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机载激光雷达测深技术及应用.docx

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海底地形是海洋基础测绘要获取的重要地理空间信息之一,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。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。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。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。
机载激光测深技术是集激光、全球定位与导航、自动控制、航空、计算机等前沿技术,以直升机和固定翼飞机为平台,从空中向海面发射激光束来测量水深的海洋高新技术,属于主动测深系统,在浅于50m
的沿岸水域,具有无可比拟的优越性。特别是能够高效快速测量浅海、岛礁、暗礁及船只无法安全到达的水域。其主要优点如下:(1)覆盖宽度不受水深的影响,而仅仅与飞机航高和激光测深系统的宽高比有关,这一显著特点是多波束测深系统所不具备的;(2)飞机速度远远快于船速,因此,机载激光测深系
统具有很好的机动性和非常高的测深效率;(3)机载激光测深系统目前已具有水部和陆部同时测量的功能,即在岸线附近,测量水深的同时,还可以测量岸线附近的地形。
一、激光测深原理
机载激光测深技术是一种主动式测量技术,利用了光在海洋中传播特性。海水组成成分复杂,包括可溶有机物、无机盐、悬浮泥沙和浮游生物,这些物质对光有一定的吸收和散射作用。1963年,DuntleySQ和GilbertGD等人在研究光波在海水中传播规律时,-,证实了海洋中存在一个类似于大气的透光窗口。机载激光正是利用了蓝绿光在海水中传播衰减小的特性。
机载激光水下目标探测的基本原理和回声测深原理相似。机载激光雷达采用激光器同时发射红外激光(波长1046um)和蓝绿激光(波长532um)。红外激光到达海面后反射,被激光接收器接收;而蓝绿激光由于传播衰减小到达海底后散射,被激光接收器接收。根据红外激光和蓝绿激光到达激光接收器的时间差,并结合蓝绿激光入射角、海水折射率nw等因素综合计算,得到被测点的水深值D,再与定位数据、飞行姿态数据、潮汐数据等融合,最终确定被测点的水深。
D AtC0cos[arcsin(sin(ee/w))]/(2nw)
t是蓝绿光和红外光到达激光接收器的时间差;
C0是激光在真空中船舶速度;
nw为海水对蓝绿光的折射率;
9为蓝绿光在海面的入射角。
二、 机载激光测深系统的组成
机载激光测深系统主要由两部分组成:机上系统和地面系统。机上系统主要完成飞机位置的确定和海水深度的探测,由***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。为了实时监测海面情况,通常还配备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、绘图仪等组成。其功能包括深度信息处理、飞行姿态校正、折射改正、波浪改正、水位改正、粗差剔除、条带拼接等,最终获得高精度海底地形数字成果。
三、 国内外机载激光测深技术的发展
世界上较成熟的机载测深系统主要有加拿大的SHOALS系统、瑞典的HawkEye系统、澳大利亚的LADS系统、美国NASA的EAARL以及SHOALS系统的升级产品CZMIL系统。这些机载激光测深系统虽然在原理上基本相同,但在技术指标和系统功能方面存在较大差异。
加拿大SHOALS系统
加拿大OPTECH公司相继推出了SHOALS200(1994年)、SHOALS
400(1998年)、SHOALS1000T(2003年)、SHOALS3000T(2005年)、SHOALS3000(2010年)。其中,SHOALS3000T
在日本、美国、台湾都得到广泛应用。SHOALS1000T和SHOALS3000T的技术指标如下:
模式 型号
参数
SHOALS1000T
SHOALS3000T
测量频率
1000HZ
3000HZ
飞行高度
200-400m
300-400米
水深精度
IHOorder1
IHOorder1
水平精度
IHOorder1()
IHOorder1
最小探测深度


测深型模式
最大探测深度
50m
50m
水深点密度
2mX2m,3mX3m
2mX2m,3mX3m
4mX4m,5mX5m
4mX4m,5mX5m
可调(最大值为飞行
可调(最大值可达
扫描宽带

)
倍)

飞行速度
125T80knots
125-260knots
电源要求
60A,28VDC
70A,28VDC
测地模式
测量频率
10kHz
20kHz
垂直精度
25cm,1
25cm,1
瑞典HawkEye系统在机载激光测深系统的研发和应用方面,瑞典的Saab公司先后
开发了Flash系统和HawkEye系统。目前,HawkEyeII系统是瑞典
最为成熟和聂眞代表■性的机载激光测深系统。
模式 型号
参数
指标
测深型模式
作业高度
250-500m
飞行速度
290km/h
测量频率
4000Hz
扫描宽度
100-330m
系统重量
小于190Kg
电源要求
50A,28VDC
垂直精度

水平精度

最小探测深度

最大探测深度
3倍圆盘透明度;北海
35-40m,法国25-30m,加勒比群岛50m。
水深点密度


间,可选择其它选项
海底目标探测水平
IHOOrder1
测地模式
测量频率测点密度水平精度
垂直精度
64000Hz每平方米
1-

Leica公司在LeicaChiropteraII基础上升级研发了Leica
HawkEyeIII。LeicaHawkEyeIII主要参数指标如下:
模式 型号
参数
指标
测深型模式
深水测深频率
10kHz
浅水测深频率
35kHZ
飞行高度
400-600m
测深范围
深水,D=4/k(3倍圆盘透明度);
max
浅水,(
max二
明度)
视场角
前后±14°,左右±20°
扫描宽度

点密度
深水:;
测深精度
浅水:(2 )


运行温度
0°C-35°C
储藏温度
-10°C-50°C
电源
18-32VDC,******@28VDC
测地模式
频率
500KHz
垂直精度

水平精度

澳大利亚LADS系统系列
澳大利亚20世纪70年代开始了机载激光测深系统研制。后来以RANLADS命名的机载激光测深系统是根据1975-1985年的研究而设计的,系统研制成功后进行了多次海上试验。1989-1993年澳大利亚国防部委托BHPEngineering和VisionSystem公司对LADS进行重新研制。自1993年以来,澳大利亚皇家海军海道测量局就一直利用此系统开展水深测量,6年来测量面积约60000平方公里。1995年,VisionSystem公司又投资2400万澳元研制新的机载激光测深系统,名为LADSMKII。LADSMKII在浅水水域的测量效率是传统声学方法的20倍,但总经费只需传统方法的20%,水深测量精度能够达到《国际海道测量标准》中的一级要求。2009年,荷兰Fugro公司收购澳大利亚TenixPty公司机载激光雷达业务。2011年,LADSMKIII完成试飞。相比LADSMKII,LADSMKIII体积更小,不需要专门的大飞机。荷兰Fugro在LADSMKIII的基础上,2015年发布了LADSHD系统。LADSHD系统主要参数如下表。
参数
指标
测深频率
3kHz
飞行高度
1200-3000ft(365-914m)
飞行速度
125T75knots(231-324km/h)
测深范围
0-80m,取决于海水透明度,通常约
3倍圆盘透明度
扫描宽度
100-600m,取决于飞行高度和测

八、、
密度
点密度

测深精度
IHOorderl(〈)
水平精度
IHOorderl(〈)
目标探测
IHOorderla
运行温度
0°C-40°C
姿态
±7°C
参数
指标
测深频率
3kHz
飞行高度
1200-3000ft(365-914m)
飞行速度
125T75knots(231-324km/h)
测深范围
0-80m,取决于海水透明度,通常约
3倍圆盘透明度
扫描宽度
100-600m,取决于飞行高度和测

八、、
密度
点密度

测深精度
IHOorderl(〈)
水平精度
IHOorderl(<)
目标探测
IHOorderla
运行温度
0C-40C
姿态
±7C
CZMIL系统
CZMIL机载激光测深系统是SHOALS3000T的升级版本,是美国
军方2011年向Optech公司定制的,2012年交付美国军方使用。
CZMIL系统是一套集激光测量传感器和影像传感器为一体的新一代水深和沿岸地形测量系统,具有光学孔径大、空间分辨率高、适合较差水质的显著特点。其主要性能指标见下表。
模式
参数
指标
测深模式
测量频率
10000Hz
最大测量深度
80m,与水质有关,
透明度
最浅测量深度
〈(系统)〈(浅水算法)
飞行高度
一般400m,最咼可达1000m
飞行速度
260KM/h
测深精度
+(^】2,2。
水平位置精度
(+)m,2°
测点密度
2x2
扫描角
20°
扫描宽带
291m
运行温度
0-40°C或0-50°C
测地模式
测量频率
70KHz
水平位置精度
±1m,2o
垂直测量精度
±,2o
四)国内机载激光测深技术的发展
我国机载激光雷达探测技术开始于20世纪80年代末,华中科