激光雷達(dá)（LiDAR）具有捕獲目標(biāo)物體及周圍環(huán)境的3D數(shù)據(jù)的能力，近期已被應(yīng)用于多個(gè)大眾消費(fèi)領(lǐng)域，包括自動(dòng)駕駛汽車、智能手機(jī)等。

激光雷達(dá)的另一個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域是水下3D成像，其被安裝在自主海底航行器上，可以提供一種以厘米分辨率進(jìn)行海底測(cè)繪的潛在方法。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，赫瑞-瓦特大學(xué)（Heriot-Watt University）和愛丁堡大學(xué)（The University of Edinburgh）的一個(gè)研究項(xiàng)目開發(fā)出據(jù)稱是全球首個(gè)基于單光子探測(cè)技術(shù)的完全浸沒式激光雷達(dá)水下收發(fā)器系統(tǒng)，并在Optics Express期刊上以“Submerged single-photon LiDAR imaging sensor used for real-time 3D scene reconstruction in scattering underwater environments”為題發(fā)布了這項(xiàng)研究成果。

在海水中利用激光雷達(dá)獲取3D圖像可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楣獾拇┩噶τ邢蓿液Ｋ械娜魏晤w粒都會(huì)產(chǎn)生散射和失真。然而，單光子探測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展可以幫助克服這些障礙。

根據(jù)該研究項(xiàng)目介紹，赫瑞-瓦特大學(xué)采用CMOS制造的硅基單光子雪崩二極管（SPAD）探測(cè)器，使用皮秒分辨率的時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)來測(cè)量光子飛行時(shí)間（ToF）。這種激光雷達(dá)架構(gòu)的高靈敏度使其即使在海水下的極低光照條件下也能捕獲詳細(xì)3D信息。

（a）單光子激光雷達(dá)原理框圖；（b）基于SPAD探測(cè)器陣列的光學(xué)設(shè)置照片

研究人員開發(fā)的一種水下激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用單光子探測(cè)技術(shù)，可以在完全浸沒的水下捕獲3D圖像。為了演示該激光雷達(dá)系統(tǒng)，研究人員在水槽中使用其來獲取管道（右圖所示）的3D圖像（左圖所示）。

來自赫瑞-瓦特大學(xué)的研究人員Aurora Maccarone說：“這項(xiàng)激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，例如，它可用于檢查水下設(shè)施，包括水下風(fēng)電場(chǎng)電纜和渦輪機(jī)的水下結(jié)構(gòu)等。水下激光雷達(dá)還可用于監(jiān)測(cè)或測(cè)量水下考古遺址以及安全和國防應(yīng)用。”

根據(jù)該研究項(xiàng)目發(fā)表的論文，該激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作中心波長為532納米，基于192 x 128像素的硅基CMOS SPAD探測(cè)器陣列。

該研究團(tuán)隊(duì)還使用了兩種最近開發(fā)的分析算法，一種是由赫瑞-瓦特大學(xué)專門開發(fā)的，用于從激光雷達(dá)應(yīng)用中的單光子數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)3D場(chǎng)景重建，另一種最近提出用于高散射水下環(huán)境中的距離估計(jì)。

“赫瑞-瓦特大學(xué)在單光子探測(cè)技術(shù)和單光子數(shù)據(jù)圖像處理方面擁有悠久的歷史記錄，這使我們能夠在極具挑戰(zhàn)性的條件下展示先進(jìn)的3D成像技術(shù)。”Maccarone說道，“愛丁堡大學(xué)在單光子雪崩二極管（SPAD）探測(cè)器陣列的設(shè)計(jì)和制造方面取得了根本性進(jìn)展，這使我們能夠構(gòu)建基于單光子探測(cè)技術(shù)的緊湊而強(qiáng)大的3D成像系統(tǒng)。”

研究人員在尺寸為4 m x 3 m x 2 m的水箱中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在三個(gè)不同濁度水平下的實(shí)驗(yàn)證明了在3 m距離的受控高散射水下場(chǎng)景中可對(duì)靜止和移動(dòng)的目標(biāo)物體進(jìn)行3D成像，并成功地以每秒十幀的速度記錄了移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)3D視頻。

實(shí)驗(yàn)示意圖展示了水下收發(fā)器、外部控制和激光源模塊、目標(biāo)物體位置和透射儀

“我們的工作旨在使單光子探測(cè)技術(shù)可被用于水下環(huán)境，這意味著我們將能夠在非常低的光照條件下對(duì)感興趣的場(chǎng)景進(jìn)行3D成像。”Aurora Maccarone說，“該技術(shù)將影響海上電纜和能源裝置的使用，還可以在無人值守的情況下進(jìn)行海洋監(jiān)控，這意味著減少對(duì)海洋環(huán)境的污染和侵入。”

審核編輯：劉清