本文转载于美国国家光学协会杂志。

厦门大学上官明佳教授发表于美国国家光学杂志的文章，
里面用了力语超声科技的声呐测试数据和他的水下测距激光雷达进行互相验证。

利用单光子水下激光雷达进行昼夜连续高分辨 率浅水深度探测 

明佳上官、1,*真武翁，1ZAIFA LIN , 1李仲平，1明宇上官、2杨志峰，1孙嘉欣， 1 TENGFEI WU , 3于章，1和CEHNGLU 4 

1中国厦门大学海洋与地球科学学院海洋环境科学国家重点实验室，厦门361102 

2福州余电子科技有限公司，福建350021 

3中国航空工业公司长城计量测量研究所计量校准科技实验室，北京100095 

4 福建智能城市感知与计算重点实验室，信息学学院，厦门 大学，厦门，中国 * mingjia@xmu.edu.cn 

    摘要：单光子激光雷达已成为一种强大的水深测量技术。然而，它的高灵敏度使它容易受 到太阳辐射噪声的影响，特别是在太阳辐射很强的绿光波长中，这对其白天的运行带来了 挑战。为了解决这一问题，本文提出并演示了一种单光子水下激光雷达系统。该方案具有 这些特点。1)水下应用不仅减轻了空气-水界面对激光传输的影响，而且由于水的吸收和散 射特性，显著减弱了到达激光雷达的太阳辐射。2)该望远镜设计的孔径小，视野窄，可以 显著抑制太阳辐射。3)窄带激光和窄带滤波技术的结合有效地用于最小化残留的太阳辐射 ，从而实现白天和夜间连续的水深观测能力。4)在从底部获取后向散射信号后，提出了一 种利用双高斯拟合的水深提取算法。为了证明激光雷达的鲁棒性和算法的有效性，将水下 单光子激光雷达系统部署在船舶上，对近岸地区的两个海湾进行巡航调查，并进行全天静 止观测实验。激光雷达的测量结果与同步声纳的观测结果高度一致。全天静止观测实验显 示了它在白天和晚上提供连续测量的能力。这些结果显示了该系统在各种应用中的潜力， 包括高精度水下地形测绘技术、水下平台的避障技术和水下目标成像技术。

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1.介绍 

    水下地形地貌的准确测量和监测对于海洋生态系统的安全导航、科学研究和管理至关重要 。水深激光雷达是测量高深度分辨率水深的重要工具。根据水的清晰度，激光雷达系统能 够测量水深从1。5米到60米，即∼，是Secchi深度（SD）[1]的三倍。此外，由于激光雷达 具有穿透空-水界面的能力，它具有部署的灵活性，并已应用于各种平台，如船舶、无人机 （uav）、飞机和卫星[2]。     #505865 期刊©2023 https://doi.org/10.1364/OE.505 8652023年9月13日收到；2023年11月23日修订；2023年11月29日接受；2023年12月12日出版

    水深激光雷达技术主要可分为两种类型：全波形激光雷达和单光子激光雷达[3]。这两种 类型的激光雷达系统通常使用蓝绿色脉冲激光器，如532 nm的绿色激光器，或红外1064 nm 激光器和它的532 nm二次谐波激光器的组合。通过加入一个额外的脉冲红外激光器，可以 获得关于水面的更准确的信息[4]。在全波形激光雷达的情况下，通过分析全波形得到深度 信息。提出了几种水深激光雷达的波形处理算法，可分为返回检测、数学逼近和反褶积[5] 三组。随着全波形测深激光雷达技术的成熟，自1973年[6]以来，许多利用全波形技术的机 载测深激光雷达已经发展起来。这些系统的例子包括美国宇航局的机载海洋激光雷达，加 拿大的拉森500，澳大利亚的包裹，瑞典的闪光灯，澳大利亚皇家海军的激光机载深度测深 器，美国。S.美国陆军工程兵部队的扫描水文测量操作机载激光调查，和瑞典海事管理局 的鹰眼，以及其他[7]。

    与单光子计数技术[3]相比，全波形水深激光雷达的优点包括提供更清晰和更精确的地形 映射。此外，它还可以对全波形数据进行二次分析，包括峰幅、脉冲宽度、面积、偏度等 参数，允许对珊瑚礁[8]和海底进行分类[9-11]。为了提高信噪比（SNR），全波形激光雷 达技术通常利用具有高脉冲能量的激光器。然而，这可能会导致更高的功耗和更大的系统 规模。为了解决这些限制并能够在无人机等小型平台上部署，紧凑型无人机机载全波形测 深雷达已经开发出来，甚至商业化。例如包括RIEGL VQ-840-G [12]，ASTRALiTe edge [13] 和Fugro RAMMS [14]。这些系统可以达到大约是水体透明度的两倍的检测深度。 

    另外，单光子激光雷达技术也可以通过提高探测器对单光子水平的灵敏度，利用微脉冲 激光器和小孔径望远镜实现远程探测[15-20]。因此，NASA的冰、云和陆地高程卫星-2（IC ESat-2）采用了光子计数仪器设计，并演示了在高达∼40 m深度的海底探测，均方根误差 （RMSE）值在0.26 m到0.61 m [21,22]之间。此外，单光子激光雷达的低能量要求也允许 微焦耳激光器被分成100束，能够可靠地识别和去除噪声事件[23]。这项技术使发展紧凑和 高度集成的水深激光雷达系统[24–26]。 

    然而，单光子激光雷达的高灵敏度使其容易受到背景噪声，特别是太阳辐射噪声的影响 。这在日光操作中尤其具有挑战性，因为在测深激光雷达中通常使用的蓝绿色波长波段与 最强的太阳辐射背景[26]重叠。为了克服这一限制，这项工作提出并演示了一种可以昼夜 连续工作的单光子水下激光雷达（SPUL）。首先，水下激光雷达克服了空中激光雷达系统 所面临的海空界面干扰所带来的挑战，特别是在较差的海洋条件下，[27]。一方面，利用 这一特性，水下激光雷达可用于校准在水面上运行的海洋激光雷达系统，包括机载或卫星 激光雷达。另一方面，通过利用其高分辨率特性，以及描绘粒子和溶解物质垂直分布的能 力[ 19,20]，它补充了水下环境调查的声纳技术。同时，这种小型单光子激光雷达可以部 署在无人水面舰艇（USVs）上，用于水下地形和地形测绘，也可以部署在水下平台上，如 自主水下车辆（auv）或远程操作车辆（ROVs）。因此，它能够在浅水区中进行精确的深度 测量，并作为水下平台[28]的避障系统。其次，太阳辐射被衰减由于水的吸收和散射特性，当它从水面传播到水下激光雷达的位置时，在更深的水[26]上 部署激光雷达可以观察到更大的衰减。因此，一旦激光雷达被部署在水下，无论是全波形 激光雷达还是单光子激光雷达，它都将受益于减少的太阳辐射，从而提高了用于探测的信 噪比（SNR）。第三，该望远镜设计了一个小孔径（4.8 mm）和窄视场（9.6 mrad），以显 著抑制太阳辐射。最后，有效地结合窄带激光和窄带滤波技术，以最小化残留的太阳辐射 ，从而使单光子激光雷达在白天和晚上的连续水深观测能力。 在算法方面，单光子激光器不同于全波形激光器，因为它们通过统计分析光子的概率分 布而不是分析波形数据[29–31]来确定水深。虽然这种统计方法使单光子激光体在只有少 量光子的区域覆盖上获得更好的性能，但它是以牺牲详细的波形信息为代价的。在这项工 作中，光子重建的波形是通过累积的直方图来实现的。为了实现这一点，已经实现了一种 包含一种高脉冲重复率（1 MHz）的绿色激光器和一种高采样率的时间到数字转换器（TDC ）的硬件设计。对该深度检索算法，采用了一种基于双高斯函数的非线性最小二乘拟合方 法。仿真分析表明，该方法可以提高底部深度反演的精度到cm的水平。 本文的组织结构如下：首先，介绍了SPUL，包括介绍了抑制太阳辐射的技术。其次，提 出了检索底部深度的算法，并分析了反演的精度。在此之后，描述了两个现场实验，包括 两次巡航调查和一个持续24小时的静止观测实验。最后，给出了这个结论。 

2 . 单光子水下激光雷达系统 

    图1(b)展示了SPUL的设置示意图，它包括三个子系统：一个532 nm脉冲激光器，一个收发 器和一个数据采集系统。考虑到绿色激光器在大多数沿海水域[32]中的表现优于蓝色激光 器，并考虑到532 nm激光器的商业可用性、鲁棒性和在恶劣环境下运行的适用性，为SPUL 选择的激光波长为532 nm。该激光器系统采用紧凑的光纤皮秒激光器，采用主振荡器功率 放大器（MOPA）结构。种子激光器，工作在1064 nm，是一个单模单频脉冲激光器。它通过 一个单模掺镱光纤放大器（SM-YDFA）和一个两级高功率掺镱光纤放大器（HP-YDFAs）进行 放大。随后，激光器通过硼酸锂（LBO）晶体进行二次谐波，输出为532 nm，平均输出功率 最高可达100 mW，光束散度为0.5 mrad。输出激光脉冲的半最大值（FWHM）为501 ps，谱 线宽为0。04 nm.脉冲重复频率为1 MHz，带有一个脉冲 100新泽西的能量。 

    为了实现小型化和鲁棒的结构，专门为单光子激光雷达系统设计了一种光纤连接配置。 后向散射信号使用准直器（Thorlabs，F220APC-532）收集，并在其前面放置一个窄带滤波 器。半英寸滤光片的带宽为0.08 nm，其中心波长与激光波长对齐。532 nm后向散射信号通 过长度为10.9 mm焦距的准直器耦合到核心直径为105µm、数值孔径为0.22的多模光纤（MMF ）中。这导致∼9.6 mrad的视场很窄。小准直器和窄FOV的结合有助于抑制背景噪声。透射 激光器与接收的准直器之间的距离为∼10 mm。由于发射机和接收机的接近，以及激光传播 时的多重散射效应。

图1.SPUL的(a)照片。(b)SPUL的光学布局。SM-YDFA：单模掺镱光纤放大器HP-YDFA：高 功率掺镱光纤放大器L：透镜LBO：硼酸锂MMF：多模光纤SPAD：单光子雪崩二极管TDC： 时间到数字转换器FG：函数发生器PC：个人电脑。 

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