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            聲吶測試數據和水下測距激光雷達進行互相驗證-[安布雷拉]

            [點擊量:23][來源:安布雷拉超聲波 · 中國已服務中小企業8千家]

            2024-02-21

                    聲吶測試數據和水下測距激光雷達進行互相驗證
                    本文“轉載于美國國家光學協會雜志”
             
                    廈門大學上官明佳教授發表于美國國家光學雜志的文章,
                    里面用了安布雷拉的聲吶測試數據和他的水下測距激光雷達進行互相驗證。
             
                    摘要:單光子激光雷達已成為一種強大的水深測量技術。然而,它的高靈敏度使它容易受 到太陽輻射噪聲的影響,特別是在太陽輻射很強的綠光波長中,這對其白天的運行帶來了 挑戰。為了解決這一問題,本文提出并演示了一種單光子水下激光雷達系統。該方案具有 這些特點。1)水下應用不僅減輕了空氣-水界面對激光傳輸的影響,而且由于水的吸收和散 射特性,顯著減弱了到達激光雷達的太陽輻射。2)該望遠鏡設計的孔徑小,視野窄,可以 顯著抑制太陽輻射。3)窄帶激光和窄帶濾波技術的結合有效地用于最小化殘留的太陽輻射 ,從而實現白天和夜間連續的水深觀測能力。4)在從底部獲取后向散射信號后,提出了一 種利用雙高斯擬合的水深提取算法。為了證明激光雷達的魯棒性和算法的有效性,將水下 單光子激光雷達系統部署在船舶上,對近岸地區的兩個海灣進行巡航調查,并進行全天靜 止觀測實驗。激光雷達的測量結果與同步聲納的觀測結果高度一致。全天靜止觀測實驗顯 示了它在白天和晚上提供連續測量的能力。這些結果顯示了該系統在各種應用中的潛力, 包括高精度水下地形測繪技術、水下平臺的避障技術和水下目標成像技術。
             
                    1.介紹 水下地形地貌的準確測量和監測對于海洋生態系統的安全導航、科學研究和管理至關重要 。水深激光雷達是測量高深度分辨率水深的重要工具。根據水的清晰度,激光雷達系統能 夠測量水深從1。5米到60米,即∼,是Secchi深度(SD)[1]的三倍。此外,由于激光雷達 具有穿透空-水界面的能力,它具有部署的靈活性,并已應用于各種平臺,如船舶、無人機 (uav)、飛機和衛星[2]。
             
                    水深激光雷達技術主要可分為兩種類型:全波形激光雷達和單光子激光雷達[3]。這兩種 類型的激光雷達系統通常使用藍綠色脈沖激光器,如532 nm的綠色激光器,或紅外1064 nm 激光器和它的532 nm二次諧波激光器的組合。通過加入一個額外的脈沖紅外激光器,可以 獲得關于水面的更準確的信息[4]。在全波形激光雷達的情況下,通過分析全波形得到深度 信息。提出了幾種水深激光雷達的波形處理算法,可分為返回檢測、數學逼近和反褶積[5] 三組。隨著全波形測深激光雷達技術的成熟,自1973年[6]以來,許多利用全波形技術的機 載測深激光雷達已經發展起來。這些系統的例子包括美國宇航局的機載海洋激光雷達,加 拿大的拉森500,澳大利亞的包裹,瑞典的閃光燈,澳大利亞皇家海軍的激光機載深度測深 器,美國。S.美國陸軍工程兵部隊的掃描水文測量操作機載激光調查,和瑞典海事管理局 的鷹眼,以及其他[7]。 與單光子計數技術[3]相比,全波形水深激光雷達的優點包括提供更清晰和更精確的地形 映射。此外,它還可以對全波形數據進行二次分析,包括峰幅、脈沖寬度、面積、偏度等 參數,允許對珊瑚礁[8]和海底進行分類[9-11]。為了提高信噪比(SNR),全波形激光雷 達技術通常利用具有高脈沖能量的激光器。然而,這可能會導致更高的功耗和更大的系統 規模。為了解決這些限制并能夠在無人機等小型平臺上部署,緊湊型無人機機載全波形測 深雷達已經開發出來,甚至商業化。例如包括RIEGL VQ-840-G [12],ASTRALiTe edge [13] 和Fugro RAMMS [14]。這些系統可以達到大約是水體透明度的兩倍的檢測深度。 另外,單光子激光雷達技術也可以通過提高探測器對單光子水平的靈敏度,利用微脈沖 激光器和小孔徑望遠鏡實現遠程探測[15-20]。因此,NASA的冰、云和陸地高程衛星-2(IC ESat-2)采用了光子計數儀器設計,并演示了在高達∼40 m深度的海底探測,均方根誤差 (RMSE)值在0.26 m到0.61 m [21,22]之間。此外,單光子激光雷達的低能量要求也允許 微焦耳激光器被分成100束,能夠可靠地識別和去除噪聲事件[23]。這項技術使發展緊湊和 高度集成的水深激光雷達系統[24–26]。 然而,單光子激光雷達的高靈敏度使其容易受到背景噪聲,特別是太陽輻射噪聲的影響 。這在日光操作中尤其具有挑戰性,因為在測深激光雷達中通常使用的藍綠色波長波段與 最強的太陽輻射背景[26]重疊。為了克服這一限制,這項工作提出并演示了一種可以晝夜 連續工作的單光子水下激光雷達(SPUL)。首先,水下激光雷達克服了空中激光雷達系統 所面臨的??战缑娓蓴_所帶來的挑戰,特別是在較差的海洋條件下,[27]。一方面,利用 這一特性,水下激光雷達可用于校準在水面上運行的海洋激光雷達系統,包括機載或衛星 激光雷達。另一方面,通過利用其高分辨率特性,以及描繪粒子和溶解物質垂直分布的能 力[ 19,20],它補充了水下環境調查的聲納技術。同時,這種小型單光子激光雷達可以部 署在無人水面艦艇(USVs)上,用于水下地形和地形測繪,也可以部署在水下平臺上,如 自主水下車輛(auv)或遠程操作車輛(ROVs)。因此,它能夠在淺水區中進行精確的深度 測量,并作為水下平臺[28]的避障系統。其次,太陽輻射被衰減
                    由于水的吸收和散射特性,當它從水面傳播到水下激光雷達的位置時,在更深的水[26]上 部署激光雷達可以觀察到更大的衰減。因此,一旦激光雷達被部署在水下,無論是全波形 激光雷達還是單光子激光雷達,它都將受益于減少的太陽輻射,從而提高了用于探測的信 噪比(SNR)。第三,該望遠鏡設計了一個小孔徑(4.8 mm)和窄視場(9.6 mrad),以顯 著抑制太陽輻射。最后,有效地結合窄帶激光和窄帶濾波技術,以最小化殘留的太陽輻射 ,從而使單光子激光雷達在白天和晚上的連續水深觀測能力。 在算法方面,單光子激光器不同于全波形激光器,因為它們通過統計分析光子的概率分 布而不是分析波形數據[29–31]來確定水深。雖然這種統計方法使單光子激光體在只有少 量光子的區域覆蓋上獲得更好的性能,但它是以犧牲詳細的波形信息為代價的。在這項工 作中,光子重建的波形是通過累積的直方圖來實現的。為了實現這一點,已經實現了一種 包含一種高脈沖重復率(1 MHz)的綠色激光器和一種高采樣率的時間到數字轉換器(TDC )的硬件設計。對該深度檢索算法,采用了一種基于雙高斯函數的非線性最小二乘擬合方 法。仿真分析表明,該方法可以提高底部深度反演的精度到cm的水平。 本文的組織結構如下:首先,介紹了SPUL,包括介紹了抑制太陽輻射的技術。其次,提 出了檢索底部深度的算法,并分析了反演的精度。在此之后,描述了兩個現場實驗,包括 兩次巡航調查和一個持續24小時的靜止觀測實驗。最后,給出了這個結論。 2 . 單光子水下激光雷達系統 圖1(b)展示了SPUL的設置示意圖,它包括三個子系統:一個532 nm脈沖激光器,一個收發 器和一個數據采集系統??紤]到綠色激光器在大多數沿海水域[32]中的表現優于藍色激光 器,并考慮到532 nm激光器的商業可用性、魯棒性和在惡劣環境下運行的適用性,為SPUL 選擇的激光波長為532 nm。該激光器系統采用緊湊的光纖皮秒激光器,采用主振蕩器功率 放大器(MOPA)結構。種子激光器,工作在1064 nm,是一個單模單頻脈沖激光器。它通過 一個單模摻鐿光纖放大器(SM-YDFA)和一個兩級高功率摻鐿光纖放大器(HP-YDFAs)進行 放大。隨后,激光器通過硼酸鋰(LBO)晶體進行二次諧波,輸出為532 nm,平均輸出功率 最高可達100 mW,光束散度為0.5 mrad。輸出激光脈沖的半最大值(FWHM)為501 ps,譜 線寬為0。04 nm.脈沖重復頻率為1 MHz,帶有一個脈沖 100新澤西的能量。 為了實現小型化和魯棒的結構,專門為單光子激光雷達系統設計了一種光纖連接配置。 后向散射信號使用準直器(Thorlabs,F220APC-532)收集,并在其前面放置一個窄帶濾波 器。半英寸濾光片的帶寬為0.08 nm,其中心波長與激光波長對齊。532 nm后向散射信號通 過長度為10.9 mm焦距的準直器耦合到核心直徑為105µm、數值孔徑為0.22的多模光纖(MMF )中。這導致∼9.6 mrad的視場很窄。小準直器和窄FOV的結合有助于抑制背景噪聲。透射 激光器與接收的準直器之間的距離為∼10 mm。由于發射機和接收機的接近,以及激光傳播 時的多重散射效應 權重 15 kg
             
             
                     圖1.SPUL的(a)照片。(b)SPUL的光學布局。SM-YDFA:單模摻鐿光纖放大器HP-YDFA:高 功率摻鐿光纖放大器L:透鏡LBO:硼酸鋰MMF:多模光纖SPAD:單光子雪崩二極管TDC: 時間到數字轉換器FG:函數發生器PC:個人電腦。激光雷達通過水接收從激光發射點開始的后向散射信號。幾何重疊因子表示激光束與激光 雷達的接收器FOV重疊的比例,在∼1m的距離處達到1。 光子檢測是使用緊湊的硅單光子雪崩二極管(SPAD)實現的,效率約為52%,在532 nm處 每秒暗計數(cps)。該電子模塊利用一個自建的函數發生器(FG),使用現場可編程門陣 列(FPGA),為激光器和高采樣率的TDC產生精確的控制信號。TDC的采樣率是可調,最大采 樣率為10 ps。SPUL完全淹沒在水中的照片如圖所示。1(a).激光雷達腔室采用鈦合金制成, 具有耐高壓特性,使激光雷達在水下工作時間可達1公里。在這個操作深度部署激光雷達系 統的能力通過進行高達11兆帕(MPa)的增壓測試來驗證,這相當于超過1公里深度的壓力。 這為激光雷達安裝在水下平臺上提供了可能性,如auv或rov,利用其探測深海環境調查的能 力,以及其高橫向分辨率用于高分辨率海底地形探測。激光雷達的光學窗由藍寶石制成,在 高壓下可以保持>96%的傳輸。圓柱形激光雷達的直徑為20厘米,波長為40厘米。該激光雷達 的平均功耗為∼80 W,重15公斤。表1總結了激光雷達的關鍵參數。
             
             
                    海洋激光雷達通常在可見光譜中工作,那里的太陽輻射很強。這種白天強烈的太陽輻射 可能是海洋激光雷達的主要噪聲來源,特別是基于單光子的激光雷達。為了抑制太陽輻射 噪聲,本文采用了三種設計。首先,將線寬為0.04 nm的窄帶脈沖激光器與窄帶濾波器一起 壓縮接收帶寬,最小化太陽輻射的影響。其次,采用具有小孔徑(4.8 mm)和窄FOV(9.6 mrad)的準直器來降低太陽輻射噪聲[33]。最后,利用水的吸收和散射特性,開發了一種 水下單光子激光雷達,作為一種天然的過濾器,可以有效地抑制太陽輻射。此外,水下操 作也消除了激光傳輸過程中??战缑嬖斐傻臐撛诟蓴_。 3.深度提取算法及精度評估 單光子激光體通過統計分析光子[29–31]的概率分布來確定水深。通過統計分析方法檢索 到的水深時間分辨率(?t)可以表示為: ?t =√? τ2 T又+ τ2 laser + τ2 spad + τ2 syn, (1) 其中τ直流電壓是TDC的時間分辨率,τlaser是激光脈沖持續時間(501 ps),τspad是 SPAD的定時抖動(800 ps),τsyn是同步信號的時間抖動(10 ps)。 整個激光雷達系統的深度分辨率首次在廈門大學的一個實驗水箱中進行了評估。在實驗 過程中,將一個直徑為6厘米的銀白色鋁合金盤放置在深度為0。8 m.磁盤被固定在一個計 算機控制的升降平臺上,高程調整精度為0.05厘米。水下激光雷達幾乎垂直放置以照亮盤 ,通過控制提升平臺調整盤的深度。數據采集采用TDC時間分辨率設置為10 ps,測量結果 用圖中的點表示。2(a).由于磁盤的后向散射信號明顯強于過濾自來水的信號,因此很容易 提取來自硬目標的信號,如圖所示。2.為了保證測量的精度,測量是在水面平靜后進行的 。圖中的時間軸。2的折射率為1.34,深度為厘米。后向散射直方圖的FWHM為∼1 ns,對應 的深度分辨率為∼11cm。這一結果與用等式得到的計算結果(940 ps)吻合較好(1). 為了進一步提高距離分辨率,采用擬合算法對單光子測量得到的累積波形進行處理。如 圖所示。2(a),很明顯,單光子激光雷達可以利用高采樣率(10 ps)和積累2s的數據來重 建波形。首先,用下面的雙高斯函數對底部的光子重建波形進行擬合:
             
             
                    (2)在哪里y0是常數分量,H是振幅,xc是雙高斯峰的位置,即本例下的底部深度,w1和w2分別 為雙高斯峰的左右部分的半寬度。 如圖所示。2(a),測量數據可以很好地擬合(2),配有 r平方值為0.99。為了驗證該算法的有效性,我們對水下圓盤分別進行了0.5 cm和3.5 cm的 兩次小的垂直運動。如圖所示。2(a)時,擬合的峰值位移分別為0.6 cm和3.6 cm,表明該 算法可以獲得亞cm的深度分辨率。雖然采樣率更高
             
             
                    頻率更有利于波形重建,它提出了數據量大、實時數據傳輸和處理困難、硬件成本高等挑 戰。因此,我們選擇了500 ps的采樣間隔來進行現場實驗。此外,雖然采樣間隔變得稀疏 ,但單個容器上的光子數量增加。如圖所示。2(b),在相同的積累時間為2s,使用500 ps 的采樣間隔和相同的擬合算法,仍然可以達到cm級的深度分辨率。 為了驗證基于擬合算法在500 ps采樣間隔下的深度估計的精度及其與背散射信號強度的 相關性,我們進行了仿真
             
             
                    實施具體地說,假設波形中每個點的光子計數呈泊松分布,生成了50個獨立的光子重建波 形。隨后,利用等式對每個光子重建波形采用最小二乘擬合方法(2),并計算了每個光子重 建波形的擬合得到的峰值位置的均值和方差。結果,如圖所示。3,表明隨著回波波形中峰 值的光子計數的增加,峰值位置的平均值趨于0 cm。此外,隨著光子計數的增加,方差逐 漸減小。值得注意的是,當峰值位置的光子計數為10時,方差小于5 cm 2,當光子計數為10 時,則小于0.2 cm 3.這些結果表明,該擬合算法在深度分辨率方面優于統計學方法。 4.現場實驗 4. 1.巡航測量 為了驗證SPUL的穩定性和我們的算法的可行性,我們于2022年11月11日在中國廣西省的欽 州Bay進行了現場實驗,船跡如圖所示。5(a),和2022年11月20日,在中國海南省的李安港 ,船跡如圖所示。6(a).圖中的水下地形圖。5(a)和圖。6.基于聲納數據重建了(a)。研究 區在這兩個地點的水深均小于15米。如圖所示。4、激光雷達固定在船的前方,向下垂直接 近,激光出口位于水面以下0.3米處。為了驗證激光雷達的探測深度,一個聲納系統被安裝 在與激光雷達相同的平臺上,以確保它們能探測到相同的底部。本研究中使用的聲納是生 物電子DTX單波束回波儀(SBES),工作在430 kHz,3 dB波束寬度為7.0°。該系統的脈沖 長度為0。1 ms,可以測量從0.075米到2,000米的距離。此外,在實驗前,對激光雷達和聲 納相對于水面的位置進行了校準。此外,為了盡量減少船舶滾動和俯仰對測量的影響,船 舶在航行過程中保持了恒定和平穩的速度。這些實驗的結果如圖所示。5和無花果。分別為 6。欽州灣的水比李安港的水更渾濁。
             
             
             
                    測量結果如圖所示。5和6,其中數據考慮了兩種儀器的工作深度,而聲納數據已被質量 控制,以去除異常值。圖5(b)、5(c)、6(b)和6(c)描繪了激光雷達測量的后向散射信號。 在數據期間處理后,每1秒內累積5.6厘米的光子。隨后,計算了累積光子計數(P)的自然對數(Ln)。 不同的顏色被分配給不同的Ln (P)值,產生在圖中描述的偽顏色圖。圖中的紅點。5.(b)和 (c),以及圖。6(b)和(c),表示激光雷達測量的深度,其中水深提取算法采用了第3節中提 出的擬合方法。圖中的黑點代表了用聲納測量到的結果。根據這兩個數字,激光雷達的測 量結果與聲納的結果很吻合。它還突出了激光雷達與聲納相比的突出特點,聲納不僅可以 探測來自水下的信號進行水深反轉,還可以檢測來自水中分子和粒子的后向散射信號,如 圖中色標所示。5(b),5(c),6(b),和6(c).基于粒子后向散射信號提取水固有光學性質( IOPs)的算法超出了本文的范圍,將在今后的工作中具體討論。 事實上,激光器的最大單脈沖能量輸出可以達到1 uJ。然而,在兩個場實驗中,所需的 最大脈沖能量僅為100 nJ。在這些實驗中,激光脈沖能量根據來自水的背散射信號的強度 在30 nJ和100 nJ之間切換。在實驗過程中,采用手動方式進行脈沖能量調整。如圖所示。 5(c)和圖。6(c),當激光脈沖能量為100 nJ時,在水面以下約1m處的水下后向散射信號中 可以觀察到一個最大值。這是由于幾何重疊因子的逐漸增加,在1m處達到其最大值1。然而 ,在圖中。5(b)和圖。6(b),當激光脈沖能量為30 nJ時,來自底部的強信號超過了來自水 的信號,包括在1m處的峰值信號。值得注意的是,盡管如此,底部信號仍然保持在單光子 探測器的飽和計數率(40 MHz)以下,一個距離箱中的平均光子數小于0.01,從而避免了 距離行走誤差(RWE)[34]的引入。當脈沖能量設置為100 nJ時,如果水底回波信號峰值為 ∼1m,提取峰值具有挑戰性。在這種情況下,需要預先對后向散射信號應用一個幾何校正 因子。 從激光雷達和聲納測量中得到的深度數據的一致性分析如圖所示。5(d)和圖。分別為6(d) 。由于聲納比激光雷達(0.55°)具有更大的波束角(7°),因此覆蓋范圍更大,因此聲 納的結果之間仍然存在一些差異。然而,從兩種不同儀器獲得的測量結果在欽州灣和李安 港都顯示出高度的一致性,RMSE分別為0.25 m和0。分別為18米。驗證了SPUL系統和測深提 取算法的有效性和魯棒性。 .2.4觀察24小時 為了驗證SPUL的連續晝夜觀測能力,在李安港進行了持續24小時的靜止觀測。觀測期間的 天氣狀況晴朗晴朗,無云。在整個實驗過程中,該船裝備了 激光雷達系統仍然錨定在大約5米深度的水中。 在無花果。7、描述了激光雷達數據的垂直輪廓。黑點代表反向水深數據由激光雷達,而 紅線代表水深來自潮汐數據,從國家海洋數據中心和調整之間的垂直距離潮汐基準平面和 海底觀測站。通過在不同的時間選擇幾種典型的激光雷達后向散射信號,如圖所示。8、可 在夜間可見,如圖所示。8(a),單光子激光雷達具有低噪聲,不需要去噪處理。然而,在 白天,如圖所示。8(b),雖然單光子激光雷達顯著抑制了噪聲,但仍有一些噪聲進入探測 器,特別是在中午太陽輻射最強,導致增加一百倍噪音比夜晚更大。然而,通過去除噪聲和使用擬合算法,仍然可以提取出準確的深度信息 。注意圖中1m深度觀察到的峰值。7是由于幾何重疊因子的逐漸增加,在此深度達到其最大 值1,如圖所示。8. 
             
             
             
                    根據24小時觀測結果,激光雷達測量的水深與潮汐數據得到的水深具有一致性,證實了 SPUL的連續晝夜觀測能力和穩定性。值得注意的是,由于這兩個海灣的淺水深度的限制, 單光子水深激光雷達只能探測到6米以內的水深。此外,在我們之前的實驗中,單光子激光 雷達已經被驗證為可以探測高達105米的距離,其最大探測深度約為5.5/Kd,其中實物表示 擴散衰減系數[ 17]。在未來,將進行更多的實驗,以進一步驗證其水深能力。
                    5.結論 在這項工作中,提出了一種單光子水下激光雷達,并演示了用于連續晝夜測量淺水深度, 解決了由于太陽背景輻射干擾造成的單光子激光雷達面臨的挑戰。幸運的是,在水下淹沒 激光雷達,消除了空氣-水界面的干擾。此外,水作為一種天然的過濾器,吸收和散射太陽 輻射,從而大大減少了來自太陽背景輻射的背景噪聲。 在硬件設計方面,該系統采用了一種高靈敏度的單光子檢測技術,使激光雷達能夠集成 到一個防水和耐加壓的艙間中。這種技術允許用一個100 nJ的脈沖能量和一個4.8毫米孔徑 的望遠鏡來探測淺水的深度。為了實現日間工作,設計了一種小孔徑光學望遠鏡,并采用 了窄帶濾光片技術。最終,激光雷達被集成到一個直徑20厘米,長度40厘米的緊湊型鋁合 金圓柱形腔室中,功耗為∼80 W。該系統能夠在高達1公里深度的水下工作。 針對深度提取算法,提出了一種基于雙高斯模型和最小二乘擬合的水深提取方法,大大 提高了單光子激光雷達的深度分辨率。數值模擬表明,當峰值光子計數為1000,采樣率為 500 ps時,提取深度的方差小于1 cm。此外,光子重構波形具有用于反轉底基板類型的潛 力,這是開發擬合算法的一個重要動機。 在未來的工作中,我們將進行大量的比較實驗來進一步驗證我們的SPUL的穩健性。此外 ,還將納入其他抑制太陽輻射噪聲的技術,例如利用與夫瑯和費線對齊的激光波長。雖然 數據擬合方法比統計分析方法更耗時,但將采用優化算法和硬件升級來提高處理速度。此 外,我們計劃開發一種水柱IOPs的反演算法,使深度和IOPs能夠同時反演。目前,反轉iop 的挑戰來自于近場信號受到幾何重疊因子的影響。此外,我們打算利用擬合的直方圖數據 遙感底部底物類型,包括珊瑚和海草,類似于在全波形水深激光雷達中采用的方法。最后 ,將這種單光子激光雷達集成到auv等水下平臺上,并將其與聲納結合使用,不僅可以使水 下平臺避障,還可以在深海環境中提取高精度深度信息,包括魚和蝦等小目標??傊?,我 們認為,這項工作在實際應用中具有巨大的潛力,無論是通過將激光雷達集成到auv還是艦 載平臺中,從而提高了我們獲取海洋信息的能力。
             
            資金。國家重點研發計劃(2022YFB3901704);藍碳生態系統評估、恢復與會計:騰訊支持項目;量子科技創新計 劃(2021ZD0303102);國家自然科學基金項目(U2106210);福建省自然科學基金項目(2020J0201026);福建 省中央引導地方科技項目 發展專項項目(2022L3078);MEL-RLAB海洋科技創新聯合基金。披露。作者聲明沒有利益沖突。 數據可用性。支持本研究結果的數據可根據合理的要求從通訊作者處獲得。 
             
             
             
                    參考文獻 1.C.-K.王和W。D.“利用空氣載水深激光雷達探測淺水區底部類型的變化”,遠程參議員。環境。106(1), 123– 135 (2007).
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