文/翟国君 王克平 【文章发表于《海洋测绘》2014年第2期上】
一、引言
海底地形是海洋基础测绘要获取的重要的地理空间信息之一，在国民经济建设、海洋权益维护、国防建设和科学研究中具有重要的作用。港口建设、航行安全、海水养殖、渔业捕捞、海洋划界、权益维护、资源勘探等都离不开对海底地形的了解。人们通过对声、光、电、磁长期的研究后发现，声波在海水中具有光、电、磁无法比拟的优越性。正如有关文献所指出的“迄今为止，人们所熟知的水中的各种能量辐射形式中，以声波的传播性能为最好。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”。正是由于声波在海水中衰减小、传播距离长，因而最适合于水深测量。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，其中最为典型的测深设备是单波束测深仪和多波束测深系统。尤其是多波束测深系统以其高效率全覆盖的优势在水深测量中得到了越来越普遍的应用。一般而言，多波束测深系统的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。然而，即使是多波束测深系统具有如此之宽的覆盖测幅，在浅水区的全覆盖测量效率也是非常低的。
自从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。美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、瑞典、中国等都先后对机载激光测深技术进行了研究。其中最为成熟的机载激光测深系统是加拿大的SHOALS系列产品(现已升级为CZMIL)和瑞典的HAWKEYE系列产品。
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。加之机载激光测深系统的激光束方向性强、分辨率高，与飞机速度快的优势相结合，使得机载激光测深系统成了多波束测深系统之外最为有效的全覆盖测深系统。
二、激光测深基本原理
机载激光测深技术是一种主动式遥测技术，利用的是光在海水中的传播特性。海水组成成分复杂，主要的有可溶有机物、悬移质、浮游生物等，这些物质一方面影响了海水的透明度，使得海水的透明度从零米到几十米，这其中影响海水透明度最大的因素是泥沙含量；另一方面这些物质对光的吸收和散射作用很强，这导致光波在海水中的衰减较大，传播距离非常短。
通过对光在海水中的辐射、散射、透射等性能的研究，人们发现海水中存在一个类似于大气的透光窗口，在该窗口内，光波在海水中具有较好的传播特性，尤其是波长为0.47～0.58μm之间的蓝绿光表现出了衰减系数最小的特性。正是利用这一特性，人们研制开发了利用蓝绿激光进行水深测量的机载激光测深系统。
准确地讲，为了更好地利用激光在海水中的传播特性，机载激光测深系统均采用了532nm波长的蓝绿激光作为激光器发射的光源。装载在飞机上的半导体泵浦大功率、高脉冲重负率的Nd：YAG激光器发射大功率、窄脉冲的蓝绿激光，一部分激光到达海面后反射回激光接收器，另一部分激光束穿透水体到达海底，经海底反射后，被激光接收器接收。根据海面与海底反射激光到达接收器的时间差，即可计算出海水的深度。实际上，海水深度的计算远比上面描述的基本原理要复杂的多。首先，激光脉冲并不是垂直于海平面入水，而是由于扫描角的存在都是倾斜入水，该扫描角一般为20°左右。其次，飞机平台的姿态由于气流的作用总是处于不断的变化之中，该纵倾横摇角度也影响了激光点在水面的位置。最后，潮汐的作用导致同一地点不同时刻测得的水深不同，水位改正是必不可少的。如果考虑到测深数据中可能存在的粗差，还必须对这些粗差进行剔除。
海水对激光的衰减使得在设计机载激光测深系统时需要综合考虑激光器的重复频率、脉冲宽度、发射功率、航高等因素。几十年的研发经验和测量实践表明，一般激光器的重复频率为1 000～4000Hz，个别的机载激光测深系统甚至高达10000Hz。脉冲宽度为5～10ns，发射功率为2～8mJ，航高为250～500m，最大测深能力为50m。以CZMIL机载激光测深系统为例，典型的飞行高度为400m，扫描宽度为0.73倍的航高，飞行速度按250km/h计算，则每小时可覆盖的测区面积高达73km2。
三、机载激光测深系统构成
机载激光测深系统主要由两部分组成：机上系统见上图，地面系统下图。机上系统主要完成飞机位置的确定和海水深度的探测。由卫星定位接收机、惯性导航系统、姿态传感器、激光发射器、扫描装置、光学接收机、数据采集和控制系统以及实时显示分系统等组成。为了实时监测海面过往船只、岸线地形，以及养殖场、井架等情况，还可配备CCD数字摄像机。地面系统主要完成数据后处理与成图，由数据处理工作站、打印机、绘图仪等设备组成。其功能包括深度信息处理、飞机姿态校正、折射改正、波浪改正、水位改正、粗差剔除、条带拼接等，最终获得海底地形数字成果，绘制高精度海底地形图。
机载激光测深系统利用激光的相干性、单色性及脉冲短、功率大、散度小的特性设计，其核心部件是高重复频率的激光器，一般采用钇—铝—石榴石激光发生器，发射红外及其倍频后的绿光两束光脉冲。
机载激光测深系统与多波束测深系统一样，属于条带式全覆盖测深系统。然而不同的是，多波束测深系统的条带式测深是通过采用发射、接收指向性正交的两组换能器阵，通过点源声波幅度和相位的控制，实现波束形成，一次获得与航向垂直方向上几十个甚至几百个海底地形数据来实现的。机载激光测深系统则是通过扫描装置的转动，从而随着飞机的飞行，激光点在水面形成了条带状的全覆盖水深测量见下图。随着扫描装置的不同，机载激光测深系统的扫描方式分为直线、弧线、圆形和椭圆形等四种。
四、机载激光测深系统的应用
机载激光测深系统虽然受到海水透明度、天气和大气物理异常、强烈海面波动和小目标探测能力较弱的限制，但由于其快速机动高效全覆盖的优势，在沿岸浅水测量时成了多波束测深系统的最有效补充。尤其在水质较为清澈的沿岸浅水区，机载激光测深系统的测深效率远远高出多波束测深系统的测深效率。正是由于这些优势，使得机载激光测深系统在很多方面得到了应用，或者具有应用的潜力。
(1)沿岸浅水区水深测量。由于多波束测深系统的海底覆盖宽度与水深有关，因此在浅水区应用多波束测深系统进行全覆盖测量时的效率是非常低的。机载激光测深系统的海底覆盖宽度与水深无关，而仅仅与航高有关，因而采用机载激光测深系统进行沿岸浅水区的全覆盖水深测量是最为有利的。同时，出于安全考虑，测量船只无法到达大陆沿岸和岛屿周边的很多浅水区域，诸如珊瑚礁区、疑存雷区、岩礁浅滩等，这时，机载激光测深系统的机动性得到了充分体现。目前，我国的沿岸水深测量仍然采用回声测深仪，一旦将机载激光测深系统应用于沿岸浅水区域的测量，必将大大提高海底地形的现势性、缩短海图的更新周期，提升海洋基础测绘服务于社会的能力。
(2)障碍物探测。正常的飞行条件下，机载激光测深系统的测点密度可达到2m×2m，如果采取更低的飞行高度和更慢的飞行速度，则可获得更高分辨率的测点密度。这对于探测海底障碍物是非常有效的。就目前机载激光测深系统达到的分辨率而言，对于探测失事飞机、沉船、铁锚等是很合适的，完全可以与侧扫声纳的图像探测相媲美。
(3)近岸工程建设。机载激光测深系统的高分辨率全覆盖特性使得其在近岸工程建设中具有重要的应用。港口建设、码头维护、水下管线敷设、钻井平台选址安装、航道疏浚与维护等对海底地形的需求都可以得到很好的满足。
(4)海岸带管理。机载激光测深系统由于在海岸线附近可同时进行水深和岸线地形的测量，因此其快速机动、高精度、全覆盖、水陆无缝探测的优点在海岸带管理中得到了很好的应用。它可以为海底沉积物变化、海岸侵蚀、滩涂变化等提供实时性强、准确度高的海底地形数据和海岸线附近的陆地地形数据，从而在测绘学、地质学、矿产学等方面得到应用。
五、结束语
海水存在的光学传播窗口，使得激光在海水中的传播衰减达到最小，因此，以飞机为搭载平台的激光测深系统得以快速发展，在50m以浅的清澈水域与回声测深系统形成有效互补。机载激光测深技术充分利用高性能的半导体泵浦激光器、全球卫星定位系统、姿态传感器、扫描装置以及地面数据处理系统等实现了对50m以浅水域的海底地形测量，其原理看似简单，但技术复杂、研制难度大。机载激光测深系统具有快速高精度全覆盖的测量特点，在很多方面得到了广泛应用。
