机载激光雷达海洋测深技术.ppt
精准绘就_方寸尽显——机载测深激光雷达探测水下奥秘
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。
海洋测绘-第7章 水深测量及水下地形测量-PPT精选文档
监控器
外部监 测和显 示系统
后处理 GPS 导航监控器
操作和检 测单元
实时数据处理工作站 数据存储
声速断面 Transceiver
数据存储 数据存储 和处理
绘图仪
罗经
声纳影像记录 姿态传感器 换能器 图2.1SimradEM950/1000多波束声纳系统组成单元 打印机
波束的发射、接收流程及其工作模式 多波束换能器基元的物理结构是压电陶瓷，其作 用在于实现声能和电能之间的相互转化。换能器也正 是利用这点实现波束的发射和接收。 多波束发射的不至一个波束，而是形成一个具有一定 扇面开角的多个波束，发射角由发射模式参数决定。
多波束波束的几何构成
波束在海底投射点位置的计算需要船位、潮位、船 姿、声速剖面、波束到达角和往返程时间等参数。计 算过程包括如下四个步骤： 姿态改正。 船体坐标系下波束投射点位置的计算。 波束投射点地理坐标的计算。 波束投射点高程的计算。
为便于波束投射点船体坐标的计算，现作如下假设： 换能器处于一个平均深度，静、动吃水仅对深度有 影响，而对平面坐标没有影响。 波束的往、返程声线重合。 对于高频发射系统，换能器航向变化影响可以忽略。
高分辨率测深侧扫声纳
高分辨率测深侧扫声纳简称为HRBSSS声纳 (High Resolution Bathymetric Sidescan Sonar)。 HRBSSS声纳分辨率高、体积小、重量轻、功耗低以 及声纳阵沿载体的长轴安装，特别适用于AUV、 HUV、ROV、拖体和船上，在离海底比较近的高度 上航行，获得高分辨率的地形地貌图。 声纳阵包括左舷和右舷两个声纳阵，自主开发的 声纳软件包括水上数字信号处理软件、水上服务器软 件、声纳驱动软件和水下主控软件，以及用于调试测 试的终端调试测试软件、终端调试测试软件和声纳仿 真软件。
机载激光雷达测量系统解析ppt课件
LIDAR:AeroScan
INSAR:Star-3i
主要技术 参数
飞行高度:8000英尺； 频率：1500HZ； 带宽：1.8km； 4m点间距；
飞行高度：20000英尺； 频率：15000HZ； 带宽：8km； 5m间距；
主要 优点
垂直方向精度±15cm； 小区域及走廊区域最为理想；
非常适合植被覆盖和裸露区的真 实DEM提取； 扫描角内提供大范围扫描；
高精度高空间分辨率的森林或山区真实数字地面 模型 ③ 基本不需要地面控制点，地形数据采集速度快 ④ 作业安全 ⑤ 作业周期快，易于更新 ⑥ 时效性强 ⑦ 将信息获取、信息处理及应用技术纳入同一系统 中，有利于提高自动化高速化程度
4 机载激光雷达与机载InSAR的比较
4 机载激光雷达与机载InSAR的比较
6 工作流程及内业数据处理
飞行计划
GPS数据质量检查
系统参数测定和检校
航迹计算 激光脚点位置计算
外业数据采集
激光点云生成 分割
野外初步质量分析和控制
否 是
数据内业后处理
自动分类 内部QA/QC
手工分类 最后QA/QC
小结
1. 机载激光雷达测量的系统组成、激光扫描测距的 原理、动态GNSS定位、INS姿态测量系统、 GPS确定姿态的基本原理和方法
机载激光雷达测量系统的组成单元
测距单元
控制、监测、记 录单元
差分GPS 惯性测量单元
扫描仪
激光脚点 扫描方向
扫描带宽
激光雷达测距系统
•定义
包括：激光脉冲测距系统、光电扫描仪 及控制处理系统 原YA理G 激：光脉器冲是测以钇时铝测石距榴和石晶激体光为相基位质差的一测种距固
体 激光器 。钇铝石榴石的化学式是Y3 Al5 O15 ,简
海洋激光雷达图像处理提取海水深度的方法
〇 引言
1 仪器与数据
机 载 激 光 雷 达 测 深 系 统 的 研 发 开 始 于 20世纪 6 0 年代末期，其中以澳大利亚研制成功的WRELADS-1 为代表，主要进行了激光测深的机理研究，到了 2 0 世 纪 9 0 年 代 瑞 典 研 制 的 HAWE E Y E 系统标志着机载 激 光 雷 达 测 绘 近 海 海 底 地 貌 进 人 实 用 化 【1]。机 载 激 光 雷达集成全球卫星定位系统、惯 性 导 航 系 统 、扫描系 统 和 激 光测距系统，通 过 各 个 子 系 统 得 到 位 置 、姿态 和距离信息来解算地物的空间位置M 。机载海洋激光 雷达在海洋地形测绘中相对于传统的人工测量加船 载 测 量 方 式 ，可 以 克 服 对 于 浅 水 地 区 船 只 无 法 通 行 的 困难，具 有 机 动 性 高 、测 绘 面 积 大 、成本低等优势【3]。 因 此 机 载 海 洋 激 光 雷 达 测 深 在 海 洋 浅 海 深 度 提 取 、海 岸 线 调 查 、军 事 侦 査 等 调 查 具 有 重 要 地 位 [4]。
收稿日期:2021 - 0 5 - 0 6 ; 修订日期:2021 -05-23 基金项目: 国家自然科学基金(41876105);上海市科技创新行动计划（20dzl206502) 作者简介: 黄宜帆，男，硕士生，主要从事激光雷达水下目标探测方面研究。 导师(通讯作者)简介: 贺岩，男，研究员，博士，主要从事机载海洋激光雷达和激光三维成像技术方面的研究。
2. Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
星载激光雷达全球海洋测深研究
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)。
《工程测量学》课件 3-3水深测量
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。
水下目标激光探测-讲课
图1
左边一幅是用激光做光源拍摄的水下图像， 右边是用500W灯泡照明拍摄的图像。
7
二、水下激光探测基本问题-〉散射
2.2 散射问题
海水对光线 的散射作用是 造成水下图像 模糊的另一个 重要原因。因 为水下摄像机 所接收到的光 线中有很很大 一部分并不是 由目标直接发 出的。
图2
8
Et Ed E fs Ebs
图22 室内ICCD示意图
33
六、已完成的内容-〉距离选通初步试验
一些ICCD试验结果
图 23
34
五、所要做的工作-〉线扫描室内试验
5.3 线扫描室内试验
图17 美国南佛罗里达大学搭建的 室内实验系统
35
五、所要做的工作-〉线扫描室内试验-〉信号处理
5.3.1 三维重构算法
图18 线扫描原理图
水下目标激光探测
2003-5
1
一、绪论
2
一、绪论-〉意义
意义
在广阔的海洋面积中与人类最密切的区域是沿海、 近海和大陆架的浅海海域。据了解，世界上60％的人口 居住在离海岸100km以内的沿海地带，人们当前开发利用 海洋资源的大部分活动也主要集中在这一区域。在经济 开发上，诸如海岸防护、港湾建设、围海造田、滩涂养 殖、海洋能源的开发、制盐业、开辟和疏浚航道、铺设 海底电线、管道等各种工程设施，这些构成了人类开发 海洋的主要活动。近海的资源非常丰富，而近海自然资 源的开发和海岸、航道、港口的防护和建设等，这一切 经济活动都极需各种精确的、不同比例尺的海底地形地 貌图。从军事、国防角度看，当前全球军事的战略调整 有一个共同的趋向，就是世界各海洋大国都纷纷利用世 界战略格局变化的时机，积极地拓宽以海洋为重要方向 3 的战略空间。
机载激光海洋测深技术综述
大学进行了利用蓝绿光探测水下
目标的可行性论证 ∀ 年 2
和 首次论证了利用蓝绿
激光探测水下目标的机载系统的
可行性 ∀ 随后 于 年美国海军
研制出了一套名为 ° ⁄≥ °∏
⁄ ≥ ∏ 的机载
系统 并在直升飞机上对海洋进行
了实测 这是最早的成型系统和机
载探测试验 ∀ 之后
! 系统
美国
系统 加拿大
• ∞ ⁄≥ 系统 澳 大 利 亚
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Αππλ. Ενϖιρον . ∗
测的先进技术 ∀该技术基于海水中
存在一个类似于大气的透光窗口
即海水对
∗
Λ 之间波
长范围内的蓝绿光的衰减系数最
小 通过从飞机上由激光雷达向
下发射高功率 ! 窄脉冲激光 典型
值∗ • ∗
波长为
Λ 蓝绿光激光和波长为 Λ 红外激光 同时测量水 面反射光 主要是红外激光 与海
底反射光的走时差 并结合蓝绿光 的入射角度 ! 海水的折射率等因素 进行综合计算 获得被测点的水深 值 ∀再与定位信号 !飞行姿态信息 ! 潮汐数据等综合 确定出特定坐标 点的水深 ∀
当然 机载激光测深并不能取 代现代舰船海洋声学探测 因为海 水对激光吸收和散射十分严重 因 此机载激光测深系统的测量深度 有限 但其发挥的作用不可低估 ∀ 因为在全世界的海岸附近 约有
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基于声波的回声测深技术
? 机载激光测深
在含有盐、气泡和浮游生物的海水中，光波和电磁波的衰减都非常大，声波在海 水中衰减小、传播距离长，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。
多波束测深系统是 一 个全覆盖式声纳测深系统，其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。在深水测区具有很大的优势，但在水 深小于 50m 的浅水区或存在暗礁时，声呐测量技术往往使用受限，测量效率也 急剧下降，且存在着严重的安全隐患。
? 最佳透光窗口：波长为 0. 47 ～ 0. 58μm 之间的蓝绿光表现出了衰减系数 最小的特性。
? 特点：精度高、分辨率高、灵活机动、测点密度高、现了水陆一体 化无缝测量。
? 与多波束测深系统不同的是，机载激光测深系统由于在海底的覆盖宽度仅仅 与飞机的航高有关，而与要测量的水深无关，因此特别适合于沿岸浅水区的 全覆盖水深测量。
2020/4/16
2020/4/16
主动式遥测技术，利用的是光在海水中的 传播特性。
按照波段数量可分为双色激光机载 LiDAＲ 测深系统和单色激光机载 LiDAＲ 测深系 统。
2020/4/16
2020/4/16
2020/4/16
? 随着技术的进一步发展，当前出现了单 色激光机载 LiDAＲ 测深系统。单色激 光机载 LiDAＲ 测深系统仅采用波长为 532nm 的蓝绿激光作为激光器发射光 源，其一部分激光束到达海面后沿原路 径反射，另一部分激光束则穿透海面到 达海底，经海底反射沿原路径返回，并 被激光接收器接收。根据二者到达接收 器的时间差，即可计算出海水的深度。 采用单色激光作为发射源，既简化系统 结构，又不需双色激光同步而提高测深 精度，是机载 LiDAＲ 测深系统的发展 趋势
2020/4/16
02 机载激光测深基本原理
2020/4/16
? 双色激光机载 LiDAＲ 测深系统利用装 在飞机下部的激光发射器斜向海面发射 两种不同波长的激光束。波长为 1 064nm 的红外光因无法穿透海面而被 海面沿原路径反射，波长为 532nm 的 蓝绿光则以一定折射角度穿透海面到达 海底，并被海底沿入射路径反射，两种 波长的激光束均被光学接收系统接收。 根据两种波长激光束返回的时间差和蓝 绿激光的入射角度、海水折射率等因素 综合计算，可得出测量点的瞬时水深值。 再与定位信息、姿态信息、潮汐数据结 合，即可得到测量点在地理坐标系下的 位置和基于深度基准面的水深值。
2020/4/16
机载激光测深
? 机载激光测深系统( LiDAR)的最初目的主要是获取困难地区的数字高程模型 数据。近几年, 机载激光雷达技术为浅海、岛礁、暗礁等传统手段难以开展 的水深测量提供了新的解决方案。
? 20世纪70年代，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。
机载激光雷达海洋测深技术
目录
01 海洋测深概述 02 机载激光测深基本原理 03 机载激光测深系统构成 04 机载激光测深的关键技术 05 机载激光测深系统的应用
2020/4/16
01 海洋测深概述
2020/4/16
海洋测深技术
? 常规的海洋遥感水深反演技术
? 单波束测深技术 ? 多波束测深技术