激光雷達（LiDAR）具有捕獲目標物體及周圍環境的3D數據的能力，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出據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器系統，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圖像可能具有挑戰性，因為光的穿透力有限，而且海水中的任何顆粒都會產生散射和失真。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來測量光子飛行時間（ToF）。這種激光雷達架構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

研究人員開發的一種水下激光雷達系統，該系統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，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構等。水下激光雷達還可用于監測或測量水下考古遺址以及安全和國防應用。”

根據該研究項目發表的論文，該激光雷達系統的工作中心波長為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的分析算法，一種是由赫瑞-瓦特大學專門開發的，用于從激光雷達應用中的單光子數據進行實時3D場景重建，另一種最近提出用于高散射水下環境中的距離估計。

“赫瑞-瓦特大學在單光子探測技術和單光子數據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性的條件下展示先進的3D成像技術。”Maccarone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，這使我們能夠構建基于單光子探測技術的緊湊而強大的3D成像系統。”

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。”Aurora 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控，這意味著減少對海洋環境的污染和侵入。”

審核編輯：劉清