

目前，國際上發(fā)展成熟度較高的5 種機(jī)載激光測深系統(tǒng)是澳大利亞的LADS 系統(tǒng)、瑞典的Hawk Eye 系統(tǒng)、加拿大的SHOALS 系統(tǒng)、美國NASA研制的EAARL 系統(tǒng)，以及由SHOALS 系統(tǒng)的升級版本CZMIL 系統(tǒng)。上述機(jī)載激光測深系統(tǒng)的測量原理基本相同，但由于研制技術(shù)儲備、應(yīng)用驗(yàn)證等方面的因素，不同系統(tǒng)的功能和技術(shù)指標(biāo)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(jù)應(yīng)用場景選配高光譜遙感、高分辨率數(shù)碼相機(jī)以及超光譜等不同模式的先進(jìn)配件，具有水深、地形同步測量功能，是已成功定型的商業(yè)機(jī)載激光測深系統(tǒng)。HawkEye II 型系統(tǒng)設(shè)備，具有技術(shù)先進(jìn)、成本效益高、海域與陸地可以無縫測量等優(yōu)點(diǎn)。Hawk Eye II 系統(tǒng)研制后主要銷售給瑞典皇家海軍沿岸測量隊(duì)以及挪威的Blom 公司。海軍部沿岸測量隊(duì)充分利用Hawk EyeⅡ系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，完成了許多復(fù)雜的測量任務(wù)，提供了有效的保障服務(wù)，在上述業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上向世界范圍內(nèi)提供更多的測量服務(wù)。澳大利亞TENIX 的LADS MK II 系統(tǒng)裝備于沖8-202 飛機(jī)平臺并開始投入工程應(yīng)用中，能夠?yàn)檩^深的海區(qū)提供更有效、更快捷和更高精度的服務(wù)。美國NASA 在EAARL系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，研制了新型的機(jī)載搜索激光雷達(dá)（EAARL）系統(tǒng)，它具備近岸水深、沙質(zhì)海灘、珊瑚礁以及沿岸植被同時測量的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)的機(jī)載測深激光雷達(dá)，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(shí)時后向散射數(shù)字化振幅波形信號；用軟件代替實(shí)時信號處理硬件單元。

在國內(nèi)，開展過激光水下探測系統(tǒng)研制與論證工作的單位有：上海光機(jī)所、青島海洋大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安光機(jī)所、長春光機(jī)所以及西安測繪研究所等，但是限于技術(shù)儲備等因素，都沒有研制出投入生產(chǎn)的成品。國內(nèi)學(xué)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(chǔ)上，研制出了一套新穎的航空遙感系統(tǒng)原理樣機(jī)。海軍海洋測繪研究所聯(lián)合中國科學(xué)院上海光機(jī)所在國家863 計(jì)劃的資助下，對機(jī)載激光測深系統(tǒng)開展了深入的研究，研制出了系統(tǒng)原理樣機(jī)，并在我國的南海海域進(jìn)行了飛行測量試驗(yàn)，成功地獲取了非常有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 主流的機(jī)載激光測深系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)對比表

3 機(jī)載激光測深數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 國外研究進(jìn)展

自1968 年美國科學(xué)家成功研制第一臺激光水下測量系統(tǒng)以來，利用機(jī)載激光水深探測技術(shù)確定海底水深等的各種理論與方法得到了飛速的發(fā)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(xué)者在機(jī)載激光測深方面做了很多研究，產(chǎn)生了很多成果。Kerker M（1969）分析了激光在大氣中傳輸?shù)奶匦裕治龅贸隽思す夤馐c傳輸介質(zhì)相互作用由此產(chǎn)生的吸收、散射導(dǎo)致激光衰減的量化分析結(jié)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(yàn)發(fā)現(xiàn)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(yàn)得出了機(jī)載激光在進(jìn)行水深測量或進(jìn)行水下小目標(biāo)探測時，建立了海水中準(zhǔn)直光束的傳輸唯像理論模型。Hickman 等（1972）證實(shí)了機(jī)載激光的測深能力受限于水中的衰減系數(shù)和散射系數(shù)之比，發(fā)現(xiàn)了藍(lán)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?shù)奈ㄏ窭碚撃Ｐ停囼?yàn)表明該模型的采用可以較全面地分析機(jī)載激光測深能力的影響因素，能夠更精確地計(jì)算機(jī)載激光測深能力。

隨著慣導(dǎo)、激光、GNSS 定位、北斗和計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)的全面進(jìn)步，機(jī)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(jī)載激光水深測量開始數(shù)據(jù)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(shù)問題上，Billard B.等（1986）提出了一種包括在回波信號中應(yīng)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(chǔ)上再進(jìn)一步處理在回波信號中探測海底反射信號的運(yùn)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(fā)式的識別規(guī)則，對海表和海底的回波信號進(jìn)行識別；Wong H.等（1991）論述了每一束回波被分解成兩組獨(dú)立信號，即海表反射信號和海底反射信號，再依據(jù)這兩種回波信號中進(jìn)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(dāng)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(fā)生重疊，或者在水質(zhì)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(fā)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(chǎn)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(dāng)中。

3.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

相比國外，我國于20 世紀(jì)80 年代初才開展了機(jī)載激光水深測量技術(shù)的研究。劉經(jīng)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(wèi)標(biāo)（2004），戴永江（2002），賴旭東（2010），劉基余（2000），王建軍（2014），張國威（2002）等國內(nèi)的專家學(xué)者對機(jī)載激光水深測量進(jìn)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(biāo)的海洋雷達(dá)系統(tǒng)光束擴(kuò)散的問題；任來平等（2002）介紹了機(jī)載激光測深技術(shù)的橢圓掃描原理，并且推導(dǎo)了該方式下計(jì)算激光海面掃描軌跡的數(shù)學(xué)模型。在對當(dāng)前機(jī)載激光測深系統(tǒng)研究分析的基礎(chǔ)上，翟國君等（2014）結(jié)合我國機(jī)載激光測深技術(shù)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了4 項(xiàng)系統(tǒng)研制的難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)，分析了海洋測繪中采用該技術(shù)在的意義與重要作用［7］。劉經(jīng)南（2002）、張永生（2016）研究了機(jī)載激光系統(tǒng)誤差分析問題，陸秀平（2011）、劉基余（2000）、陳衛(wèi)標(biāo)（2004）、姚春華（2004）等對機(jī)載激光測深精度和最小可探測深度進(jìn)行了十分詳細(xì)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(tài)及波浪改正技術(shù)進(jìn)行了研究。徐啟陽（1996）等對唯像雷達(dá)方程進(jìn)行了分析研究。

4 結(jié)語

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