机载gps-激光测深系统设计和测深精度理论研究

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1、机载GPS/激光测深系统设计和测深精度理论研究　　【摘要】介绍了机载GPS/激光测深系统的组成，包括机载激光测深、机载GPS定位测姿、机载测量数据集成处理和机载数据通信控制四个子系统。通过对影响机载GPS/激光测深系统测深精度的理论分析，得出了平均海平面的确定、海水深度的测量误差等影响测深精度因素的定量分析结果，并依据该分析结果，得出了机载激光测深系统应该尽可能采用较窄的激光脉冲、较小的光学接收视场角和滤光通带宽度，以此减小海面背景噪声光的有害干扰，提高激光探测的信噪比，确保精确测定海水深度。【关键词】GPS；激光；测深；脉冲1.引言10随着海洋国土意识的日渐浓厚，海洋划界已

2、成为濒海国家一项迫在眉睫的历史重任。我国亟待与朝鲜、日本、菲律宾、马来西亚和越南等国家划定海域疆界。为了维护我国海洋国土的完整和权益。开发和利用海洋资源，海洋测绘是一项超前期的基础性建设。浅水海域测绘，特别是海图与陆图的衔接测量，已成为海洋测绘亟待解决的大问题。现行的回声测深技术，虽能较好地测得几十米水深的海底地形地貌，但难以解决几米水深的测绘问题。近年来，我国海底地形测绘的实践表明，研究适用于浅水海域的新型测绘系统，已成为海洋测绘的当务之急。美国、瑞典等一些发达国家的军方部门，都在积极研制机载激光测深系统。瑞典和澳大利亚的机载激光测深试验结果表明，在几十米水深的浑浊海域内，

3、能够达到亚米级的测深精度。因此，机载激光测深系统，将成为浅水海域海底地形测绘的先进技术装备。机载GPS/激光测深系统的示意图如图1所示。2.系统设计机载GPS/激光测深系统主要由机载激光测深子系统、机载GPS定位测姿子系统、机载测量数据集成处理子系统和机载数据通信控制子系统组成，四者之间相互协作，互通信息，构成一套完整的作业、指挥、管理系统，共同完成测深任务。2.1机载激光测深子系统该子系统包括双色激光发射、绿色激光测深扫描、光学接收和光电检测等四大部分。Nd：YAG倍频激光器，是机载激光测深子系统的心脏，它产生的基频红外脉冲和倍频激光脉冲，具有40Mj/20mJ的能量和5n

4、s的脉宽，而其重复率高达400Hz。由于热瞬态影响光学谐振腔的精密平衡和高峰值功率非线性效应导致激光棒等不可逆转的击穿，机载激光测深子系统发射的高重复率脉冲，难以达到亚毫微秒级的脉宽。该系统的主要功能是：采集、记录、计算和提供机载激光测高测深原始数据。102.2机载GPS定位测姿子系统该子系统一般采用机载GPS动态载波相位测量的DGPS模式，以此确保所需高精度的均匀性和稳定性。主要功能是：确定飞机的在航三维姿态参数，为控制机载激光作业平台的稳定性提供基准数据，以确保激光回波的稳定接收，为机载激光测深等子系统提供时间同步源，以确保各子系统的协同工作。测定飞机的在航七维状态参数，

5、以便精确引导飞机进行昼夜探潜作业。2.3机载测量数据集成处理子系统该子系统的主要功能是：实施机载激光测量、机载GPS定位和测姿等多种数据的集成快速解算，而精确地算得所探水下目标的实时位置。指挥、控制和维护机载激光测深系统的在航作业。协调机上各子系统的同步工作，监视测深状态和系统工作正常与否，管理机载测试数据，并将它们发到机载数据通信控制子系统。2.4机载数据通信控制子系统该系统的主要功能是：向地面控制中心发送机载测量数据等信息，接收地面指挥中心的控制指令，并予以分发和显示。10在作机载激光测深时，机载倍频腔倒空Nd：YAG倍频激光器，向海面发射1064nm红外激光和532nm

6、绿色激光。当这两束毫微秒级脉宽和毫焦耳级能量的激光脉冲射达海面时，红外激光因无法穿透水面而被海面发射，且沿着入射路径返回在航飞机，被其光学接收子系统所接收。绿色激光处于海水的窗口频段，仅有2%的能量被海面反射，而沿着入射路径返回在航飞机，被其光学接收子系统所接收。98%的能量穿透海面而射达海底，并被后者发射而沿着入射路径返回在航飞机，亦被其光学接收子系统所接收。在扫描式激光测深的工作模式下，绿色激光用于测量海水深度，红外激光用于测量飞机的飞行高度。当光电检测子系统测得绿色激光在海水中的传播时间差，即可按下式算得海水深度：（1）式中：：海水深度；：绿色激光在海水中的往返传播时间

7、；：光在真空中的传播速度；：海水的光波折射率，当=532ns时，=1.341；：取决于绿色激光入射海水角度的光径因子。机载激光测深系统的海水最大测量深度为：（2）式中：：海水对激光的有效衰减系数；：海面背景所产生的噪声功率；：机载激光测深系统的有效接收功率。且知：10（3）式中：：绿色激光脉冲的峰值功率；：大气/海水界面的反射率；：机载激光测深系统的光学有效接收面积；：机载激光测深系统的光学接收效率；：机载GPS/激光测深系统测得的飞机点A至海洋面的距离。从式（2）和式（3）可见，机载激光测深系统的海水