测深系统以飞机为搭载平台，一般为固定翼飞机和直升机，机动性能好，加之采用激光扫描、GNSS和惯性导航技术，能实现快速大面积高密度扫描，被海洋大国广泛应用于沿岸大陆架海底地形测量之中。除了常规的海底地形测量之外，机载LiDAR测深的高覆盖率决定了它还能提高航行障碍物的探测率，水下运动目标（如潜艇）的发现概率。对无深度信息的登陆场，机载LiDAR测深可迅速、安全地获取信息，从而提高快速反应部队的作战能力。机载LiDAR还可用来测量海区的混浊度、温度、盐度。在海洋工程中，机载LiDAR测深可以测定港口的淤积等。

当然，由于海水对激光吸收和散射严重，使得机载LiDAR测深系统的测量深度有限，机载LiDAR测深并不能取代传统的回声测深，在深海水域仍需要船载声学等传统测深方法。所以，机载LiDAR测深系统的作用是补充船载海洋测深能力的不足。在近海，机载LiDAR探测技术或许是最有效的直接水深测量方法之一。

1.系统组成

机载激光测深系统主要由两部分组成（叶修松，2010）：机载系统（图8-5）和地面处理系统（图8-4）。机载系统包括激光收发器、扫描器、光学接收、数据采集、控制和实时显示等多个分系统。地面处理系统主要完成数据的后处理，包括深度信息处理、飞机姿态校正等，并最终产生数字产品，如海底地形图、海图、剖面图、DEM等。若具体划分，激光测深系统还可分为六大组成部分：

①测量系统：由激光收发器、扫描棱镜等组成；

②定位和测姿系统：多采用GNSS/IMU组合导航系统进行定位和测姿；

③数据处理分析系统：由高度计数器、深度计数器、数据控制器等组成，用于记录位置、水深以及其他数据；

④控制-监视系统：包括系统监视仪、导航显示器、控制键盘、数据显示器等，由操作员在控制平台对系统进行实时控制和监视；

⑤地面处理系统：包括计算机、系统控制台、制图系统等，对采集的数据进行处理并出图；

⑥飞机与维护设备：飞机与维护设备也属于系统的一部分，飞机要提供飞行状态参数和工作电源。

图8-4　地面处理系统

图8-5　机载系统组成（叶修松，2010）

2.系统工作原理

1）扫描测量

机载LiDAR测深系统一般采用扫描方式测量（图8-6），通过扫描镜的局部运动，实现测深点的条带式展宽。目前国际上常用的扫描方式主要有类圆锥扫描和直线扫描两种（叶修松，2010）。类圆锥扫描的轨迹为圆形线或椭圆螺旋线，如ABS系统、SHOALS系统和LARSEN 500系统均采用圆形扫描方式（图8-7）；直线扫描方式（图8-8）轨迹为横向平行线，如澳大利亚的LADS MKII系统。飞行测量时，高频激光雷达采用横向扫描方式发射，在垂直于飞行方向以数百米的扫描带、很小的扫描间隔进行数据采集，从而达到全覆盖测深的目的（昌彦君，2002）。

图8-6　机载LiDAR测深系统扫描测量

图8-7　圆形扫描方式

图8-8　直线型扫描方式

以椭圆形扫描（图8-9）为例，其系统结构比较简单，激光器输出1064nm和532nm激光，通过扩束镜后，激光束到达高速旋转的反射棱镜，经发射在海面形成椭圆形激光脚点。角度编码器与反射镜一起固定在反射镜驱动电机的转轴上，以便统计反射镜转过的角度φ。反射镜法线与驱动电机转轴呈一定夹角，驱动电机的转轴与水平线成45°倾角，激光水平入射且位于或者平行于驱动电机转轴所在的垂直面。这样水平入射的激光束经反射棱镜反射后会以不同的方向折向海面，从而实现大范围扫描。同时，扫描镜将海面和海底反射信号反射给接收系统，用于计算水深。

扫描测量时，可通过设置激光发射频率和扫描角度等系统参数，调节测点密度和条幅宽度。结合飞行器高度和速度，根据测量的目的可在测点密度和条幅宽度之间取得合理匹配。测点密度大，条幅宽度需变窄，飞行速度也受到限制；测点密度降低，覆盖率成倍增加。

2）姿态测量

图8-9　椭圆形扫描原理(www.daowen.com)

姿态测量是指通过INS来测量飞机的姿态数据（航向、横滚、俯仰和加速度）。INS是由惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）和导航电脑组成。IMU包含三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺加速度计。加速度计用来对比力进行测量，以确定载体的位置、速度和姿态信息。陀螺仪的配置，既可以建立参考坐标系，也可以用来监测载体相对于导航坐标系的角速度信号。这些信号传输至导航电脑进行系统误差补偿之后完成相对姿态矩阵计算、重力改正、加速度积分及速度积分等计算，从而输出载体在导航坐标系中的定位导航与姿态信息，包含三个位置、三个速度及三个姿态（刘春，2009）。

INS需要初始位置及姿态供加速度的转换及积分运算。载体的初始位置可通过GNSS给定，但初始姿态则需花费一定时间进行初始对准；初始的水平姿态可由加速度计在完全静止的模式下的输出来决定，而初始的方位角则要通过陀螺监测地球自转的速度来计算。初始化结束后，在飞机飞行过程中，IMU能实时提供横滚、俯仰和航向信息，这些姿态数据都具有精确的时间标记，经记录后用于数据后处理。

3）定位测量

差分GNSS（DGNSS）接收机实时记录飞机的位置信息，主要作用有三个：①提供激光扫描仪传感器在空中的精确三维位置；②为INS提供外部数据，消除INS中陀螺系统的漂移并同时参与陀螺系统的修正计算；③为导航显示器提供导航数据（刘春，2009）。

目前，机载LiDAR测深系统大多采用GNSS/IMU组合导航来定位，DGNSS和IMU都能进行定位。DGNSS测量精度高，误差不随时间积累，但动态性能较差（易失锁）、输出频率较低；而IMU能够连续定位，但是定位误差随时间积累。可以看出DGNSS与IMU在定位方面正好互补，将两个系统的数据进行融合，可得到高精度、高可靠性的位置数据，IMU/DGNSS数据处理主要通过卡尔曼滤波来实现，通常将融合后的系统称为POS。

4）水深测量

机载LiDAR测深技术是一种主动式遥测技术，利用光在海水中的传播特性。研究表明，波长为520～535nm的蓝绿光被称为“海洋光学窗口”，海水对此波段的光吸收最弱。正是利用这一特性，研制开发了利用蓝绿激光进行水深测量的机载LiDAR测深系统，按照波段数量可分为双色和单色激光机载LiDAR测深系统。

（1）双色激光测深

双色激光机载LiDAR测深发展较早，其利用装在飞机下部的激光发射器经扫描反射镜向海面以扫描测量的方式发射激光脉冲，激光脉冲以一定角度倾斜向海面入射，激光束分为波长为1064nm红外光和波长为532nm的蓝绿光。以红外光与蓝绿光共线扫描为例，红外光与蓝绿激光向下发射，到达海面后，红外激光因无法穿透水面而被海面反射，且沿入射路径返回，被光学接收系统所接收；蓝绿激光以一定的折射角度穿透海面而到达海底，并被海底反射沿着入射路径返回，亦被光学接收子系统接收。光电检测子系统测得红外激光和蓝绿色激光返回的时间，结合蓝绿激光的入射角度、海水折射率等因素进行综合计算，即可获得测量点的瞬时水深值（图8-10）。再与GNSS测得的定位信息、INS测得的飞行姿态信息（侧滚角、俯仰角和航向）、潮汐数据等进行综合处理，就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，最终得到X、Y、Z格式的数据，可导入CAD、GIS软件或者其他数字地形成图软件进行成图。

图8-10　机载LiDAR测深原理图（Kuus，2008）

由于是共线扫描，蓝绿激光返回的时间扣除红外光返回时间后，可得到蓝绿光在水中的往返传播时间（图8-11）。

由光学知识可知，根据激光入射角θi，激光在空气中的折射率n空气和海水对激光的折射率n水，可求出折射角

激光在海水中的传播速度为：

式中，海水折射率n水在波长532nm处的值为1.334；c为激光在真空中的速度。探测得的瞬时水深值D的计算公式可表达为：

图8-11　机载LiDAR测深激光传播路径示意图

式中，Δti为所接收红外光与蓝绿光的时间差。

测深点归位涉及多个坐标系的转换，包括扫描仪坐标系、惯性导航坐标系、载体坐标系、当地水平坐标系和大地坐标系等。通过这几种坐标系的旋转转换，最终将测点归算到大地坐标系下，详见第2章。

对扫描仪坐标系而言，其原点位于激光发射（接收）参考点，X轴指向飞机飞行方向，Y轴指向右机翼，Z轴垂直于XY平面向下，O-XYZ构成右手系。测点在扫描坐标系下的相对位置归算简单描述如下：

式中，xi，yi，zi为第i个测点在扫描仪坐标系中的坐标，为第i束激光往返时间差。

（2）单色激光测深

早期的机载LiDAR系统采用双色激光的原因，是532nm的蓝绿激光在海面反射微弱，无法得到准确的海面回波的旅行时间。但采用单色激光作为发射源，即简化系统结构，又不需双色激光同步，从而提高测深精度，因此采用单色激光是机载LiDAR测深系统追求的目标。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，仅采用一种波长为532nm的蓝绿激光作为激光器发射光源。装载在飞机上的半导体泵浦大功率、高脉冲重复率的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（翟国君，2014），其原理与双色激光系统基本相同，只是减少了一色激光。