BathyMetric Lidars - 采用强大激光器在水面扫描的装置 - 今天主要用于映射沿海水域。该系统近600磅，系统大而且，它们需要昂贵，驾驶飞机携带。
一个团队在佐治亚州科研协会（全球技术研究所）设计了一种新的方法，这种方法可以使测深激光雷达比目前的全尺寸系统更小、效率更高。
这项在主动光电情报、监视和侦察（AEO-ISR）项目下开发的新技术将使中型无人机（UAV）携带测深激光雷达，大大降低成本。
此外，与目前可用的系统不同，AEO-ISR技术旨在实时收集和传输数据，使其能够以更高的速度、精度和可用性生成高分辨率的三维海底图像。
这些先进的能力可以支持一系列的军事用途，如反地雷和反潜情报和航海制图，以及民用制图任务。此外，GTRI的新激光雷达可以探测森林区域，以探测厚树冠下的物体。
“利达已经完全彻底改变了ISR在军队中所做的方式 - 以及在商业世界中进行精确映射的方式，”一位领导工作的主要研究科学家Grady Tuell说。“GTRI在大气激光器上有丰富的经验，回到了30年，我们现在正在将知识带入不断增长的小型实时沐浴潮流系统的需求。”
图埃尔和他的团队开发了一种新的GTRI轻型激光雷达，该原型已经在实验室中成功演示了AEO-ISR技术。该团队还完成了一个可部署的中型测深设备的设计，该设备的尺寸和重量都不到当前系统的一半，需要一半的电力。
测量激光
为了模拟实际飞机的运动，原型必须“飞行”在实验室水池上。为此，研究人员将激光雷达安装在乔治亚理工大学伍德拉夫机械工程学院一个大型水箱上方的机架上，然后以模拟飞行的方式操作它。
激光雷达采用高功率绿色激光，可穿透相当深度的水。代理飞机每10000秒发射一束激光，使研究小组能够研究产生泳池地板上物体精确图像的最佳方法。
最终的目标是从海底获得准确的反射率，但是水的存在使得这很困难。为了获得好的图像，GTRI轻型激光雷达必须进行一系列调整，使其能够像没有水一样测量反射的激光束。
其中一个挑战是，当密集聚焦的光束如激光击中水中时，它会失去速度并弯曲，这是一种常见的水下效应，称为折射。由于水面的变化，折射角不断变化，在计算光的路径时必须考虑到这些折射角的变化。
另一个挑战是，激光束中的光子在水中散射，就像汽车前照灯射入雾中的光线一样。这种散射的数量取决于水的浊度，浊度是指水中悬浮的颗粒数量。此外，水会吸收一些光线。
由于这两种效应，当激光束从海底等水下表面反弹时，激光雷达系统只接收到一个微小的信号。轻型激光雷达的信号调节和传感器处理能力必须足够复杂，能够在整个海洋和空气环境中检测到微弱的返回信号，这意味着它充满了干扰所需数据的无关信号。
改善关键技术
水深激光雷达的最终产品是一个三维点云，它以高空间分辨率描述海底。这些数据的用户需要知道每个点的准确性。
GTRI的研究人员设计了一种新的准确性评估方法，称为总传播的不确定性（TPU）。使用统计，微积分和线性代数，TPU技术从各个测量 - 导航，距离和折射角传播误差 - 以估计海底测量的准确性。
在一个重要的里程碑中，GTRI团队第一个演示了水深激光雷达坐标计算和实时TPU估计。为了达到必要的处理速度，该团队采用了由现场可编程门阵列(fpga)以及中央处理和图形处理单元组成的混合模式计算环境。
Tuell解释说，每次发射激光时，光束到达池底并反弹只需几纳秒。一旦光束返回，激光雷达的高速计算机将返回的光束数字化，并在下一次激光发射前计算距离、坐标和TPU。
“在我们的实验室测试中，我们每秒计算大约3700万积分 - 这对潮羊里的系统非常迅速，并在很短的时间内为海底提供了大量信息，”Tuell说。“关键是我们使用FPGA进行必要的信号调理和信号处理，我们正准确地执行我们从模拟信号转换为数字信号的时间。”
一个可部署设计
除了开发概念验证激光雷达原型外，GTRI团队还为可部署的测深设备提供了CAD设计，该设备的尺寸和重量是现有设备的一半，而且功率需求更低。目前的目标是在更大的无人机(如自主直升机)上部署这样的中型设备。
长期目标是利用AEO-ISR技术开发可在有效载荷为30磅或以下的小型无人机上飞行的等深线激光雷达。为了帮助这些激光雷达实时提供海上监视和测绘数据，大部分必要的信号处理将在飞机上完成，只有基本数据将传输到地面站。
“我们已经提供了一个演示关键技术的原型，我们已经完成了一个中型设计的设计，”Tuell说未来，我们相信小型等深激光雷达将执行军事任务，也将执行民用任务，如县级测绘，更加方便，成本大大降低。”
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