|
机载双频激光雷达，集激光测距技术、GPS定位技术、飞机姿态测量技术、高速数字信号处理技术等多种高新技术于一体的新型主动机载激光测绘、侦查系统，其主要应用于林业、建筑物、航道、海滩和海岸线、浅海编图、暗礁深度、海岛、岛礁、水下障碍物的快速调查，可以直接测绘出地形、地貌的三维数据，这些数据经简单处理即可生成高精度的地形图，数字地面模型(DTM)和数字高程模型(DEM)。激光雷达数据可以直接与其它要素或影像数据合成，生成内容更为丰富的各类专题地图，有广阔的应用领域和巨大实用价值。
0 c; R2 W2 K0 _$ Y* \; S& l% y
一、简介 机载双频激光雷达同时采用1550nm激光对陆地地形进行测量，532nm激光对海底地形进行测量(1064nm激光测海表)，具有非接触测量、高灵活性和机动性、可全天时作业、数据分辨率与精度高等特点，目前国外类似的多源融合的系统有加拿大Optech公司CZMIL系统、瑞士Leica公司HawkeyeⅢ系统和荷兰Fugro公司LADSMKⅢ系统。 中国科学院上海光学精密机械研究所在之前的机载测深激光雷达系统开发工作基础上，通过承担科技部重大科学仪器设备开发项目的支持，开发出了具有自主知识产权的机载双频激光雷达产品样机。该样机的探测距离、测量精度、定位精度等主要指标初步达到或接近国外同类产品水平，后续将进行定型生产，为测绘用户提供国产化仪器的强有力的新选择。 二、系统设计 ⒈系统设计指标 该产品初期瞄准三个相关应用： ⑴海岛、岛礁与滩涂三维重建； ⑵林业资源调查； ⑶地理信息应用。 根据这三个领域的应用要求和相关技术规范，对系统性能进行了仿真，设计系统性能指标如表1所示。 表1 机载双频激光雷达性能指标表 & o# \1 B/ x3 { K4 e% g
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 1kHz@532nm&1064nm300kHz@1550nm | | | | | | Horizontal：0.164mHeight:0.161m | | Horizontal：0.193Depth：0.091(@Waterdepthof20m) |
! D. H" q- X4 k! r" H⒉总体设计
陆地和海洋测绘的分辨率要求不同，考虑将来工作的灵活性，将机载双频激光雷达激光探测组件从功能上分为陆地测绘激光雷达和海洋测绘激光雷达，两者功能和结构上独立，既能够独立工作，也可以联合工作，工作模式分为以下三种： ⑴陆地测绘激光雷达单独使用，采用人眼安全的1550nm波长激光，一字型扫描，覆盖角度±30°，最大航高1600m，配备GPS和IMU的机械和电子接口，能够获取完整的陆地测绘数据。 ⑵海洋测绘激光雷达单独使用，采用位于海水透过窗口的532nm波长激光，卵形扫描，覆盖角度±15°，最大测量水深50m，配备GPS和IMU的机械和电子接口，能够获取完整的海洋测绘数据。 ⑶陆地和海洋同步使用，由海洋测绘激光雷达装配并采集GPS和IMU的数据，两套系统共用GPS和IMU数据，形成完整的海陆测绘数据。陆地和海洋测绘模块在地面扫描图案如图1所示。 ⑷按照系统联合工作模式，将系统分为6个功能子系统：陆地测绘激光雷达系统、海洋测绘激光雷达系统、位置和姿态获取系统、飞行管理系统、航空摄影系统和数据后处理系统。
图1 激光测点扫描图案示意图 ⒊测量原理 系统同时测量陆地、海面和海底的回波信号，测量原理如图2所示。采用脉冲整形和TDC(时间数字转换)技术测量激光主波脉冲到陆地或海表回波信号的时间延迟，用于测量陆地和瞬时海面的斜程。采用高速AD采样激光海表反射、穿透海水的后向散射和海底回波信号的完整波形，通过算法将海表和海底的回波波形与水体散射波形进行分离，计算海表和海底的回波时间延迟来获得海底的斜程。
图2 系统测量原理图 ⒋关键技术 双频激光雷达系统产品开发过程中采用了多项关键技术，一方面解决双频激光雷达探测存在的技术难题，一方面提升双频激光雷达的探测性能，具体关键技术如下： ⑴探测动态范围扩展技术 系统中的海洋测绘激光雷达测量激光海表和海底回波的时间差来获取海底深度，由于海水对激光的衰减，随着海底深度从0～50m的变化，激光回波的信号幅度变化超过30dB，该范围超过探测器和高速数据采集模块的动态范围。为了能够将不同深度的回波波形进行采集，采用分视场探测技术，该技术根据激光束随海水深度而逐渐展宽的效应(海水中传输的光束截面接近水深的一半)，将接收视场分成中心小视场和边缘大视场，采用中心小视场能够完全接收展宽较小的浅水海底回波，采用边缘大视场能够接收绝大部分展宽较大的深水海底回波，在不损失回波信号的同时避开海表和浅水的强散射信号。该技术通过分视场接收实现了回波信号的动态范围压缩，有效扩展了探测动态范围，满足深度变化的海底回波探测。分视场探测如下图3所示，该技术能够有效匹配激光在海水中的传输特性，在扩展探测动态范围的同时，提高探测的信噪比。
图3 分视场探测技术示意图 ⑵探测器灵敏度温漂的高压补偿技术 系统中的APD探测器的灵敏度会随温度变化，导致探测器灵敏度的温度漂移，影响对激光回波信号幅度的准确测量。为了能够在环境温度变化的情况下稳定探测器灵敏度，采用高压补偿技术，该技术根据探测器在不同温度下灵敏度随探测器高压的变化曲线(图4)，拟合出在固定灵敏度下探测器高压随温度的变化曲线(图5)，采用AD实时采集探测器的温度，经过计算后再通过DA调节探测器的高压，将探测器灵敏度温漂通过探测器的高压来实现补偿，稳定了探测器灵敏度，确保激光回波信号幅度测量的一致性。
图4 不同温度下探测器高压和增益关系曲线
图5 探测器灵敏度随温度变化曲线 ⑶窄脉宽高功率激光器技术 激光器系统采用主振荡-功率放大(MOPA)结构放大，由主振激光器和两级放大器组成，结构如图6所示。最终输出532nm激光脉冲能量达到1.5mJ。
图6 激光器放大级方案 三、试验验证 ⒈试验概况 产品样机于2015年12月15日和2016年1月29日在海南三亚蜈支洲岛海域进行了飞行试验，系统搭载在直八飞机上，飞行航高550m，航速135km/h，共飞行了3个架次，总时长7h，获取了45个条带的数据。 ⒉试验三维地形图效果 经过预处理、海陆波形分类，波形提取和和校正后，获取了测区的三维点云图。图7为蜈支洲岛卫星图片和双频激光雷达三维点云图的效果对比。
图7 蜈支洲岛卫星图片和双频激光雷达三维点云图对比 ⒊动态范围分析 图8为深水浅水通道重叠深度区原始波形。从图中可以看出，深水通道由于视场大，可以接收到经过水体展宽后的信号，而浅水通道视场小，信号明显窄；深水通道的探测灵敏度是浅水通道的100倍，但是从图上可以清楚的看出，采用分视场接收技术后，有效抑制了深水通道在浅水区(深浅重叠区)的响应度，避免深水通道信号的饱和。
图8 深水浅水通道重叠深度区原始波形 ⒋测深能力 从图9可以看出，浅水通道可以分辨出0.22m的深度,深水通道可以分辨出最深30m的深度。
图9 浅水通道最浅处和深水通道最深处原始波形 激光雷达系统在测量水下目标回波信号时的指数项衰减系数K和水体衰减系数C有如下关系： K＝0.2C＋0.04(0.11≤C≤1.6) 试验时试验海域实地测量的水体衰减系数C＝0.49，对应K＝0.138；在一类水质C＝0.15时，对应K＝0.07，可以采用衰减系数等效推算的方法对系统最大探测能力进行推算，最大探测深度可以达到： 29.59×0.138/0.07＝58.3m 故笔者认为，在一类水质的情况下，现有系统最大探测深度可以达到50m，达到了设计要求。 ⒌测深数据比对 双频激光雷达的测深数据和同试验海域的单波束声呐数据进行了比对，选取了10组数据进行了对比，中误差为0.108m。 ⒍测距数据比对 选取了20组岛上的建筑物实地人工测量的数据和陆地雷达点云数据进行了比对，中误差为0.18m。 ⒎试验小结 测深能力、测深数据精度和测距数据精度的设计和实测指标比对如表2所示。 表2 设计和实测指标对比
四、结论 经过飞行试验，机载双频激光雷达产品样机的测深能力、测深精度和测距精度基本达到了设计要求，在测绘能力上可以满足目标测绘场景(海岛、岛礁与滩涂三维重建，林业资源调查，地理信息应用)的使用要求，为产品定型打下了良好的基础。 7 b6 `' [: f5 {$ C8 h
| 
