机载双频激光雷达系统设计和研制

针对林业、建筑、近海、岛礁和滩涂的测绘要求,中国科学院上海光学精密机械研究所开发了具有自主知识产权的机载双频激光雷达产品样机,可以同时完成对陆地地形和海底地形进行测绘。该样机在三亚蜈支洲岛进行了飞行试验,最大探测深度达到30 m,等效一类水质条件下可达50 m,最小探测深度达到0.22 m,测深数据和单波束声呐数据对比中误差为0.108 m,实地测量数据和陆地点云量测数据比对中误差为0.18 m,试验结果基本符合设计预期,为进一步产品定型打下了良好的基础。

机载双频激光雷达样机设计与水陆联测试验

为了识别水下目标和获取水陆一体的三维地形数据,运用机载双频激光探测的原理,建立了水陆联测数学模型,设计了机载双频激光雷达样机,进行了水陆联测试验。运用蓝绿激光扫描技术以实现水下地形的实时测绘,运用红外激光扫描技术以实现陆地目标的快速精细探测,采用机载双频激光雷达技术把蓝绿激光扫描技术与红外激光扫描技术进行结合,先后产生两个激光脉冲回波,结合飞行平台的一维运动,共同构建地表和海底表面的三维坐标点云,获取地表和海底的三维地形,实现水下目标的识别和水陆一体化量测。试验结果显示,每平方米地面点云数量达到12个,水下勘测点云数量达到2~4个,水下测深达到5~7米,既提高了陆地目标的探测精度又实现了水下目标的探测,验证了水陆联测系统的可行性。

高超声速目标相干双频激光雷达探测技术

为研究双频激光雷达技术在高超声速目标探测方面的应用,理论分析了激光在等离子中的吸收衰减特性,以RAM-C实验数据为参考,通过仿真计算得到不同高超声速飞行场景下钝头体模型的等离子体电子密度,验证了计算的准确性。计算得到钝头体驻点线上温度分布范围为8000~16000 K,并结合理论分析得到了激光在等离子体鞘套中的衰减与电子密度、温度和激光频率的关系,表明等离子体鞘套对激光的吸收十分微小;通过对双频激光和单频激光在湍流传输中回波信噪比的对比分析,得到了双频激光的抗湍流干扰特性。由此表明双频激光雷达是探测高超声速目标的有效方式。

机载双频激光雷达

主要技术与性能指标,激光波长:1064 nm和532 nm(海洋通道);1550 nm(陆地通道),重量:98 kg,激光重频:5 kHz(海洋通道);100-400 kHz(陆地通道),功耗:1.2 kW,扫描角度:±15°(海洋通道);±30°(陆地通道),平面精度:0.26 m,高程精度:0.136 m,水深范围:0.26-50.82 m(最大水深4/kd)。

国产机载双频激光雷达探测技术研究进展

机载双频激光雷达探测技术利用双波长激光实现海陆一体化测绘,从1969年至今,国际上已经形成了成熟的商业产品,应用于海洋、海岸带和岛礁的探测。中国科学院上海光学精密机械研究所从1998年开始,先后研发了三代机载双频激光雷达,完成了从原理样机阶段到产品样机阶段的转化。最新的Mapper5000系统在南海完成了11个架次的机载飞行试验,获得南海岛礁的三维地形数据,最大实测深度达到51m,最浅水深达到0.25m,测深精度为0.23m,水平位置精度为0.26m,海洋测点密度为1.1m×1.1m,陆地测点密度为0.25m×0.25m。

国产机载双频激光雷达对地定位精度评价

从国产机载双频激光雷达系统对地定位模型出发,分析对定位精度产生影响的各个因素,应用误差传播理论,推导该系统对地定位的综合误差模型。根据系统各传感器参数,对系统的理论定位精度进行仿真计算。对比分析机载雷达对地定位精度评定方法,设计了基于平面特征的对地定位精度评定方法,利用评定场飞行数据及高精度控制数据进行精度评价,结果表明,系统精度达到设计要求,评价方法简单可行。

机载双频激光雷达结构误差与定位精度研究

针对机载双频激光雷达特有的卵形扫描结构,着重分析了结构中会对系统定位精度产生影响的误差源,主要包括电机转轴与编码器安装产生的偏心误差、卵形扫描镜安装误差和光学调整误差;提出了机载双频激光雷达的误差模型,并依据该模型定量分析了各种误差对机载双频雷达定位精度的影响。研究表明,上述误差均会对系统的定位精度产生较大影响,且对扫描线上的每个点产生的影响各不相同,多种误差耦合后难以通过建立系统整机矫正模型予以修正,因此在激光雷达的结构设计、器件选型、结构加工和系统装调等各个环节要控制误差的引入,并在装配过程中量化误差大小以便后期进行误差矫正,减弱和消除这些系统误差对于提高机载双频激光雷达系统的定位精度有着重要的影响。