天津大學(xué)海洋學(xué)院聲光探測(cè)團(tuán)隊(duì)在水下激光雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域取得新進(jìn)展

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在海洋技術(shù)領(lǐng)域中，海洋探測(cè)技術(shù)是打破人類與海洋間屏障的關(guān)鍵手段，先進(jìn)的激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)和算法對(duì)水下任務(wù)包括水下定位、目標(biāo)搜索和救援等方面具有重大的意義。其中距離信息作為最基本的物理參數(shù)，可視為諸多目標(biāo)表征參數(shù)的基礎(chǔ)，在遙感以及地形地貌檢測(cè)等應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

天津大學(xué)海洋學(xué)院聲光探測(cè)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于雙光梳干涉的激光雷達(dá)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)精確的水下絕對(duì)距離測(cè)量。為了消除脈沖激光測(cè)量中的非模糊距離，采用了設(shè)計(jì)的脈沖編碼策略，利用聲光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的開(kāi)關(guān)調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雙光梳信號(hào)的編碼，大大擴(kuò)展水下測(cè)量的非模糊范圍。這種組合在不犧牲采樣率或測(cè)量精度的情況下，顯著擴(kuò)展了雙光梳LiDAR的非模糊范圍，在重復(fù)頻率差為2 kHz的情況下，可以提高到約55 km，實(shí)現(xiàn)一次性精確的遠(yuǎn)距離探測(cè)。

針對(duì)復(fù)雜水下環(huán)境下，雙光梳LiDAR信號(hào)會(huì)受到環(huán)境干擾和系統(tǒng)噪聲的影響的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了一種改進(jìn)的變分模態(tài)分解（VMD）方案并適用于水下雙光梳測(cè)距系統(tǒng)。通過(guò)考慮理想雙光梳干涉信號(hào)的類高斯形狀和高信噪比的特點(diǎn)，將灰狼優(yōu)化算法（GWO）引入VMD進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并對(duì)GWO的適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。通過(guò)優(yōu)化的VMD算法，將畸變的噪聲干涉信號(hào)分解為一系列高質(zhì)量的子信號(hào)，最終選擇最佳適應(yīng)度的子信號(hào)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。對(duì)不同條件下雙光梳信號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅能提高干涉圖的信噪比，而且能同時(shí)恢復(fù)干涉圖的高斯形狀，能夠擴(kuò)展雙光梳LiDAR的工作范圍和對(duì)非理想環(huán)境的魯棒性。

總體而言，該項(xiàng)工作利用光頻梳的精密測(cè)量特性，提升了水下光學(xué)探測(cè)的精度與距離，實(shí)現(xiàn)高精度與大范圍的海洋探測(cè)。同時(shí)，能夠?qū)μ綔y(cè)信號(hào)進(jìn)行去噪與優(yōu)化，進(jìn)一步提升測(cè)量的環(huán)境適應(yīng)性與魯棒性。該研究在水下激光雷達(dá)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，進(jìn)而有助于海洋形貌的高精度三維重構(gòu)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)。

審核編輯 黃宇