机载双频激光雷达产品开发和应用

2018-01-05

机载双频激光雷达系统是集激光器技术、光电探测技术、扫描技术和信号处理技术等于一体的高技术含量产品，该系统能够在机载平台实现对陆地和海底地形的三维测绘，与传统的船载测量手段相比，具有高效和高分辨率的优势，能够在未来的海洋探测领域发挥重要的作用。

由于技术含量高，技术难度大，目前，海陆测绘机载激光雷达产品由国外几家大公司垄断，单套售价高达3 000万元，并且存在数据安全、维修维护滞后等诸多问题，严重制约了该技术在海洋测绘领域的应用。

项目团队以中国科学院上海光学精密机械研究所技术为核心，联合国内相关领域的优势单位，在国家重大科学仪器设备开发专项“机载双频激光雷达产品开发和应用”项目的支持下， 2013年研制出了机载海陆测绘双频激光雷达，该产品能够同时实现对海洋和陆地的一体化测绘。2016年，项目团队在工程样机基础上对产品进行了小型化和可靠性升级，形成了产品样机。2017年，产品样机搭载运12飞机开展了南海飞行试验，获取了西沙海岛的海陆一体化三维地形图。

上海大恒光学精密机械有限公司作为该项目总体负责单位，负责仪器的产业化和推广。中国科学院上海光学精密机械研究所承担仪器的研发任务，杭州中科天维科技有限公司承担仪器的工程化任务，国家海洋局第二研究所、北京林业大学和中国科学院遥感与数字地球研究所分别承担仪器在海岛、岛礁与滩涂三维重建，林业资源调查和地理信息三个方向的应用开发任务，山东科技大学承担仪器的集成检校与数据精度评估任务。项目团队以应用为导向，突破关键技术，完成机载双频激光雷达产品的开发和应用，为我国海洋安全、执法、开发等提供更加便捷和有效的手段。

一、主要创新成果

（一）大动态范围、高灵敏度全回波信号采集模块

系统中的海洋测绘采用激光雷达测量激光在海表和海底回波的时间差来获取海底深度，由于海水对激光的衰减，随着海底深度从0～50米的变化，激光回波的信号幅度变化超过40分贝，该范围超过探测器和高速数据采集模块的动态范围，直接影响海洋探测信号的完整性。

为了能够将不同深度的回波波形进行采集，项目团队采用分视场探测技术，该技术根据激光束散角随海水深度而逐渐展宽的效应，将接收视场分成中心小视场和边缘大视场，采用中心小视场能够完全接收展宽较小的浅水海底回波，采用边缘大视场能够接收绝大部分展宽较大的深水海底回波，在不损失回波信号的同时避开海表和浅水的强散射信号，实现了大动态范围连续信号的波形获取。

该项技术成果解决了采集系统的灵敏度和动态范围的矛盾，实现了高灵敏度和大动态范围的探测，探测灵敏度达到10^-8W，探测动态范围超过10⁵，四通道同步波形采样率达到1GSps。

（二）高稳定度、高重频双波长激光器

双波长激光器用于产生海表和海底深度测量的双波长激光，是海洋测绘模块的关键技术，光源功率稳定性、能量、波长以及脉冲宽度等指标均会严重影响系统的最终性能，其可靠性是整个系统的瓶颈。因此，该项技术在很大程度上决定了系统的技术水平。

项目团队采取了激光振荡器+激光放大器+腔外倍频技术路线，激光振荡器采用端面泵浦、电光调Q方式，实现脉宽小于1.5纳秒的激光脉冲输出，然后经过两级端泵放大，实现脉冲能量3兆焦耳的1 064纳米输出，倍频部分采用高损伤阈值的LBO晶体，倍频效率大于50%，倍频后的532纳米激光输出能量大于1.5兆焦耳，脉宽小于1.5纳秒，峰值功率大于1兆瓦。

经过该项关键核心技术的攻关，最终的双频激光器通过了性能可靠性和环境适应性测试，长期激光功率不稳定度低于0.6%，激光峰值功率短时波动小于2.8%，为整机提供了高稳定性的激光输出。

二、应用情况

2015—2017年，项目团队先后在南海海域开展了十余架次的飞行试验，获取了海岸带、河道和海岛的三维地形图，最大探测水深达到50米，性能指标已经达到国际同类产品水平。目前，仪器已经在海岛、岛礁和滩涂三维重建和林业资源调查、建筑与地理信息调查等领域开展了应用。

项目负责人简介

陈卫标，研究员，博士生导师，中国科学院上海光学精密机械研究所副所长。中国科学院“百人计划”入选者，中青年科技创新领军人才，上海市领军人才。长期从事空间激光器、空间激光雷达以及大气和海洋探测的激光雷达技术研究。作为项目负责人主持完成高重频机载激光测深系统的研制和机载双频激光雷达产品的开发，承担了包括嫦娥系列卫星、量子卫星、风云四号等在内的多颗卫星中激光器与系统的研制任务，为我国月球探测、载人航天以及其他国防重大科技计划作出了重要贡献。曾荣获国家首次绕月探测突出贡献先进个人、第十届中国科学院杰出青年等荣誉称号，近五年荣获上海科技进步一等奖2项、军队科技进步三等奖1项。