水下光子計數三維成像激光雷達系統研制及實驗驗證

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）

Development and experimental validation of an underwater

photon-counting three-dimensional imaging LiDAR system

WANG Zhangjun1，23，YU Yang'，YE Dingmu'，LI Hui'，CHEN Chao12，YU Changxin'（1.InstituteofOceanographicInstrumentation，QiluUniversityofTechnology（ShandongAcademyofSciences），Qingdao266061，China;2.Shandong SClCOM Shenguang Technology CO.，Ltd.， Qingdao 266300，China;3.Shandong Provincial KeyLaboratory of Intelligent Marine Ranch （under preparation），Qingao 266104， China）

Abstract： Underwater three-dimensional （3D）imaging light detectionand ranging（LiDAR）systems have the potential foraccuratelydetecting underwater targetsandmappingthe seabedterrain，thus faciatingthedevelopment and utlzationof marineresources.However，most existing underwater 3D imaging LiDAR systems sufer from large size and high power consumption，making themunsuitablefor the operational requirements of underwater tasks.Toovercome these issues，this studyproposesacompact solution basedonphoton-counting technologythatintegrates single-point ranging

withtwo-dimensional scanning to achieve 3Dimaging.Acompact underwater photon-counting 3Dimaging LiDAR system was developed by optimizing optical and mechanical design，resulting in a device with a diameter of 165mm and a length of 340mm ，considerably improving portability and underwater adaptability.A dual-axis synchronous scanning control method was implemented based onFPGA to achieve ascanningaccuracyat the nanosecond level，ensuring precise alignment between theemitedpulseand measuredtarget point.Laboratory water tank experiments revealed that the system hasadetection capabit exceeding 3.1 attenuation lengths.Furthermore，thissystemwasused forunderwater 3D imagingof athruster model that validatesitscentimeter-levelrangingaccuracy.Owing toits strongcompatibility，this system can be integrated into various underwater mobile platforms and holds strong potential for applications such as seabed topographic mapping，underwater cultural heritage detection，and underwater target identification.

Key words ∵ underwater detection；three-dimensional imaging；LiDAR；miniaturization

海洋占據了地球表面約 71% 的面積，并儲存著全球 97% 的液態水資源。近年來，隨著對海洋科學研究價值、經濟開發潛力和戰略地位的深人認識，水下探測裝備[1-2]和水下機器人[3]等關鍵技術得到了快速發展。在此背景下，發展新型水下探測技術已成為支撐海洋調查活動的迫切需求。目前，基于不同物理原理的探測技術在海洋觀測領域各顯其優。聲學探測系統主要包括各類聲納設備，適用于大范圍海底地形測繪和水下目標定位，但其空間分辨能力相對有限[4]。電磁探測技術在水下金屬目標識別和管線檢測方面具有獨特優勢，雖然不受水文條件限制，但易受海洋電磁環境影響[4]。光學探測方法憑借其高精度特性，在水下資源勘探、考古發現和地形測繪等領域發揮著重要作用，然而其有效作用距離受到明顯制約[5]。在實際應用中，需要根據具體任務需求選擇最適宜的探測手段。

本文重點研究水下激光雷達探測技術，這是一種基于光學原理的三維成像方法。該技術采用 532nm 藍綠激光作為光源，在水中具有較好的穿透能力。激光雷達系統可根據需要部署在衛星、飛機、船舶或水下平臺等多種載體上[6]，并被用于各個領域，包括水下考古[7]、水下工程建設[8]和海底測繪［9-10]。然而，水體對激光的強烈吸收和散射效應給探測帶來了顯著挑戰：吸收作用導致能量衰減，散射效應則產生背景噪聲。值得注意的是，研究表明單純增加激光功率并不能有效提升探測性能，反而可能因散射效應加劇而適得其反[11]。為應對這些挑戰，研究人員發展了距離選通[12]、載波調制[13]、偏振探測[14-15]和光子計數[16]等先進技術。距離選通成像通過精確控制相機門控開啟時間來抑制近場后向散射，但需要預知目標距離;載波調制采用高頻激光調制（ gt;100MHz ）來抑制噪聲[17]；偏振技術則面臨海洋復雜退偏特性的挑戰[2]。相比之下，光子計數激光雷達憑借單光子探測靈敏度和皮秒級時間分辨率，在弱光水下環境中展現出卓越的三維成像能力[18-19]。

在眾多創新技術中，光子計數探測方法因其獨特的性能優勢而備受關注。該方法結合了光子計數探測技術和時間相關探測技術，能夠實現皮秒級的時間分辨率和光子級別的探測靈敏度。自2015年起，光子計數探測技術開始應用于水下三維成像領域[1]，赫瑞瓦特大學采用亞毫瓦級平均光功率即可實現8個衰減長度范圍內的亞毫米級深度成像。2023年該團隊利用SPAD陣列探測器成功獲取了運動目標的深度與強度信息[12]。光子計數探測技術憑借其低功耗、遠距離探測和高精度成像等優勢，在水下三維成像中展現出巨大潛力。國內Shangguan[18-19] Liu^[20] 、Zhou[21]等團隊紛紛開展相關技術研究，并研制出光子計數水下激光三維成像系統。三個團隊所研發的系統均采用內掃描設計，受系統結構設計影響掃描范圍有限，此外，文獻[20-21]的系統外形采用長方形設計，系統耐壓性能受限。針對上述問題，本文研發了一種基于二維轉臺外掃描的小型化水下光子計數激光雷達系統。該系統具有厘米級的測距精度，兼容性強，可集成于多種水下移動平臺。

1水下光子計數激光雷達系統設計

與陸地系統不同，苛刻的水下工作環境要求系統具備更輕的重量、更小的體積和更低的功耗。響應單光子級別的回波能量光子計數探測技術是滿足這些需求的有效手段，可以大幅提升系統的探測靈敏度。與傳統的增大接收望遠鏡孔徑或提高激光能量的方法相比，光子計數技術能有效實現激光雷達系統的小型化和低功耗設計。本文設計的基于光子計數探測機制的激光雷達系統在單點測距的基礎上，通過二維轉臺方位、俯仰方向的轉動實現對水下目標的逐點掃描，記錄被測目標點的角度-角度-距離信息，最終實現對水下目標的三維成像。

1.1 單點測距模塊設計

單點測距模塊采用飛行時間方法完成距離測量，其光路結構如圖1所示。考慮水下激光探測距離通常在百米內，同軸光路結構可以實現無盲區探測，同時在不同距離下發射視場和接收視場都能有效匹配，相較于離軸的光路結構在近距離探測時更有優勢，因此，本系統采用同軸的光路結構設計。發射光路部分由半導體微片激光器、兩片反射鏡（Mirror1和 Mirror2）組成，接收光路部分由卡塞格林式望遠鏡、濾光片、多模光纖組成。兩片反射鏡通過 45^° 平行安裝完成光路的同軸設計，其中Mirror1安裝于激光器的出光路徑，Mirror 2安裝于望遠鏡的次鏡位置。半導體微片激光器內部集成了光電二極管（PIN）可以為系統提供高精度的同步信號，同時通過兩個平面反射鏡周期性的向目標發射亞納秒級的脈沖激光。經目標反射的激光由卡塞格林望遠鏡收集，并由濾光片濾光后，通過多模光纖耦合至單光子探測器（SPAD）。激光器內置光同步信號和 SPAD輸出的回波響應信號分別作為“開始”信號和“停止\"信號，由光子計數模塊（TCSPC）記錄并保存。

基于上述收發模塊架構，通過集成控制模塊、供電模塊及單光子探測器構建了單點測距模塊，其內部結構如圖2（a）所示。為滿足系統小型化與耐壓性能要求，采用圓柱形殼體封裝設計。在光機布局方面，將收發光學組件與控制、供電功能單元采用前后分置式排布，并通過統一底板實現模塊化集成，確保結構整體性。最終封裝成型的單點測距模塊三維示意圖如圖2（b）所示。

1.2 二維掃描模塊設計

基于單點測距模塊的固定點位深度測量能力，結合二維轉臺的方位軸（水平）與俯仰軸（垂直）雙自由度運動，通過逐點掃描方式實現目標表面三維形貌重構。得益于光子計數探測技術，可以采用小型化微脈沖激光器，實現了單點測距模塊的緊湊型設計（外形尺寸：直徑 165mm 長 340mm ），其輕量化特性滿足商用二維轉臺的典型負載需求。如圖3（a）所示，將單點測距模塊集成于二維轉臺，通過雙軸聯動控制實現方位-俯仰方向的往復掃描運動。經運動參數優化，可形成如圖3（b）所示的規則柵格化掃描軌跡，確保三維點云數據的均勻采集。

在柵形掃描模式中被測目標點與發射脈沖激光需要準確匹配才能完成目標的精確三維重建，本系統利用時鐘頻率 50MHz 的FPGA（field programmable gate array）對二維轉臺進行掃描控制，實現轉臺的俯仰、方位角度的快速、高精度控制。具體的時序控制邏輯如圖4所示。首先，發送俯仰向下控制指令，使轉臺以預定速度向下旋轉至一定角度，待運動到指定位置后發送俯仰向上控制指令，使轉臺向上旋轉至一定角度。在發送俯仰向下指令和俯仰向上指令的間隔時間內，發送多個方位向左和方位向右的控制指令。讓轉臺以預設速度周期性地向左和向右旋轉一定角度。為了實現網格掃描，俯仰軸的轉速遠低于方位軸的轉速。在我們的實驗中，方位軸的掃描速度是俯仰軸掃描速度的100 倍。該系統中FPGA的時鐘頻率（ 50MHz? 遠高于激光源的脈沖重復頻率（ 50kHz ）。因此，可以利用FPGA的高時鐘頻率特性來精確標記轉臺的轉向時間。在 FPGA 發送俯仰或方位控制指令的瞬間，也就是俯仰或方位方向轉換時，FPGA會向TCSPC輸出一個標記信號，作為掃描成像中每行對齊的標志。通過這種方式，能夠準確確定掃描圖像中每個脈沖的位置。最終，形成了如圖3（b）所示的柵形掃描。

2水下光子計數激光雷達系統研制及觀測實驗

為滿足系統水下作業需求，本研究采用一體化耐壓密封設計將單點測距模塊包括收發光路、控制板、SPAD、電源模塊等集成于圓柱形防水艙體內，如圖5（a）所示。艙體尺寸為直徑 165mm 長 340mm ，其光學端面配置石英玻璃窗口，用作通光窗口，完成激光的發射與接收，采用雙O型氟橡膠圈實現光學-機械密封。電氣接口端布置3個防水連接器，分別用于供電與控制信號以及同步信號與SPAD響應信號的傳輸。將封裝后的單點測距模塊安裝于防水二維轉臺，如圖5（b）所示，即為研制的水下光子計數激光雷達系統，系統的主要參數指標如表1所示。

本研究通過系統性實驗驗證了水下光子計數激光雷達的關鍵性能指標。在 10m 標準測試水槽中，對9.4m 處目標進行探測實驗（受限于水槽物理尺寸），采用512ps時間分辨率采集系統獲取了50018個激光周期的回波信號直方圖（圖6）。結果表明，最大光子計數達1604，統計全波形的回波信號，計算得到目標探測概率為 5.2% 。同時，利用TriosViPer測量水體衰減系數為 0.3257m^-1 ，如圖7所示，根據比爾-朗伯定律推算，證實了研發的系統具有明顯優于3.1個衰減長度的探測能力。

為驗證系統的成像性能，將雷達系統置于實驗室水槽，將推進器模型放置于水槽中遠離激光雷達系統的另一端，如圖8所示。由FPGA設置轉臺的掃描角度和速度，方位掃描角度設置為 ±4^° ，掃描角度設置為 20（^°）/s 俯仰軸掃描角度為 ±4^° ，掃描速度設置為 。一次完整掃描的時間為 40s ，總計獲得100行掃描數據，每行包含2000個周期的回波信號。按照上述指定的參數，對推進器模型進行掃描成像，每個像素分配200個脈沖周期，最終形成 100×100 像素組成的圖像。三維重建結果如圖9所示，深度圖9（a）的重建結果清晰展現了推進器模型的精細結構特征，可以清晰分辨推進器的扇葉及中心圓環形的設計結構，通過圖9（b）的三維點云圖可以清晰分辨推進器扇葉的角度傾斜，驗證的系統的高精度三維成像能力。為進一步分析系統的測距精度，選取了第85列扇葉距離測量結果，如圖9（c）所示，本系統測量到扇葉平滑的傾斜變化，與實際情況一致，并且精確測量了扇葉 2.5cm 的深度變化。這一結果不僅驗證了系統優于 2.5cm 的測距精度，更展示了其在微小形變檢測方面的潛在應用價值。

3結論

本文設計了一種基于二維轉臺的同軸水下光子計數激光雷達成像系統。采用單點測距結合二維掃描的三維成像設計方案，單點測距模塊基于飛行時間原理，通過精確測量激光往返時間完成距離信息采集；搭載高精度二維轉臺，利用方位軸與俯仰軸的同步獨立轉動，對水下目標實施逐點掃描探測。系統實時記錄每個目標點的方位角、俯仰角及距離信息，經空間坐標轉換與數據重構，最終實現水下目標高精度三維成像。通過優化光路布局，成功研制了直徑 165mm 、長度 340mm 的小型化系統，顯著提升了設備的便攜性與水下作業適應性。在掃描控制技術上，基于FPGA設計了雙軸同步掃描控制方法，實現了納秒級的掃描控制精度，確保掃描過程的高效與穩定。實驗驗證階段，基于所研制的緊湊型同軸掃描光子計數激光雷達系統，在實驗室水槽驗證了系統具有明顯優于3.1個衰減長度的探測能力。同時，對推進器模型開展水下三維成像實驗，驗證了系統具有厘米級的測距精度。結果顯示，該系統能夠清晰呈現推進器的扇葉形態及其內部結構細節，成像效果出色。該系統具備良好的兼容性，可便捷安裝于自主水下航行器、無人船等水下移動平臺，適用于海底地形精細測繪、水下文化遺產探測、水下目標檢測與識別等多種水下作業場景，展現出廣闊的應用前景。

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