聲吶測試數(shù)據(jù)和水下測距激光雷達(dá)進(jìn)行互相驗(yàn)證

        本文“轉(zhuǎn)載于美國國家光學(xué)協(xié)會(huì)雜志”

 

        廈門大學(xué)上官明佳教授發(fā)表于美國國家光學(xué)雜志的文章，

        里面用了安布雷拉的聲吶測試數(shù)據(jù)和他的水下測距激光雷達(dá)進(jìn)行互相驗(yàn)證。

 

        摘要：單光子激光雷達(dá)已成為一種強(qiáng)大的水深測量技術(shù)。然而，它的高靈敏度使它容易受 到太陽輻射噪聲的影響，特別是在太陽輻射很強(qiáng)的綠光波長中，這對其白天的運(yùn)行帶來了 挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，本文提出并演示了一種單光子水下激光雷達(dá)系統(tǒng)。該方案具有 這些特點(diǎn)。1)水下應(yīng)用不僅減輕了空氣-水界面對激光傳輸?shù)挠绊?，而且由于水的吸收和?射特性，顯著減弱了到達(dá)激光雷達(dá)的太陽輻射。2)該望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的孔徑小，視野窄，可以 顯著抑制太陽輻射。3)窄帶激光和窄帶濾波技術(shù)的結(jié)合有效地用于最小化殘留的太陽輻射 ，從而實(shí)現(xiàn)白天和夜間連續(xù)的水深觀測能力。4)在從底部獲取后向散射信號(hào)后，提出了一 種利用雙高斯擬合的水深提取算法。為了證明激光雷達(dá)的魯棒性和算法的有效性，將水下 單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)部署在船舶上，對近岸地區(qū)的兩個(gè)海灣進(jìn)行巡航調(diào)查，并進(jìn)行全天靜 止觀測實(shí)驗(yàn)。激光雷達(dá)的測量結(jié)果與同步聲納的觀測結(jié)果高度一致。全天靜止觀測實(shí)驗(yàn)顯 示了它在白天和晚上提供連續(xù)測量的能力。這些結(jié)果顯示了該系統(tǒng)在各種應(yīng)用中的潛力， 包括高精度水下地形測繪技術(shù)、水下平臺(tái)的避障技術(shù)和水下目標(biāo)成像技術(shù)。

 

        1.介紹 水下地形地貌的準(zhǔn)確測量和監(jiān)測對于海洋生態(tài)系統(tǒng)的安全導(dǎo)航、科學(xué)研究和管理至關(guān)重要 。水深激光雷達(dá)是測量高深度分辨率水深的重要工具。根據(jù)水的清晰度，激光雷達(dá)系統(tǒng)能 夠測量水深從1。5米到60米，即∼，是Secchi深度（SD）[1]的三倍。此外，由于激光雷達(dá) 具有穿透空-水界面的能力，它具有部署的靈活性，并已應(yīng)用于各種平臺(tái)，如船舶、無人機(jī) （uav）、飛機(jī)和衛(wèi)星[2]。

 

        水深激光雷達(dá)技術(shù)主要可分為兩種類型：全波形激光雷達(dá)和單光子激光雷達(dá)[3]。這兩種 類型的激光雷達(dá)系統(tǒng)通常使用藍(lán)綠色脈沖激光器，如532 nm的綠色激光器，或紅外1064 nm 激光器和它的532 nm二次諧波激光器的組合。通過加入一個(gè)額外的脈沖紅外激光器，可以 獲得關(guān)于水面的更準(zhǔn)確的信息[4]。在全波形激光雷達(dá)的情況下，通過分析全波形得到深度 信息。提出了幾種水深激光雷達(dá)的波形處理算法，可分為返回檢測、數(shù)學(xué)逼近和反褶積[5] 三組。隨著全波形測深激光雷達(dá)技術(shù)的成熟，自1973年[6]以來，許多利用全波形技術(shù)的機(jī) 載測深激光雷達(dá)已經(jīng)發(fā)展起來。這些系統(tǒng)的例子包括美國宇航局的機(jī)載海洋激光雷達(dá)，加 拿大的拉森500，澳大利亞的包裹，瑞典的閃光燈，澳大利亞皇家海軍的激光機(jī)載深度測深 器，美國。S.美國陸軍工程兵部隊(duì)的掃描水文測量操作機(jī)載激光調(diào)查，和瑞典海事管理局 的鷹眼，以及其他[7]。 與單光子計(jì)數(shù)技術(shù)[3]相比，全波形水深激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)包括提供更清晰和更精確的地形 映射。此外，它還可以對全波形數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析，包括峰幅、脈沖寬度、面積、偏度等 參數(shù)，允許對珊瑚礁[8]和海底進(jìn)行分類[9-11]。為了提高信噪比（SNR），全波形激光雷 達(dá)技術(shù)通常利用具有高脈沖能量的激光器。然而，這可能會(huì)導(dǎo)致更高的功耗和更大的系統(tǒng) 規(guī)模。為了解決這些限制并能夠在無人機(jī)等小型平臺(tái)上部署，緊湊型無人機(jī)機(jī)載全波形測 深雷達(dá)已經(jīng)開發(fā)出來，甚至商業(yè)化。例如包括RIEGL VQ-840-G [12]，ASTRALiTe edge [13] 和Fugro RAMMS [14]。這些系統(tǒng)可以達(dá)到大約是水體透明度的兩倍的檢測深度。 另外，單光子激光雷達(dá)技術(shù)也可以通過提高探測器對單光子水平的靈敏度，利用微脈沖 激光器和小孔徑望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測[15-20]。因此，NASA的冰、云和陸地高程衛(wèi)星-2（IC ESat-2）采用了光子計(jì)數(shù)儀器設(shè)計(jì)，并演示了在高達(dá)∼40 m深度的海底探測，均方根誤差 （RMSE）值在0.26 m到0.61 m [21,22]之間。此外，單光子激光雷達(dá)的低能量要求也允許 微焦耳激光器被分成100束，能夠可靠地識(shí)別和去除噪聲事件[23]。這項(xiàng)技術(shù)使發(fā)展緊湊和 高度集成的水深激光雷達(dá)系統(tǒng)[24–26]。 然而，單光子激光雷達(dá)的高靈敏度使其容易受到背景噪聲，特別是太陽輻射噪聲的影響 。這在日光操作中尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵跍y深激光雷達(dá)中通常使用的藍(lán)綠色波長波段與 最強(qiáng)的太陽輻射背景[26]重疊。為了克服這一限制，這項(xiàng)工作提出并演示了一種可以晝夜 連續(xù)工作的單光子水下激光雷達(dá)（SPUL）。首先，水下激光雷達(dá)克服了空中激光雷達(dá)系統(tǒng) 所面臨的?？战缑娓蓴_所帶來的挑戰(zhàn)，特別是在較差的海洋條件下，[27]。一方面，利用 這一特性，水下激光雷達(dá)可用于校準(zhǔn)在水面上運(yùn)行的海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括機(jī)載或衛(wèi)星 激光雷達(dá)。另一方面，通過利用其高分辨率特性，以及描繪粒子和溶解物質(zhì)垂直分布的能 力[ 19,20]，它補(bǔ)充了水下環(huán)境調(diào)查的聲納技術(shù)。同時(shí)，這種小型單光子激光雷達(dá)可以部 署在無人水面艦艇（USVs）上，用于水下地形和地形測繪，也可以部署在水下平臺(tái)上，如 自主水下車輛（auv）或遠(yuǎn)程操作車輛（ROVs）。因此，它能夠在淺水區(qū)中進(jìn)行精確的深度 測量，并作為水下平臺(tái)[28]的避障系統(tǒng)。其次，太陽輻射被衰減

        由于水的吸收和散射特性，當(dāng)它從水面?zhèn)鞑サ剿录す饫走_(dá)的位置時(shí)，在更深的水[26]上 部署激光雷達(dá)可以觀察到更大的衰減。因此，一旦激光雷達(dá)被部署在水下，無論是全波形 激光雷達(dá)還是單光子激光雷達(dá)，它都將受益于減少的太陽輻射，從而提高了用于探測的信 噪比（SNR）。第三，該望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)了一個(gè)小孔徑（4.8 mm）和窄視場（9.6 mrad），以顯 著抑制太陽輻射。最后，有效地結(jié)合窄帶激光和窄帶濾波技術(shù)，以最小化殘留的太陽輻射 ，從而使單光子激光雷達(dá)在白天和晚上的連續(xù)水深觀測能力。 在算法方面，單光子激光器不同于全波形激光器，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^統(tǒng)計(jì)分析光子的概率分 布而不是分析波形數(shù)據(jù)[29–31]來確定水深。雖然這種統(tǒng)計(jì)方法使單光子激光體在只有少 量光子的區(qū)域覆蓋上獲得更好的性能，但它是以犧牲詳細(xì)的波形信息為代價(jià)的。在這項(xiàng)工 作中，光子重建的波形是通過累積的直方圖來實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種 包含一種高脈沖重復(fù)率（1 MHz）的綠色激光器和一種高采樣率的時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC ）的硬件設(shè)計(jì)。對該深度檢索算法，采用了一種基于雙高斯函數(shù)的非線性最小二乘擬合方 法。仿真分析表明，該方法可以提高底部深度反演的精度到cm的水平。 本文的組織結(jié)構(gòu)如下：首先，介紹了SPUL，包括介紹了抑制太陽輻射的技術(shù)。其次，提 出了檢索底部深度的算法，并分析了反演的精度。在此之后，描述了兩個(gè)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，包括 兩次巡航調(diào)查和一個(gè)持續(xù)24小時(shí)的靜止觀測實(shí)驗(yàn)。最后，給出了這個(gè)結(jié)論。 2 . 單光子水下激光雷達(dá)系統(tǒng) 圖1(b)展示了SPUL的設(shè)置示意圖，它包括三個(gè)子系統(tǒng)：一個(gè)532 nm脈沖激光器，一個(gè)收發(fā) 器和一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？紤]到綠色激光器在大多數(shù)沿海水域[32]中的表現(xiàn)優(yōu)于藍(lán)色激光 器，并考慮到532 nm激光器的商業(yè)可用性、魯棒性和在惡劣環(huán)境下運(yùn)行的適用性，為SPUL 選擇的激光波長為532 nm。該激光器系統(tǒng)采用緊湊的光纖皮秒激光器，采用主振蕩器功率 放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)。種子激光器，工作在1064 nm，是一個(gè)單模單頻脈沖激光器。它通過 一個(gè)單模摻鐿光纖放大器（SM-YDFA）和一個(gè)兩級高功率摻鐿光纖放大器（HP-YDFAs）進(jìn)行 放大。隨后，激光器通過硼酸鋰（LBO）晶體進(jìn)行二次諧波，輸出為532 nm，平均輸出功率 最高可達(dá)100 mW，光束散度為0.5 mrad。輸出激光脈沖的半最大值（FWHM）為501 ps，譜 線寬為0。04 nm.脈沖重復(fù)頻率為1 MHz，帶有一個(gè)脈沖 100新澤西的能量。 為了實(shí)現(xiàn)小型化和魯棒的結(jié)構(gòu)，專門為單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種光纖連接配置。 后向散射信號(hào)使用準(zhǔn)直器（Thorlabs，F(xiàn)220APC-532）收集，并在其前面放置一個(gè)窄帶濾波 器。半英寸濾光片的帶寬為0.08 nm，其中心波長與激光波長對齊。532 nm后向散射信號(hào)通 過長度為10.9 mm焦距的準(zhǔn)直器耦合到核心直徑為105µm、數(shù)值孔徑為0.22的多模光纖（MMF ）中。這導(dǎo)致∼9.6 mrad的視場很窄。小準(zhǔn)直器和窄FOV的結(jié)合有助于抑制背景噪聲。透射 激光器與接收的準(zhǔn)直器之間的距離為∼10 mm。由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的接近，以及激光傳播 時(shí)的多重散射效應(yīng) 權(quán)重 15 kg

 

 

         圖1.SPUL的(a)照片。(b)SPUL的光學(xué)布局。SM-YDFA：單模摻鐿光纖放大器HP-YDFA：高 功率摻鐿光纖放大器L：透鏡LBO：硼酸鋰MMF：多模光纖SPAD：單光子雪崩二極管TDC： 時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器FG：函數(shù)發(fā)生器PC：個(gè)人電腦。激光雷達(dá)通過水接收從激光發(fā)射點(diǎn)開始的后向散射信號(hào)。幾何重疊因子表示激光束與激光 雷達(dá)的接收器FOV重疊的比例，在∼1m的距離處達(dá)到1。 光子檢測是使用緊湊的硅單光子雪崩二極管（SPAD）實(shí)現(xiàn)的，效率約為52%，在532 nm處 每秒暗計(jì)數(shù)（cps）。該電子模塊利用一個(gè)自建的函數(shù)發(fā)生器（FG），使用現(xiàn)場可編程門陣 列（FPGA），為激光器和高采樣率的TDC產(chǎn)生精確的控制信號(hào)。TDC的采樣率是可調(diào)，最大采 樣率為10 ps。SPUL完全淹沒在水中的照片如圖所示。1(a).激光雷達(dá)腔室采用鈦合金制成， 具有耐高壓特性，使激光雷達(dá)在水下工作時(shí)間可達(dá)1公里。在這個(gè)操作深度部署激光雷達(dá)系 統(tǒng)的能力通過進(jìn)行高達(dá)11兆帕（MPa）的增壓測試來驗(yàn)證，這相當(dāng)于超過1公里深度的壓力。 這為激光雷達(dá)安裝在水下平臺(tái)上提供了可能性，如auv或rov，利用其探測深海環(huán)境調(diào)查的能 力，以及其高橫向分辨率用于高分辨率海底地形探測。激光雷達(dá)的光學(xué)窗由藍(lán)寶石制成，在 高壓下可以保持>96%的傳輸。圓柱形激光雷達(dá)的直徑為20厘米，波長為40厘米。該激光雷達(dá) 的平均功耗為∼80 W，重15公斤。表1總結(jié)了激光雷達(dá)的關(guān)鍵參數(shù)。

 

 

        海洋激光雷達(dá)通常在可見光譜中工作，那里的太陽輻射很強(qiáng)。這種白天強(qiáng)烈的太陽輻射 可能是海洋激光雷達(dá)的主要噪聲來源，特別是基于單光子的激光雷達(dá)。為了抑制太陽輻射 噪聲，本文采用了三種設(shè)計(jì)。首先，將線寬為0.04 nm的窄帶脈沖激光器與窄帶濾波器一起 壓縮接收帶寬，最小化太陽輻射的影響。其次，采用具有小孔徑（4.8 mm）和窄FOV（9.6 mrad）的準(zhǔn)直器來降低太陽輻射噪聲[33]。最后，利用水的吸收和散射特性，開發(fā)了一種 水下單光子激光雷達(dá)，作為一種天然的過濾器，可以有效地抑制太陽輻射。此外，水下操 作也消除了激光傳輸過程中?？战缑嬖斐傻臐撛诟蓴_。 3.深度提取算法及精度評估 單光子激光體通過統(tǒng)計(jì)分析光子[29–31]的概率分布來確定水深。通過統(tǒng)計(jì)分析方法檢索 到的水深時(shí)間分辨率（?t）可以表示為： ?t =√? τ2 T又+ τ2 laser + τ2 spad + τ2 syn, (1) 其中τ直流電壓是TDC的時(shí)間分辨率，τlaser是激光脈沖持續(xù)時(shí)間（501 ps），τspad是 SPAD的定時(shí)抖動(dòng)（800 ps），τsyn是同步信號(hào)的時(shí)間抖動(dòng)（10 ps）。 整個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的深度分辨率首次在廈門大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)水箱中進(jìn)行了評估。在實(shí)驗(yàn) 過程中，將一個(gè)直徑為6厘米的銀白色鋁合金盤放置在深度為0。8 m.磁盤被固定在一個(gè)計(jì) 算機(jī)控制的升降平臺(tái)上，高程調(diào)整精度為0.05厘米。水下激光雷達(dá)幾乎垂直放置以照亮盤 ，通過控制提升平臺(tái)調(diào)整盤的深度。數(shù)據(jù)采集采用TDC時(shí)間分辨率設(shè)置為10 ps，測量結(jié)果 用圖中的點(diǎn)表示。2(a).由于磁盤的后向散射信號(hào)明顯強(qiáng)于過濾自來水的信號(hào)，因此很容易 提取來自硬目標(biāo)的信號(hào)，如圖所示。2.為了保證測量的精度，測量是在水面平靜后進(jìn)行的 。圖中的時(shí)間軸。2的折射率為1.34，深度為厘米。后向散射直方圖的FWHM為∼1 ns，對應(yīng) 的深度分辨率為∼11cm。這一結(jié)果與用等式得到的計(jì)算結(jié)果（940 ps）吻合較好(1). 為了進(jìn)一步提高距離分辨率，采用擬合算法對單光子測量得到的累積波形進(jìn)行處理。如 圖所示。2(a)，很明顯，單光子激光雷達(dá)可以利用高采樣率（10 ps）和積累2s的數(shù)據(jù)來重 建波形。首先，用下面的雙高斯函數(shù)對底部的光子重建波形進(jìn)行擬合：

 

 

        (2)在哪里y0是常數(shù)分量，H是振幅，xc是雙高斯峰的位置，即本例下的底部深度，w1和w2分別 為雙高斯峰的左右部分的半寬度。 如圖所示。2(a)，測量數(shù)據(jù)可以很好地?cái)M合(2)，配有 r平方值為0.99。為了驗(yàn)證該算法的有效性，我們對水下圓盤分別進(jìn)行了0.5 cm和3.5 cm的 兩次小的垂直運(yùn)動(dòng)。如圖所示。2(a)時(shí)，擬合的峰值位移分別為0.6 cm和3.6 cm，表明該 算法可以獲得亞cm的深度分辨率。雖然采樣率更高

 

 

        頻率更有利于波形重建，它提出了數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和處理困難、硬件成本高等挑 戰(zhàn)。因此，我們選擇了500 ps的采樣間隔來進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。此外，雖然采樣間隔變得稀疏 ，但單個(gè)容器上的光子數(shù)量增加。如圖所示。2(b)，在相同的積累時(shí)間為2s，使用500 ps 的采樣間隔和相同的擬合算法，仍然可以達(dá)到cm級的深度分辨率。 為了驗(yàn)證基于擬合算法在500 ps采樣間隔下的深度估計(jì)的精度及其與背散射信號(hào)強(qiáng)度的 相關(guān)性，我們進(jìn)行了仿真

 

 

        實(shí)施具體地說，假設(shè)波形中每個(gè)點(diǎn)的光子計(jì)數(shù)呈泊松分布，生成了50個(gè)獨(dú)立的光子重建波 形。隨后，利用等式對每個(gè)光子重建波形采用最小二乘擬合方法(2)，并計(jì)算了每個(gè)光子重 建波形的擬合得到的峰值位置的均值和方差。結(jié)果，如圖所示。3，表明隨著回波波形中峰 值的光子計(jì)數(shù)的增加，峰值位置的平均值趨于0 cm。此外，隨著光子計(jì)數(shù)的增加，方差逐 漸減小。值得注意的是，當(dāng)峰值位置的光子計(jì)數(shù)為10時(shí)，方差小于5 cm 2，當(dāng)光子計(jì)數(shù)為10 時(shí)，則小于0.2 cm 3.這些結(jié)果表明，該擬合算法在深度分辨率方面優(yōu)于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。 4.現(xiàn)場實(shí)驗(yàn) 4. 1.巡航測量 為了驗(yàn)證SPUL的穩(wěn)定性和我們的算法的可行性，我們于2022年11月11日在中國廣西省的欽 州Bay進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，船跡如圖所示。5(a)，和2022年11月20日，在中國海南省的李安港 ，船跡如圖所示。6(a).圖中的水下地形圖。5(a)和圖。6.基于聲納數(shù)據(jù)重建了(a)。研究 區(qū)在這兩個(gè)地點(diǎn)的水深均小于15米。如圖所示。4、激光雷達(dá)固定在船的前方，向下垂直接 近，激光出口位于水面以下0.3米處。為了驗(yàn)證激光雷達(dá)的探測深度，一個(gè)聲納系統(tǒng)被安裝 在與激光雷達(dá)相同的平臺(tái)上，以確保它們能探測到相同的底部。本研究中使用的聲納是生 物電子DTX單波束回波儀（SBES），工作在430 kHz，3 dB波束寬度為7.0°。該系統(tǒng)的脈沖 長度為0。1 ms，可以測量從0.075米到2,000米的距離。此外，在實(shí)驗(yàn)前，對激光雷達(dá)和聲 納相對于水面的位置進(jìn)行了校準(zhǔn)。此外，為了盡量減少船舶滾動(dòng)和俯仰對測量的影響，船 舶在航行過程中保持了恒定和平穩(wěn)的速度。這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖所示。5和無花果。分別為 6。欽州灣的水比李安港的水更渾濁。

 

 

 

        測量結(jié)果如圖所示。5和6，其中數(shù)據(jù)考慮了兩種儀器的工作深度，而聲納數(shù)據(jù)已被質(zhì)量 控制，以去除異常值。圖5(b)、5(c)、6(b)和6(c)描繪了激光雷達(dá)測量的后向散射信號(hào)。 在數(shù)據(jù)期間處理后，每1秒內(nèi)累積5.6厘米的光子。隨后，計(jì)算了累積光子計(jì)數(shù)(P)的自然對數(shù)（Ln）。 不同的顏色被分配給不同的Ln (P)值，產(chǎn)生在圖中描述的偽顏色圖。圖中的紅點(diǎn)。5.(b)和 (c)，以及圖。6(b)和(c)，表示激光雷達(dá)測量的深度，其中水深提取算法采用了第3節(jié)中提 出的擬合方法。圖中的黑點(diǎn)代表了用聲納測量到的結(jié)果。根據(jù)這兩個(gè)數(shù)字，激光雷達(dá)的測 量結(jié)果與聲納的結(jié)果很吻合。它還突出了激光雷達(dá)與聲納相比的突出特點(diǎn)，聲納不僅可以 探測來自水下的信號(hào)進(jìn)行水深反轉(zhuǎn)，還可以檢測來自水中分子和粒子的后向散射信號(hào)，如 圖中色標(biāo)所示。5(b)，5(c)，6(b)，和6(c).基于粒子后向散射信號(hào)提取水固有光學(xué)性質(zhì)（ IOPs）的算法超出了本文的范圍，將在今后的工作中具體討論。 事實(shí)上，激光器的最大單脈沖能量輸出可以達(dá)到1 uJ。然而，在兩個(gè)場實(shí)驗(yàn)中，所需的 最大脈沖能量僅為100 nJ。在這些實(shí)驗(yàn)中，激光脈沖能量根據(jù)來自水的背散射信號(hào)的強(qiáng)度 在30 nJ和100 nJ之間切換。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用手動(dòng)方式進(jìn)行脈沖能量調(diào)整。如圖所示。 5(c)和圖。6(c)，當(dāng)激光脈沖能量為100 nJ時(shí)，在水面以下約1m處的水下后向散射信號(hào)中 可以觀察到一個(gè)最大值。這是由于幾何重疊因子的逐漸增加，在1m處達(dá)到其最大值1。然而 ，在圖中。5(b)和圖。6(b)，當(dāng)激光脈沖能量為30 nJ時(shí)，來自底部的強(qiáng)信號(hào)超過了來自水 的信號(hào)，包括在1m處的峰值信號(hào)。值得注意的是，盡管如此，底部信號(hào)仍然保持在單光子 探測器的飽和計(jì)數(shù)率（40 MHz）以下，一個(gè)距離箱中的平均光子數(shù)小于0.01，從而避免了 距離行走誤差（RWE）[34]的引入。當(dāng)脈沖能量設(shè)置為100 nJ時(shí)，如果水底回波信號(hào)峰值為 ∼1m，提取峰值具有挑戰(zhàn)性。在這種情況下，需要預(yù)先對后向散射信號(hào)應(yīng)用一個(gè)幾何校正 因子。 從激光雷達(dá)和聲納測量中得到的深度數(shù)據(jù)的一致性分析如圖所示。5(d)和圖。分別為6(d) 。由于聲納比激光雷達(dá)（0.55°）具有更大的波束角（7°），因此覆蓋范圍更大，因此聲 納的結(jié)果之間仍然存在一些差異。然而，從兩種不同儀器獲得的測量結(jié)果在欽州灣和李安 港都顯示出高度的一致性，RMSE分別為0.25 m和0。分別為18米。驗(yàn)證了SPUL系統(tǒng)和測深提 取算法的有效性和魯棒性。 .2.4觀察24小時(shí) 為了驗(yàn)證SPUL的連續(xù)晝夜觀測能力，在李安港進(jìn)行了持續(xù)24小時(shí)的靜止觀測。觀測期間的 天氣狀況晴朗晴朗，無云。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，該船裝備了 激光雷達(dá)系統(tǒng)仍然錨定在大約5米深度的水中。 在無花果。7、描述了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的垂直輪廓。黑點(diǎn)代表反向水深數(shù)據(jù)由激光雷達(dá)，而 紅線代表水深來自潮汐數(shù)據(jù)，從國家海洋數(shù)據(jù)中心和調(diào)整之間的垂直距離潮汐基準(zhǔn)平面和 海底觀測站。通過在不同的時(shí)間選擇幾種典型的激光雷達(dá)后向散射信號(hào)，如圖所示。8、可 在夜間可見，如圖所示。8(a)，單光子激光雷達(dá)具有低噪聲，不需要去噪處理。然而，在 白天，如圖所示。8(b)，雖然單光子激光雷達(dá)顯著抑制了噪聲，但仍有一些噪聲進(jìn)入探測 器，特別是在中午太陽輻射最強(qiáng)，導(dǎo)致增加一百倍噪音比夜晚更大。然而，通過去除噪聲和使用擬合算法，仍然可以提取出準(zhǔn)確的深度信息 。注意圖中1m深度觀察到的峰值。7是由于幾何重疊因子的逐漸增加，在此深度達(dá)到其最大 值1，如圖所示。8. 

 

 

 

        根據(jù)24小時(shí)觀測結(jié)果，激光雷達(dá)測量的水深與潮汐數(shù)據(jù)得到的水深具有一致性，證實(shí)了 SPUL的連續(xù)晝夜觀測能力和穩(wěn)定性。值得注意的是，由于這兩個(gè)海灣的淺水深度的限制， 單光子水深激光雷達(dá)只能探測到6米以內(nèi)的水深。此外，在我們之前的實(shí)驗(yàn)中，單光子激光 雷達(dá)已經(jīng)被驗(yàn)證為可以探測高達(dá)105米的距離，其最大探測深度約為5.5/Kd，其中實(shí)物表示 擴(kuò)散衰減系數(shù)[ 17]。在未來，將進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證其水深能力。

        5.結(jié)論 在這項(xiàng)工作中，提出了一種單光子水下激光雷達(dá)，并演示了用于連續(xù)晝夜測量淺水深度， 解決了由于太陽背景輻射干擾造成的單光子激光雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，在水下淹沒 激光雷達(dá)，消除了空氣-水界面的干擾。此外，水作為一種天然的過濾器，吸收和散射太陽 輻射，從而大大減少了來自太陽背景輻射的背景噪聲。 在硬件設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)采用了一種高靈敏度的單光子檢測技術(shù)，使激光雷達(dá)能夠集成 到一個(gè)防水和耐加壓的艙間中。這種技術(shù)允許用一個(gè)100 nJ的脈沖能量和一個(gè)4.8毫米孔徑 的望遠(yuǎn)鏡來探測淺水的深度。為了實(shí)現(xiàn)日間工作，設(shè)計(jì)了一種小孔徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，并采用 了窄帶濾光片技術(shù)。最終，激光雷達(dá)被集成到一個(gè)直徑20厘米，長度40厘米的緊湊型鋁合 金圓柱形腔室中，功耗為∼80 W。該系統(tǒng)能夠在高達(dá)1公里深度的水下工作。 針對深度提取算法，提出了一種基于雙高斯模型和最小二乘擬合的水深提取方法，大大 提高了單光子激光雷達(dá)的深度分辨率。數(shù)值模擬表明，當(dāng)峰值光子計(jì)數(shù)為1000，采樣率為 500 ps時(shí)，提取深度的方差小于1 cm。此外，光子重構(gòu)波形具有用于反轉(zhuǎn)底基板類型的潛 力，這是開發(fā)擬合算法的一個(gè)重要?jiǎng)訖C(jī)。 在未來的工作中，我們將進(jìn)行大量的比較實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證我們的SPUL的穩(wěn)健性。此外 ，還將納入其他抑制太陽輻射噪聲的技術(shù)，例如利用與夫瑯和費(fèi)線對齊的激光波長。雖然 數(shù)據(jù)擬合方法比統(tǒng)計(jì)分析方法更耗時(shí)，但將采用優(yōu)化算法和硬件升級來提高處理速度。此 外，我們計(jì)劃開發(fā)一種水柱IOPs的反演算法，使深度和IOPs能夠同時(shí)反演。目前，反轉(zhuǎn)iop 的挑戰(zhàn)來自于近場信號(hào)受到幾何重疊因子的影響。此外，我們打算利用擬合的直方圖數(shù)據(jù) 遙感底部底物類型，包括珊瑚和海草，類似于在全波形水深激光雷達(dá)中采用的方法。最后 ，將這種單光子激光雷達(dá)集成到auv等水下平臺(tái)上，并將其與聲納結(jié)合使用，不僅可以使水 下平臺(tái)避障，還可以在深海環(huán)境中提取高精度深度信息，包括魚和蝦等小目標(biāo)?？傊?，我 們認(rèn)為，這項(xiàng)工作在實(shí)際應(yīng)用中具有巨大的潛力，無論是通過將激光雷達(dá)集成到auv還是艦 載平臺(tái)中，從而提高了我們獲取海洋信息的能力。

 

資金。國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFB3901704）；藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)評估、恢復(fù)與會(huì)計(jì)：騰訊支持項(xiàng)目；量子科技創(chuàng)新計(jì) 劃（2021ZD0303102）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U2106210）；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020J0201026）；福建 省中央引導(dǎo)地方科技項(xiàng)目 發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目（2022L3078）；MEL-RLAB海洋科技創(chuàng)新聯(lián)合基金。披露。作者聲明沒有利益沖突。 數(shù)據(jù)可用性。支持本研究結(jié)果的數(shù)據(jù)可根據(jù)合理的要求從通訊作者處獲得。 

 

 

 

        參考文獻(xiàn) 1.C.-K.王和W。D.“利用空氣載水深激光雷達(dá)探測淺水區(qū)底部類型的變化”，遠(yuǎn)程參議員。環(huán)境。106(1), 123– 135 (2007).

2.V.克萊馬斯，“海灘分析和激光雷達(dá)水深測量：與案例研究的概述”，J。海岸Res。277, 1019– 1028 (2011). 3.G.Mandlburger, H.萊納和N。“單光子和全波形激光雷達(dá)的比較”，ISPRS Ann。攝影測量，遠(yuǎn)程傳感器?？臻g信 息?？茖W(xué)。4, 397–404 (2019). 4.G.Mandlburger, M.芬尼格鮑爾和N。“在激光水深測量中分析近水面的滲透——在皮埃拉赫河的一個(gè)案例研究”，ISPRS Ann。攝影測量，遠(yuǎn)程傳感器。空間信息?？茖W(xué)。5, W2 (2013). 5 . C.王，問。李，Y。劉等人。，“單波長激光雷達(dá)水深測量的波形處理算法的比較”，ISPRS J。攝影測量，遠(yuǎn)程傳感器 。101, 22–35 (2015). 6.H.H.金，P。O.塞爾文卡和C。B.蘭克福德，機(jī)載激光水深計(jì)的發(fā)展（美國國家航空航天局，1975年）。 7. P.J.金澤爾，C。J.萊格萊特和J。M.納爾遜，“用一個(gè)小足跡的綠色激光雷達(dá)繪制河流水深：應(yīng)用和挑戰(zhàn)1”，J。美國 水共振協(xié)會(huì)。49(1), 183–204 (2013). 8.D.蘇，F(xiàn)。楊，Y。馬等人。，“結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)水深底部波形和水深特征進(jìn)行分類”，IEEE分析。在地球科學(xué) 。遠(yuǎn)程傳感器。57(2), 815–828 (2019). 9.M.王，Z。吳，F(xiàn)。楊等人。，“結(jié)合中國南海元志島周圍的激光雷達(dá)和MBES數(shù)據(jù)的多特征提取和海底分類”，傳 感器18（11），3828（2018）。 10.L.Janowski, R.Wroblewski，M。Rucinska等。，“利用機(jī)載激光雷達(dá)測深法對海床進(jìn)行自動(dòng)分類和測繪”，《工程地 質(zhì)學(xué)》，第301,106615頁（2022年）。 1 1 . H.M.Tulldahl, P.Philipson, H.Kautsky等。，“利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)和機(jī)載激光雷達(dá)水深測量的海底分類”，在海洋傳感 和監(jiān)測V（SPIE，2013），100-115。 12.G.Mandlburger, M.Pfennigbauer, R.施瓦茨等人。，“一種新型無人機(jī)載頂測深激光雷達(dá)傳感器的概念和性能評估” ，遠(yuǎn)程傳感器。12(6), 986 (2020). 13.S.E.米切爾和J。P.“用偏振激光雷達(dá)掃描淺層半透明的介質(zhì)，”J。Atmos。海洋技術(shù)。31(3), 681–697 (2014). 14. D.文圖拉，“沿海帶測繪與世界上第一個(gè)機(jī)載多波束水深激光雷達(dá)測繪系統(tǒng)” (2020). 15.M.上官，H。夏，C。王等人。，“用超導(dǎo)納米線單光子探測器探測風(fēng)的雙頻多普勒激光雷達(dá)”，選擇。拉脫維 亞的42(18), 3541–3544 (2017). 16.M.上官，H。夏，C。王等人。，“使用法布里-佩羅干涉儀的全光纖上轉(zhuǎn)換高光譜分辨率風(fēng)激光雷達(dá)”，”選擇?？爝f 24（17），19322-19336（2016）。 17.M.上官，Z。楊，Z。林等人。，“緊湊型、高時(shí)空分辨率的遠(yuǎn)程單光子水下激光雷達(dá)”，IEEE Geosci。遠(yuǎn)程傳感器。 拉脫維亞的20, 1–5 (2023). 18.M.上官，Z。楊，M。上官等人。，“水下單光子拉曼激光雷達(dá)的水中遙感油”。選擇62(19), 5301–5305 (2023). 19. M.上官，Z。廖，Y。郭等人。，“通過單光子海洋拉曼激光雷達(dá)探測顆粒光束衰減系數(shù)的輪廓，”選擇?？爝f31（16 ），25398-25414（2023年）。 20.M.上官，Y。郭，Z。廖等人。，“使用單光子海洋熒光激光雷達(dá)感知在180°處的體積散射函數(shù)的輪廓，”選擇。快遞 31（24年），40393-40410（2023年）。 21 . C.E.帕里什，L。A.馬格魯?shù)?。L.Neenschrower等。，“ICESat-2地圖集測深的驗(yàn)證與地圖集測深測繪性能的分析”， 遙感雜志。11(14), 1634 (2019). 22.L.A.馬格魯?shù)?，J。馬克爾和C。西穆爾達(dá)，“ICESat-2水深能力和發(fā)現(xiàn)的概述”，項(xiàng)目。SPIE 12110,1211009（ 2022）。 23.K.Y.什雷斯塔，W。E.卡特，K。C.斯拉頓等人。，“通過多停止單光電子靈敏度激光測距”，IEEE反式。在地 球科學(xué)。遠(yuǎn)程傳感器。50(11), 4771–4790 (2012). 24.R.棕色，P。哈澤爾和C。“SPL100單光子激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的評估”，遠(yuǎn)程鏡頭。12(4), 722 (2020). 25.X.陳，W。Kong。陳等人。，“高重復(fù)率、亞納秒和窄帶寬光纖激光泵浦綠色激光器的光子計(jì)數(shù)淺水水深激光雷 達(dá)”，結(jié)果物理學(xué)。19, 103563 (2020). 2 6 . J.J.德格南，“掃描、多光束、單光子激光雷達(dá)的快速、大規(guī)模、高分辨率、地形和水深測繪”，遠(yuǎn)程鏡頭。8(11), 958 (2016). 27.X.沈，W?？?，P。陳等人。，“一種用于深度分辨海洋觀測的艦載光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)”，遠(yuǎn)程參議員。14(14), 3351 (2022). 28.D.麥克勞德，J。雅各布森。哈代等人。，“使用水下3D激光雷達(dá)進(jìn)行自動(dòng)檢查”，在海洋-圣地亞哥（IEEE， 2013），1-8。 29.U.C.Herzfeld, B.W.麥當(dāng)勞，B。F.Wallin等。，“在微脈沖光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)中探測地面和樹冠覆 蓋的算法”，IEEE穿越。在地球科學(xué)。遠(yuǎn)程傳感器。52(4), 2109–2125 (2014). 30.J.張和J。“一個(gè)基于自適應(yīng)密度的模型，從光子計(jì)數(shù)激光高度計(jì)數(shù)據(jù)中提取表面返回，”IEEE Geosci。遠(yuǎn)程傳感器。 拉脫維亞的12(4), 726–730 (2015). 31.R.媽媽，W。Kong。陳等人。，“基于KNN的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)去噪算法：數(shù)值模擬和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)”，遠(yuǎn)程鏡 頭。14(24), 6236 (2022).

32.J.H.丘恩賽德和J。A.肖，“水生環(huán)境遙感：邀請”，Appl。選擇59(10), C92–C99 (2020). 33.J.J.德格南，“用于空中和空載地形測量的光子計(jì)數(shù)多千赫茲微激光高度計(jì)，”J。地球動(dòng)力學(xué)34（3-4），503 -549（2002年）。 34.Y.馬，S。李，W。張等人。，“具有多個(gè)探測器的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的理論測距性能模型和測距行走誤差校正 ”，選擇?？爝f26（12），15924-15934（2018）。