用于水下環(huán)境實時3D場景重建的單光子激光雷達成像技術

激光雷達（LiDAR）具有捕獲目標物體及周圍環(huán)境的3D數(shù)據(jù)的能力，近期已被應用于多個大眾消費領域，包括自動駕駛汽車、智能手機等。

激光雷達的另一個潛在應用領域是水下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行海底測繪的潛在方法。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，赫瑞-瓦特大學（Heriot-Watt University）和愛丁堡大學（The University of Edinburgh）的一個研究項目開發(fā)出據(jù)稱是全球首個基于單光子探測技術的完全浸沒式激光雷達水下收發(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)布了這項研究成果。

在海水中利用激光雷達獲取3D圖像可能具有挑戰(zhàn)性，因為光的穿透力有限，而且海水中的任何顆粒都會產(chǎn)生散射和失真。然而，單光子探測技術的最新進展可以幫助克服這些障礙。

根據(jù)該研究項目介紹，赫瑞-瓦特大學采用CMOS制造的硅基單光子雪崩二極管（SPAD）探測器，使用皮秒分辨率的時間相關單光子計數(shù)來測量光子飛行時間（ToF）。這種激光雷達架構(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3D信息。

（a）單光子激光雷達原理框圖；（b）基于SPAD探測器陣列的光學設置照片

研究人員開發(fā)的一種水下激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用單光子探測技術，可以在完全浸沒的水下捕獲3D圖像。為了演示該激光雷達系統(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-瓦特大學的研究人員Aurora Maccarone說：“這項激光雷達技術的應用領域廣泛，例如，它可用于檢查水下設施，包括水下風電場電纜和渦輪機的水下結(jié)構(gòu)等。水下激光雷達還可用于監(jiān)測或測量水下考古遺址以及安全和國防應用?！?/p>

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

該研究團隊還使用了兩種最近開發(fā)的分析算法，一種是由赫瑞-瓦特大學專門開發(fā)的，用于從激光雷達應用中的單光子數(shù)據(jù)進行實時3D場景重建，另一種最近提出用于高散射水下環(huán)境中的距離估計。

“赫瑞-瓦特大學在單光子探測技術和單光子數(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的3D成像技術?！盡accarone說道，“愛丁堡大學在單光子雪崩二極管（SPAD）探測器陣列的設計和制造方面取得了根本性進展，這使我們能夠構(gòu)建基于單光子探測技術的緊湊而強大的3D成像系統(tǒng)?！?/p>

研究人員在尺寸為4 m x 3 m x 2 m的水箱中進行了實驗，在三個不同濁度水平下的實驗證明了在3 m距離的受控高散射水下場景中可對靜止和移動的目標物體進行3D成像，并成功地以每秒十幀的速度記錄了移動目標的實時3D視頻。

實驗示意圖展示了水下收發(fā)器、外部控制和激光源模塊、目標物體位置和透射儀

“我們的工作旨在使單光子探測技術可被用于水下環(huán)境，這意味著我們將能夠在非常低的光照條件下對感興趣的場景進行3D成像?！盇urora Maccarone說，“該技術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行海洋監(jiān)控，這意味著減少對海洋環(huán)境的污染和侵入。”

審核編輯：劉清