用于水下环境实时3D场景重建的单光子激光雷达成像技术

激光雷达（LiDAR）具有捕获目标物体及周围环境的3D数据的能力，近期已被应用于多个大众消费领域，包括自动驾驶汽车、智能手机等。

激光雷达的另一个潜在应用领域是水下3D成像，其被安装在自主海底航行器上，可以提供一种以厘米分辨率进行海底测绘的潜在方法。

据麦姆斯咨询报道，近日，赫瑞-瓦特大学（Heriot-Watt University）和爱丁堡大学（The University of Edinburgh）的一个研究项目开发出据称是全球首个基于单光子探测技术的完全浸没式激光雷达水下收发器系统，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”为题发布了这项研究成果。

在海水中利用激光雷达获取3D图像可能具有挑战性，因为光的穿透力有限，而且海水中的任何颗粒都会产生散射和失真。然而，单光子探测技术的最新进展可以帮助克服这些障碍。

根据该研究项目介绍，赫瑞-瓦特大学采用CMOS制造的硅基单光子雪崩二极管（SPAD）探测器，使用皮秒分辨率的时间相关单光子计数来测量光子飞行时间（ToF）。这种激光雷达架构的高灵敏度使其即使在海水下的极低光照条件下也能捕获详细3D信息。

（a）单光子激光雷达原理框图；（b）基于SPAD探测器阵列的光学设置照片

研究人员开发的一种水下激光雷达系统，该系统使用单光子探测技术，可以在完全浸没的水下捕获3D图像。为了演示该激光雷达系统，研究人员在水槽中使用其来获取管道（右图所示）的3D图像（左图所示）。

来自赫瑞-瓦特大学的研究人员Aurora Maccarone说：“这项激光雷达技术的应用领域广泛，例如，它可用于检查水下设施，包括水下风电场电缆和涡轮机的水下结构等。水下激光雷达还可用于监测或测量水下考古遗址以及安全和国防应用。”

根据该研究项目发表的论文，该激光雷达系统的工作中心波长为532纳米，基于192 x 128像素的硅基CMOS SPAD探测器阵列。

该研究团队还使用了两种最近开发的分析算法，一种是由赫瑞-瓦特大学专门开发的，用于从激光雷达应用中的单光子数据进行实时3D场景重建，另一种最近提出用于高散射水下环境中的距离估计。

“赫瑞-瓦特大学在单光子探测技术和单光子数据图像处理方面拥有悠久的历史记录，这使我们能够在极具挑战性的条件下展示先进的3D成像技术。”Maccarone说道，“爱丁堡大学在单光子雪崩二极管（SPAD）探测器阵列的设计和制造方面取得了根本性进展，这使我们能够构建基于单光子探测技术的紧凑而强大的3D成像系统。”

研究人员在尺寸为4 m x 3 m x 2 m的水箱中进行了实验，在三个不同浊度水平下的实验证明了在3 m距离的受控高散射水下场景中可对静止和移动的目标物体进行3D成像，并成功地以每秒十帧的速度记录了移动目标的实时3D视频。

实验示意图展示了水下收发器、外部控制和激光源模块、目标物体位置和透射仪

“我们的工作旨在使单光子探测技术可被用于水下环境，这意味着我们将能够在非常低的光照条件下对感兴趣的场景进行3D成像。”Aurora Maccarone说，“该技术将影响海上电缆和能源装置的使用，还可以在无人值守的情况下进行海洋监控，这意味着减少对海洋环境的污染和侵入。”

审核编辑：刘清