机载激光雷达海洋测深技术

激光雷达遥感激光雷达在海洋遥感方面的应用

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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]

_机载激光测深系统研制中的关键技术

第34卷第3期2014年5月海洋测绘HYDＲOGＲAPHICSUＲVEYINGANDCHAＲTINGVol.34，No.3May，2014

收稿日期：2014-01-20；修回日期：2014-03-20基金项目：国家自然科学基金（41374018）。作者简介：翟国君（1961-），男，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。DOI：10.3969/j.issn.1671－3044.2014.03.019

机载激光测深系统研制中的关键技术

翟国君，黄谟涛，欧阳永忠，陆秀平

（海军海洋测绘研究所，天津300061）

摘要：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。

关键词：海洋测绘；水深测量；机载激光测深系统；关键技术

中图分类号：P229.3文献标志码：A文章编号：1671-3044（2014）03-0073-04

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［1］。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［2］。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［3］。

关于海洋测绘中测深技术的探讨应用

摘要：如今，我国制定了海洋发展战略，要求发展海洋经济、开拓海洋发展空间，增强海洋治理能力，缓解陆地资源紧张局势与环境压力，从而丰富我国发展内容、提高发展质量。其中，以测绘行业为重点。要求促进测绘产业发展、扩大测绘范围、提高测绘技术水平，满足沿海城市建设要求。在此过程中，要关注测深技术。面对愈发复杂的水下地形与愈发高质的测量要求，要研发、创新海洋测深技术。本文通过概述海洋测绘、多波束测深技术、机载激光测深技术，提高测深技术应用效果，把握技术发展趋势以及未来发展对策，为我国海洋事业提供相应的技术理论支持。

关键词：海洋测绘；测深技术；多波束测深技术

在我国，海洋测绘发展时间较长，为我国海洋事业提供精准的数据与技术支持。但是，传统的海洋测绘方法难以满足现代化海洋测绘事业发展，例如单波测试仪。逐渐出现了多波束测深技术与机载激光测深技术等，方便海洋探索、提高测绘安全与效率。这两类技术能扩大海洋测绘范围、提高测深精准性，覆盖浅海、暗礁等原有的盲点区域，确定信号方向、判定目标方向。

一、海洋测绘概述

海洋测绘具有综合性，也可以被称呼为海洋空间地理信息测量和表达。覆盖范围较为广阔，包括湖泊、海洋及其临近陆地区域，涵盖领域非常丰富，包括几何、地理、信息采集与处理等学科，是我国测绘体系中非常重要的一部分，能够帮助海洋经济发展、海洋事业开发以及海洋科学研究等。当前，我国海洋测绘事业以基础测绘、科学研究、科学管理、生态环境保护与修复等方面为主[1]。

二、多波束测深技术

（一）技术理论概述多波束测深技术具有集成性，主要由计算机技术、传感技术以及水声技术等构成，在船只上，以多波束测深系统为载体发送声脉冲，通过声脉冲了解船下垂直深度以及垂直于船只轨迹的水深值。此系统由多个设备组成，如窄波束回声测深设备、数字磁带机与横向深度剖面显示器等[2]。

（二）工作原理与技术概况

多波束测深声纳是大型设备，主要由系统、罗经、声速剖面仪等设备构成。相较于单波束回声测深仪，二者在原理本质上差距较小，其中最为特殊的是换能器，由一系列换能器单元构成，形成列阵，运作时可以发射与接收波束，开展条带式测量。

海洋工程中基于激光雷达的地形测量技术研究

概述:

海洋工程涉及大量的海洋地形测量工作，以便进行环境评估、海洋资源开发和海底工程建设等。随着科技的不断发展，激光雷达技术在海洋工程中的应用越来越广泛，成为地形测量的重要工具之一。本文将重点探讨基于激光雷达的地形测量技术在海洋工程中的应用，并介绍其原理、方法以及未来发展趋势。

一、激光雷达在海洋工程中的应用

1. 海洋地形测量的重要性

海洋地形测量是海洋工程的基础工作，可以帮助工程师了解水下地形、沉积物分布等信息，为后续的工程设计提供可靠的参考。激光雷达技术以其高精度、高效率的特点成为了现代海洋地形测量的首选工具。

2. 海底地形的激光雷达测量

激光雷达通过发射激光束并接收反射回来的光线来测量海底地形。该技术通过计算激光束从发射到反射所需的时间，进而计算出目标地形的距离。激光雷达具有高精度、高分辨率的特点，可以获取详细的海底地形信息，包括起伏、裂缝、坡度等。

3. 海岸线测量的激光雷达应用

海岸线的测量对于海洋工程项目非常重要，可以帮助确定海洋工程的布局和设计。使用激光雷达技术，可以在不受潮汐和气候影响的情况下，快速获取海岸线的信息，并生成高精度的数字地图。

4. 海洋工程倾斜摄影的激光雷达测量倾斜摄影是指通过航空或船舶平台上安装的激光雷达设备，在一定高度和角度下对地面进行连续扫描，生成三维立体图像。这种技术在海洋工程中的应用非常广泛，可以用于测量海洋工程项目的海岸线、海岸悬崖、海岛等复杂地形。

二、基于激光雷达的地形测量技术原理

1. 激光雷达的工作原理

激光雷达通过发射和接收激光束来测量目标的距离。当激光束照射到目标上时，其中一部分光线被目标物体反射回来，激光雷达接收到反射回来的光线，根据光线往返所需的时间计算出目标物体与激光雷达的距离。

2. 激光雷达的数据处理

激光雷达获取的原始数据包括距离信息、强度信息和时间戳信息。通过对这些原始数据进行处理，可以生成点云数据，即以三维坐标表示的地物点数据。点云数据可以进一步用于生成数字海洋地图，进行地形分析和模拟。

测绘技术中的机载激光雷达测绘原理与技术

近年来，随着科技的不断发展，测绘领域也迎来了一系列的创新。其中，机载激光雷达测绘技术被广泛应用于地质勘探、地形测量、水文学等领域。本文将围绕机载激光雷达测绘的原理与技术进行探讨，并深入探究其在测绘中的应用。

一、机载激光雷达测绘原理

机载激光雷达测绘是一种通过激光束扫描地面并接收反射回来的激光信号，进而获取地理信息的技术。这种技术的核心原理是利用激光束的发射与接收时间间隔，结合激光光束的传输速度、激光波长等参数，计算出地物的三维坐标。

具体而言，机载激光雷达测绘通过发射一束入射激光束，以较高频率进行扫描，照射到地面上的目标物体上。随后，激光束与目标物体相互作用，发生反射现象。机载设备通过接收这些反射回来的激光信号，并记录下激光束的发射时间、接收时间以及激光波长等信息。最后，利用计算机算法，根据这些测量数据计算出目标物体的三维坐标，生成相应的地图或模型。

二、机载激光雷达测绘技术

1.数据采集

机载激光雷达测绘的第一步是数据采集。测绘人员利用机载设备进行飞行，在飞行过程中，机载设备通过激光束对地面上的目标进行扫描并记录下相关数据。这个过程中需要注意的是，数据采集时的激光束的分辨率和密度要足够高，以获得精确的地物信息。

2.数据处理

数据采集之后，需要对采集到的原始数据进行处理。数据处理的步骤包括去除噪声、滤波、建立点云模型等。去除噪声是为了提高数据的质量，去除一些无效的数据点。滤波是为了降低数据的密度，方便后续分析处理。建立点云模型是为了更好地呈现地物的三维形貌。

3.数据分析与应用

经过数据处理之后，得到的点云模型可以用于各种数据分析和应用。比如，可以进行地形的三维重建，生成数字高程模型（DEM）。同时，机载激光雷达可以获取地物的高度信息，可用于研究地质灾害，如山体滑坡、泥石流等。

三、机载激光雷达测绘应用领域

机载激光雷达测绘技术在各个领域都有着广泛的应用。以下是几个典型的应用案例。

星载与机载地形地貌探测技术

单波束测深、多波束测深和侧扫声呐等船载水下声呐系统是进行海底地形地貌探测的主要技术手段，但受到测量船速度、仪器扫测范围和复杂海洋环境的限制，在浅海和复杂海底地形区域，采用船载探测地形效率较低，有时甚至无法获取数据。卫星测高、SAR遥感成像和机载激光测深等星载与机载探测技术，具有快速、高效和大面积的显著优点，且不受海洋环境的影响，是传统船载测深技术的有益补充。为此，本文简要介绍了这几种典型的星载与机载地形地貌探测技术。

一、星载海洋监测技术

⒈ 卫星测高技术

卫星测高技术是利用卫星搭载的微波雷达测高仪测定雷达脉冲往返于海表面所经历的时间来确定卫星至海面星下点的距离，根据已知的卫星轨道高度和各种误差改正来确定某种稳态意义上或一定时间尺度内平均意义上的海平面相对于一个参考椭球的大地高。其基本观测量包括信号往返时间、回波信号波形以及回波信号自动增益控制值，如图1为卫星测高原理图，海面高度简单可以表示为：

h＝rs－rp－hait＝hmss＋hs ⑴

式中，h是瞬时海面的椭球高，rs是卫星在参考椭球面上法向投影点的地心矩，hait是微波雷达高度计的直接测量值，hmss是平均海面高，由大地水准面高和稳态海面地形组成，hs是动力海面地形。

卫星测高在海洋区域可提供高精度和高分辨率的大地水准面数据。国际上由卫星测高数据反演海底地形的常用方法主要有解析和统计两大类算法。如果将海底地形的变化采用频域表示，则卫星测高反演海底地形的数据只能反映海底地形中的低、中频部分，对海底起伏的剧烈变化无能为力。卫星测高在海洋或岛屿附近受地形地物影响较大，观测精度明显下降，因此，利用卫星测高反演海洋深度，一般只有在

深水海区才有望获得比较满意的计算结果。目前该手段一般难以满足大比例尺测图需要。

⒉ 海洋遥感探测技术

星载遥感探测技术是海洋探测技术体系中重要的组成部分。它伴随着卫星技术、电子技术、光电技术、微波技术等高新技术的发展而发展。1972年以来，相继发射了许多携有空间探测器的卫星，其中以Landsat、IKONOS、MOS-l、Pleiades和SPOT最引人注目，可用来全天时、全天候、定量地提供全球海洋信息。发回地面的数据有：海面风速、风向、波高、波长、波谱、海面温度、大气含水量、海冰、海面地形、海洋水准面和高分辨率雷达图像。

浅谈机载激光测深技术

机载激光测深,是最新发展的海道测量技术之一.它和传统的.水面船艇测深相比,可以不受海浪等气象条件的影响,快速地测量海底地形.目前,在日本等国家已经用于海洋测绘中,并取得较好的效果.随着技术的发展和我国经济实力的增强,机载激光测深技术也会很快的被引进国内,本文主要简单介绍激光测深技术的背景、原理、应用领域等.

作者：张永合 Zhang Yonghe 作者单位：天津海事局海测大队,天津,300220 刊名：气象水文海洋仪器英文刊名：

METEOROLOGICAL,HYDROLOGICAL AND MARINE

INSTRUMENTS 年，卷(期)： 2009 26(2) 分类号： P716 关键词：

机载激光测深海事测绘应用领域

注册测绘师教材第二章知识点：机载激光测深

机载激光测深:

机载激光海洋测深技术是一种近二三十年快速发展起来的海洋测深技

术。激光作为一种新型的探测光源，具有单色性高、方向性强、相干性

好、强度大等特点。利用绿光或蓝绿光易穿透海水，而红外光不易穿透

海水的特点，用光激射器、光接收机、微机控制、采集、显示、存储及

辅助设备组成机载激光测深系统。在飞机平台上安装光激射器向海面发

射两种不同波长的激光，一种为波长 1 064 mμm 的脉冲红外光，另一种

为波长 532 mμm 的绿光。红外光被海面完全反射和散射，而绿光则能

够透射至海水中，经水体散射、海底反射和光接收器分别接收这些反射

光，组成探测回波信号波形，探测并数字化处理回波信号(对每一个测

深点，可获得一个激光波形，其上有两个与海面和海底相应的光波脉冲

强度顶点，获取两顶点接收到回波脉冲时的时间和时间差)，就可以得

到机高和水深数据信息。

对于不同的机载激光海洋测深系统，所选用的光激射器发射的红外光

和蓝绿光的波长也稍有不同。海水对不同波长的激光吸收也相差很大，

其中波长为 520～535 mμm 的蓝绿光波段被称为“海洋光学窗口”，海水

对此波段的光吸收相对最弱。另外，海表面的波浪、潮汐、水体中悬浮

物的类型数量、底质的反射散射特性、入射角和强度、光接收机的时间

分辨率、飞机的姿态特征等因素及它们的相互作用直接影响最大测量水

深和测深精度。

机载激光系统测深能达 50 m，假如海水清澈则可更深。机载激光测

深系统对水下障碍物的分辨能力在短时间内不会达到侧扫声呐的水平。

目前对于 2 m2 以上的水下障碍物的探测可信度较高，再小的物体就较

难有效的探测。由机载激光测得的航行障碍物应当用单波束回声测深

海洋测绘中激光测深的实际应用与精度研究

激光测探技术具有测量速度快，覆盖率高，时空分辨率高的优势，因此，该技术在海洋测绘中得到了广泛应用。其可以在短时间内测量很大面积的海域。激光技术可以进行海洋深度的测量，对水下地形进行测绘，对深海进行成像等。论文就这些方面进行了分析，希望给有关人士一些借鉴。

【Abstract】Laser detection technology has the advantages of fast measurement，

high coverage and high temporal and spatial resolution. Therefore， it has been

widely used in marine surveying and mapping. It can measure a large area of the sea

in a short time. Laser technology can measure the depth of the ocean， mapping

underwater topography， imaging the deep sea， and so on. The thesis analyzes these

aspects and hopes to give some reference to those concerned.

标签：海洋测绘；激光测深；测量精度

1 引言

海洋是人類赖以生存的基础，为了更好地开发海洋，对海洋进行测绘非常重要。对于传统的测绘技术而言，应用中工作人员工作量较大，涉及较多的外业操作，对于自然环境恶劣的地区很难实施策略，即使进行测量也需要测量人员冒很大的风险，而且测量效率和测量精度也会受到影响，针对这一情况就需要应用激光测深技术，下面就对其进行深入分析。

2 海洋测绘中激光测深的工作原理分析

在测绘时使用激光技术，根据测量目标不同可以分为软目标测量和硬目标测量。软目标包括海洋表面的风、温压等，硬目标包括海底地形地貌等。进行硬目标测量过程中，相应的传感器会发射激光脉冲，可以穿透树林间隙和障碍物，得到精度较高的三维地形数据，利用配套的软件进行处理，就可以得到精度很高的等高线图、DEM等，这一测量方法得到的数据主要包括三方面：第一点，可以得到激光束竖向值和水平方向值；第二点根据激光束传播时间，得到被扫描点的仪器距离，上述这两个数据可以计算出扫描点的三维坐标值，其反射强度用于颜色匹配，通过计算激光测量反射回来的时间，就可以计算出仪器和点间的距离。进行软目标测量时，激光可以在海洋大气中传播，在激光的照射之下，会出现很多种散射，由于其波长比较短，海面中的气体分子、气溶胶粒子、尘埃、雾、雨对激光具有很强的吸收能力和散射能力，导致信号较弱，探测器可以把光信号变为电信号，再将其进行放大，进行采样和累加处理，再经过连续测量，对回波信号进行反演处理，就可以得到相关要素[1]。

激光雷达在船舶和海洋测量中的应用方案

近年来，激光雷达技术在船舶和海洋测量领域得到广泛应用，以其高精度和高效率的特点在海洋勘测、航道测量、海底地形探测等方面发挥着重要作用。下面将从激光雷达的基本原理、船舶测量实践案例以及未来的发展前景等方面进行论述。

首先，激光雷达的基本原理是利用激光束发射与接收的时间差来计算距离，激光雷达通过发射脉冲激光，然后接收反射回来的激光信号，通过计算脉冲往返时间和信号的传播速度，就可以准确测量出目标物体的距离。这种技术具有高精度和高分辨率的特点，因此在船舶测量中获得了广泛应用。

其次，激光雷达在船舶测量中的应用方案是多样的。例如，在测量航道深度时，激光雷达可以快速、准确地获取航道的水深信息。传统的水深测量方法需要借助声纳设备，受到水体性质和海底地形的影响，而激光雷达技术可以通过精确测量激光往返时间来得到航道的深度数据，避免了传统方法的一些局限性。

此外，在海洋地形探测方面，激光雷达也逐渐成为一种重要的测量技术。传统的海底地形探测方法主要依赖于声纳与多波束测深仪等设备，这些设备在测量效率和精度上存在一定的限制。激光雷达技术以其较高的测量精度和较快的测量速度，实现了对海底地形的快速高精度测量。在海底地形的三维测量中，激光雷达技术可以提供大量的点云数据，通过后期数据处理和分析，可以生成高分辨率的海底地形模型，为海洋勘测与地理信息提供了可靠的数据支持。激光雷达在船舶安全导航中也具有重要的应用价值。通过激光雷达技术，可以实现对港口进出口、航道、航标等关键地点进行快速、准确地测量与监测。这些数据可以为船舶提供准确的导航信息，提高船舶的安全性和航行效率。

未来，随着激光雷达技术的不断发展，它在船舶和海洋测量中的应用前景将更加广阔。传统的测量方法在满足实际需求的同时，也面临着测量效率低、精度不高等问题。激光雷达技术具有高效率、高精度、非接触等特点，可以极大地提高测量效率和数据质量。随着技术的推进和应用的不断拓展，相信激光雷达技术将逐渐成为船舶和海洋测量领域中的重要工具，为海事勘测和船舶安全导航提供更好的支持。