水下飛秒雙光梳高精度測距算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

翟小羽，孟昭鵬，胡浩豐，石浩男

1.天津大學(xué) 天津 300072

2.國家海洋技術(shù)中心 天津 300110

水下距離測量是海洋探測領(lǐng)域中的核心技術(shù)。目前，在水下目標(biāo)探測、海洋測量、海洋工程制造等領(lǐng)域，水下測距技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用場景[1-3]。高精度水下距離測量在科學(xué)研究和工業(yè)制造中發(fā)揮著重要作用，直接決定著我國在海洋計量、海洋工程裝備、水下地形測量、海洋深度測量、水下目標(biāo)探測和定位、水下搜救、海洋底質(zhì)探測等領(lǐng)域的地位和技術(shù)水平[4-5]。

水下測距歷經(jīng)了人工、水聲、激光等不同的技術(shù)路線。目前，水下測距大多是依賴水聲與激光技術(shù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。聲波在海水中的傳播具有散射弱、衰減小的特點(diǎn)。因此，水聲測距技術(shù)因其測距量程大的突出優(yōu)勢，長期占據(jù)了水下探測裝備和技術(shù)的主導(dǎo)地位?，F(xiàn)今的水深測量、水下成像等主要工程裝備大多源于水聲測距技術(shù)[6-10]。然而，與水下激光測距相比，由于聲波的頻譜特性，水聲測距技術(shù)存在探測時間長、時空分辨率低、測量誤差大等問題，難以完全滿足水下精密工程和探測裝備的需求。為了解決傳統(tǒng)水聲測距技術(shù)的上述問題，水下激光測距技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[10]。水下激光測距技術(shù)通過發(fā)射激光照射目標(biāo)，并接收目標(biāo)反射的回波光信號解算目標(biāo)距離[11]。激光信號具有波長短、傳播速度快、準(zhǔn)直度高等特點(diǎn)，同水下聲學(xué)測距技術(shù)相比，水下激光測距技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的距離測量，同時具有更高的定向精度和穩(wěn)定性[12-13]。然而，由于光信號的固有特性，其在傳輸過程中受到水體的吸收與散射，存在較大的功率衰減，在一定程度上限制了水下激光測距技術(shù)的測量范圍[14-15]。飛秒光梳[16]是一種新型的激光光源，它在時域上表現(xiàn)為一系列超短脈沖序列，脈沖寬度在飛秒級別，在頻域上表現(xiàn)為在極寬光譜范圍下等頻間隔的單色譜線，就像一把穩(wěn)定的“梳狀尺”。飛秒光梳具有脈寬窄、光譜寬、峰值功率高的優(yōu)點(diǎn)，因而具備獨(dú)特的時頻計量特性[17-19]。飛秒光梳的出現(xiàn)，為水下激光測距的實(shí)現(xiàn)提供了一個全新的技術(shù)方案，從原理上提升了水下激光測距的量程和精度[20-23]。水下雙光梳測距算法是整個水下測距系統(tǒng)的核心技術(shù)，由探測、采樣等模塊和尋峰、測距等算法組成的嵌入式系統(tǒng)，同時針對水體性質(zhì)動態(tài)變化的實(shí)際情況進(jìn)行計算與補(bǔ)償。水下雙光梳測距系統(tǒng)需要較高的測量速度和數(shù)據(jù)處理速度，F(xiàn)PGA SoC具有性能高、功耗低、電路簡單和軟硬件一體化設(shè)計等優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式開發(fā)的重要方式[24]。它同時具備硬件計算高性能和嵌入式軟件應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)，為水下雙光梳測距算法軟硬件一體化的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證提供了有效解決方案。

本文針對飛秒光梳水下測距中面臨的問題，參照水體折射率與水下光程的對應(yīng)關(guān)系，提出一個基于飛秒光梳的水體折射率實(shí)時測量方法，并搭建了一個由雙干涉光路和雙飛秒光梳組成的水下飛秒雙光梳測距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水體折射率的實(shí)時修正和水下絕對距離測量。本文所提出的水下雙光梳信號處理單元，是基于軟硬件一體化實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)基于FPGA SoC平臺實(shí)現(xiàn)，按照水下雙光梳測距算法和要求，構(gòu)建了一個嵌入式軟硬件開發(fā)一體化的環(huán)境平臺，完成了基于水下雙光梳測距算法的嵌入式開發(fā)與實(shí)現(xiàn)?；谏鲜鱿到y(tǒng)和方法，開展了小尺度（5 m）和大尺度（30 m）的水下測距實(shí)驗(yàn)，完成了水下飛秒光梳測距信號分析和算法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對飛秒光梳測距量程和測距誤差進(jìn)行了測試和評價。

1 水下雙光梳測距架構(gòu)

1.1 水下雙光梳測距系統(tǒng)

水下飛秒雙光梳測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩臺飛秒光梳構(gòu)成了激光光源，一臺作為測量光梳（SS），一臺作為本振光梳（LO）。飛秒脈沖由測量光梳發(fā)射，經(jīng)過分光鏡BS1被分成兩路：一路脈沖射入測量光路，經(jīng)過水下目標(biāo)MR1反射，產(chǎn)生測量脈沖；另一路射入?yún)⒖脊饴?，被分光鏡BS2分成了兩路脈沖，一路經(jīng)過參考鏡MR2反射，作為參考脈沖，一路經(jīng)過修正鏡MR3反射，作為修正脈沖。上述光路系統(tǒng)最終產(chǎn)生由測量脈沖、參考脈沖、修正脈沖組成的3組回波脈沖。本振脈沖與參考脈沖、測量脈沖、修正脈沖合束，并分別與其進(jìn)行干涉，再由光電探測器完成3個干涉脈沖的光電轉(zhuǎn)換，最終獲取測量脈沖、修正脈沖和參考脈沖的干涉條紋信號。信號處理模塊基于光電探測器獲取的干涉信號，通過提取干涉載波包絡(luò)的峰值，再由對應(yīng)脈沖峰值時間與距離的關(guān)系，解算出參考脈沖與測量脈沖、參考脈沖與修正脈沖的光程距離。同時，利用折射率修正模塊的光程距離，實(shí)時解算出水體的折射率，并將其應(yīng)用于測量目標(biāo)的距離解算。

圖1 水下飛秒雙光梳測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可以看出，圖1中的水下飛秒雙光梳測距系統(tǒng)包含一組雙干涉儀結(jié)構(gòu)：一個是主體干涉儀，用于計算參考脈沖與測量脈沖的光程差；一個是修正干涉儀，嵌套于主體干涉儀上，用于計算參考脈沖與修正脈沖的光程差，從而實(shí)現(xiàn)水折射率實(shí)時修正。另外，本文設(shè)計的水下測距系統(tǒng)不再需要移動掃描裝置，可以實(shí)現(xiàn)水折射率的實(shí)時修正，減小了水下測距的誤差，提高了水下測距的可靠性和實(shí)時性。

由于水體參數(shù)是變化的，實(shí)測的修正長度也會隨之變化，因此需要實(shí)時測量幾何修正長度L0。在水介質(zhì)中，本振脈沖與修正脈沖和參考脈沖發(fā)生光學(xué)干涉，形成兩個脈沖的干涉條紋，通過計算兩個干涉條紋的峰值和峰值對應(yīng)的時間，得到兩個脈沖的時間差Δt，最終計算得到修正長度L0的水下光程Lgw，實(shí)時水體折射率可以表示為：

式中：Δt是參考脈沖與修正脈沖的時間差，ngw是水體折射率。

1.2 水下雙光梳測距算法

本文根據(jù)水下飛秒雙光梳測距的模式，設(shè)計了水下飛秒光梳測距算法，其算法框圖如圖2所示。從圖中可以看出，水下飛秒光梳測距是由脈沖干涉信號采樣、脈沖干涉條紋提取、脈沖干涉條紋尋峰、水折射率測量、水下距離歸算等環(huán)節(jié)和算法組成的。

圖2 水下雙飛秒光梳測距算法框圖

經(jīng)過光電探測器接收到的脈沖干涉信號，在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換過程后，最終得到采樣量化的數(shù)字信號。其中，雙光梳脈沖干涉條紋是一個脈沖展寬、幅值震蕩的實(shí)信號I（t），由于水下噪聲和衰減的影響，增大了干涉脈沖尋峰的難度和時間測量的誤差。針對這一問題，本文引入希爾伯特（Hilbert）變換[18]，構(gòu)造一個干涉條紋的解析信號z（t），再由解析信號計算干涉包絡(luò)的峰值，求取兩個包絡(luò)峰值的時間差，從而實(shí)現(xiàn)水下距離的測量。干涉條紋的解析信號z（t）是一個復(fù)信號，其實(shí)部是實(shí)信號I（t），其虛部是I（t）的Hilbert變換結(jié)果Hilbert變換的結(jié)果相當(dāng)于實(shí)信號I（t）與沖擊響應(yīng) h（t）的卷積，等價于一個沖擊響應(yīng)h（t）=1/πt的濾波器，可由下式表示：

雙光梳脈沖干涉信號的復(fù)信號包絡(luò)與尋峰結(jié)果如圖3所示，信號包絡(luò)清晰表征了干涉條紋的峰值信息，能夠同時將參考脈沖、測量脈沖、修正脈沖的包絡(luò)計算出來。基于公式（2）可以看到，對于不同的輸入信號I（t），經(jīng)過希爾伯特變換后均能產(chǎn)生對應(yīng)的卷積響應(yīng)，同時得到解析信號的模值作為包絡(luò)信號。因此本文提出的尋峰測距算法對于不同的干涉信號均能夠解算出其包絡(luò)信號，具有穩(wěn)定性和可靠性。基于包絡(luò)信號的峰值，求取峰值點(diǎn)的時刻及對應(yīng)的飛行時間，最終根據(jù)飛行時間、水中光速和飛秒光梳重復(fù)頻率解算得到被測距離，完成水下距離的精確測量。

圖3 雙光梳干涉條紋包絡(luò)提取結(jié)果

水下飛秒光梳測距以主體干涉儀與修正干涉儀相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。本振脈沖可經(jīng)由主體干涉儀，實(shí)現(xiàn)與參考脈沖和測量脈沖合束，形成兩個脈沖的干涉條紋，再由Hilbert變換，求取干涉條紋的復(fù)信號，同時，尋找兩個復(fù)信號包絡(luò)的峰值及其時間差Δt2，則水下被測距離L可由下式表示：

式中：t3是測量脈沖的峰值時刻，t2是參考脈沖的峰值時刻。

與主體干涉儀相結(jié)合，本振脈沖可由修正干涉儀，實(shí)現(xiàn)與修正脈沖、參考脈沖合束，跟蹤和測出參考長度L0對應(yīng)的水下光程Lgw。由于參考長度L0是已知的，由公式（1）和公式（3），則可推導(dǎo)出水折射率實(shí)時修正的水下飛秒光梳測距的算法公式：

在實(shí)際的測距實(shí)驗(yàn)中，為了進(jìn)一步提高測距精度，可進(jìn)行多次重復(fù)測量，并對測距結(jié)果取平均值。

2 水下雙光梳測距算法實(shí)現(xiàn)

按照水下飛秒光梳測距算法的要求，水下飛秒光梳測距系統(tǒng)由雙飛秒光梳、雙干涉光路、信號處理器3個單元組成。其中，測距算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括信號探測、采樣濾波、尋峰測距、顯示控制等模塊，其由上位機(jī)和外部設(shè)備相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。

圖4 水下雙光梳測距算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

信號探測模塊由收光鏡頭、平衡探測器、帶通濾波器等光電器件組成，同時與雙飛秒光梳和雙干涉光路相結(jié)合，輸出一個雙光梳干涉條紋的模擬信號，并輸入采樣濾波模塊。采樣濾波模塊由信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號采樣等電路模塊組成，完成干涉條紋的放大、濾波和采樣。該模塊輸出離散的干涉條紋數(shù)字信號，并將其輸入到尋峰測距模塊。尋峰測距模塊由干涉條紋尋峰、水群折射率修正、距離計算等算法組成。該模塊輸出水下探測的距離和強(qiáng)度，并將其輸入顯示控制模塊，該模塊是水下飛秒光梳測距算法實(shí)現(xiàn)的核心模塊。顯示控制模塊由信號調(diào)度、狀態(tài)監(jiān)控、指令傳輸組成，同時與上位機(jī)和外部設(shè)備相結(jié)合，完成水下測距信號的顯示控制、數(shù)據(jù)存儲、通信傳輸?shù)取?/p>

2.1 軟硬件協(xié)同設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計信號處理器由信號探測、采樣濾波、尋峰測距、顯示控制等模塊組成。本文按照軟硬件協(xié)同設(shè)計的模式，根據(jù)總體設(shè)計的結(jié)構(gòu)和要求，提出了信號處理器的軟硬件功能分配和實(shí)現(xiàn)方式，劃分了軟件層、操作系統(tǒng)層和硬件層，表1給出了嵌入式信號處理器的系統(tǒng)設(shè)計。信號探測模塊是由多個不同的光電器件組成的外部設(shè)備，不屬于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)；采樣濾波是由ADC轉(zhuǎn)換、采樣電路、Hilbert濾波器等硬件組成的，實(shí)時性要求非常高，是以FPGA模塊與模擬電路相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)的；尋峰測距和顯示控制是處理單元的核心模塊，計算量和編程難度大，是以嵌入式軟件開發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)的，需要嵌入式操作系統(tǒng)提供外部設(shè)備驅(qū)動，通過調(diào)度硬件資源，完成多進(jìn)程的程序設(shè)計。

表1 嵌入式信號處理單元軟硬件劃分及功能分配

信號處理器是按照軟硬件協(xié)同的方式設(shè)計的，最主要的特點(diǎn)是在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，軟硬件相互協(xié)調(diào)和作用，同時滲入不同的環(huán)節(jié)和層次，目的是找出軟硬件的結(jié)合點(diǎn)，形成最佳的系統(tǒng)性能和工作狀態(tài)。基于軟硬件協(xié)同設(shè)計的方式對算法進(jìn)行設(shè)計后，本文利用電子設(shè)計自動化（EDA）軟件對算法進(jìn)行硬件設(shè)計與軟件編程，同時利用Modelsim仿真軟件在FPGA布局布線前后進(jìn)行功能仿真與時序仿真，驗(yàn)證本文設(shè)計算法功能的正確性以及實(shí)現(xiàn)方法的可靠性。

2.2 采樣濾波算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)水下飛秒光梳測距系統(tǒng)，信號探測模塊會輸出一系列干涉條紋信號。由于干涉條紋信號幅度小，不能滿足ADC芯片要求的電壓范圍，本文設(shè)計了信號調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)干涉條紋信號的濾波和放大。信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，干涉條紋信號經(jīng)由20 dB前置放大，輸入抗混疊的低通濾波器，濾去高頻噪聲，再由增益放大電路，實(shí)現(xiàn)對信號的20 dB放大，最終通過ADC進(jìn)行干涉條紋信號采樣。

圖5 信號調(diào)理單元結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過ADC采樣后，將雙光梳干涉條紋的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用Hilbert變換器進(jìn)行復(fù)信號提取與包絡(luò)恢復(fù)。按照Hilbert變換的概念，本文采用FIR濾波器IP核實(shí)現(xiàn)基于FPGA的離散Hilbert濾波器。本文使用MATLAB FilterDesigner工具，構(gòu)造一個MATLAB濾波器。同時，設(shè)置濾波器的系數(shù)至符合Hilbert濾波器的要求，最后導(dǎo)出和量化濾波器的系數(shù)至MATLAB抽頭文件。將生成Hilbert濾波器設(shè)計的抽頭文件，參照FIR濾波器IP核接口和參數(shù)，完成Hilbert濾波器的IP核設(shè)計和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的Hilbert濾波器的算法功能。

2.3 尋峰測距算法實(shí)現(xiàn)

本文按照水下測距的實(shí)時性要求，考慮嵌入式算法開發(fā)和實(shí)現(xiàn)的難度，參照導(dǎo)數(shù)法，設(shè)置參數(shù)閾值和平滑指數(shù)，約束尋峰的范圍，篩除不需要的假峰和干擾，尋找出干涉條紋的峰值。同時，與擬合法相結(jié)合，修正導(dǎo)數(shù)法的尋峰結(jié)果，提出一種優(yōu)化的導(dǎo)數(shù)尋峰法。

干涉條紋信號經(jīng)過信號探測、調(diào)理、采樣等步驟，最終得到一組離散的數(shù)字信號，根據(jù)干涉條紋更新率以及ADC采樣率可知，一幀包絡(luò)數(shù)據(jù)會輸出2.5×105個12位無符號的量化信號值，最終將其存儲于一維數(shù)組S中。根據(jù)導(dǎo)數(shù)尋峰法的要求，求出S的一階差分，形成一個S的斜率數(shù)組Slope：

由于斜率數(shù)組并不關(guān)注一階導(dǎo)數(shù)的大小，只考慮一階導(dǎo)數(shù)的正負(fù)性，需要Sign函數(shù)做取符號運(yùn)算，將Slope數(shù)組中的元素符號化。

遍歷數(shù)組，若 Slope（i）＞0，則取 1；若 Slope（i）＜0，則取-1；否則取0，參照公式（6），則可獲得一個變化趨勢數(shù)組 Trend（i）：

又由Trend（i），可導(dǎo)出一階導(dǎo)數(shù)向下過零點(diǎn)，可由下式表示：

經(jīng)過計算，pos點(diǎn)上的包絡(luò)斜率會出現(xiàn)一個由正到負(fù)或由負(fù)到正的變化，根據(jù)導(dǎo)數(shù)尋峰法的特性和要求，pos點(diǎn)是一個峰值的位置。

按照水下飛秒光梳測距的算法和要求，可由導(dǎo)數(shù)尋峰法，探測和提取3個干涉條紋峰值的時刻，再由干涉脈沖的相對時延，求取修正光路和測量光路與參考光路的光程差，同時，與水群折射率的計算和修正相結(jié)合，完成水下距離解算。

2.4 顯示控制算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)水下飛秒光梳測距算法的模塊組成，本文通過控制不同模塊的協(xié)同配合，從而實(shí)現(xiàn)水下雙光梳測距算法。本文設(shè)計的工作流程主要由初始化、參數(shù)設(shè)置、質(zhì)量控制、狀態(tài)監(jiān)控、存儲顯示等環(huán)節(jié)組成，形成了不同模塊協(xié)同配合、控制顯示等的程序和要求。

系統(tǒng)上電后，打開上位機(jī)的操作界面，設(shè)置和輸入工作參數(shù)，包括飛秒光梳的重復(fù)頻率、功率、時間等參數(shù)和要求；信號探測、采樣濾波和尋峰測距等模塊必需的參數(shù)和條件。

當(dāng)初始化和參數(shù)設(shè)置完成，上位機(jī)接受指令，若未開始測距，自動待機(jī)；否則，上位機(jī)向信號探測模塊下發(fā)一個測距指令，同時，開始跟蹤干涉光路，一旦收到干涉條紋信號，啟動采樣濾波模塊，實(shí)現(xiàn)干涉條紋的調(diào)理、采樣和濾波，形成采樣數(shù)據(jù)，輸入尋峰測距模塊，完成采樣數(shù)據(jù)的尋峰和測距，最終，又返回上位機(jī)，顯示和存儲水下測距數(shù)據(jù)和結(jié)果。

狀態(tài)監(jiān)控模塊與指令控制相配合，監(jiān)控各個模塊指令執(zhí)行的狀態(tài)，同時，監(jiān)測外部設(shè)備和接口參數(shù)，一旦出現(xiàn)異常現(xiàn)象，則返回上位機(jī)，及時報警。此外，本文設(shè)計上位機(jī)顯示界面按照人機(jī)交互的方式，完成指令、參數(shù)、狀態(tài)的輸入和顯示等操作，同時存儲和顯示采樣數(shù)據(jù)和測距結(jié)果。

3 水下雙光梳測距實(shí)驗(yàn)

水下雙光梳測距裝置搭建了水槽測距實(shí)驗(yàn)，在水槽中均勻排布水下觀測點(diǎn)。該水槽是一個長5 m、寬1 m的水容器，其外壁為鋼化玻璃。水槽放置于一個光學(xué)平臺上，可注入不同的水介質(zhì)，同時，又配備了環(huán)境測量儀，實(shí)時監(jiān)測不同水介質(zhì)的溫度、密度、壓力等環(huán)境參數(shù)。水槽中，于不同距離處布設(shè)9個觀測點(diǎn)，并采用商用測距儀進(jìn)行標(biāo)測。實(shí)驗(yàn)中，飛秒激光的光功率固定為30 mW。在水槽中依次注入純凈水、自來水和純海水，進(jìn)行不同水體情況下的水下測距實(shí)驗(yàn)。由于不同的水體下激光的衰減不同，因此在飛秒激光的光功率為固定值的情況下，不同水體對應(yīng)了不同的最大測量距離。其中，海水對激光的衰減相較于純凈水和自來水更大，因此在海水中的最大測量距離最小，為2.82 m；而純凈水對激光的衰減最小，因而對應(yīng)的測量距離最大，為4.82 m。

在實(shí)驗(yàn)中，通過圖3中測量得到的雙光梳干涉信號可以計算出水下群折射率。首先對實(shí)驗(yàn)裝置的折射率修正部分進(jìn)行標(biāo)定，在實(shí)驗(yàn)開始前，在空氣中使用商用連續(xù)波激光器測量得到其幾何距離，即折射率修正部分中反射鏡M2與M3的幾何距離之差（其中，由于商用連續(xù)波激光器的精度可以達(dá)到nm量級，同時考慮到空氣群折射率的影響，因此這里的幾何距離測量標(biāo)定結(jié)果可以評價為μm）。而后，在水下測量時，依據(jù)圖3中的Ref和Cor干涉信號，可以求出水下的光程差，即Dw=ngw×D，式中：Dw為水下的光程差，ngw為水下群折射率，D為幾何距離。在測量時，由于幾何距離D為固定值，同時依據(jù)實(shí)時測量得到的水下光程差Dw便可求出實(shí)時的水下群折射率ngw。

表2為純凈水、自來水和海水等3種不同水介質(zhì)中的水下觀測點(diǎn)的標(biāo)測距離、實(shí)測距離和測距誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表2可以看出，水下雙光梳測距方法對于純凈水，可在4.82 m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)70 μm內(nèi)的測距誤差；對于自來水，可在4.41 m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)65 μm內(nèi)的測距誤差；對于海水，可在2.82 m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)90 μm內(nèi)的測距誤差。其中海水情況下的測量誤差更大是因?yàn)楹Ｋ泄馑p更大，探測信號的信噪比更低，并且海水的光學(xué)特性隨環(huán)境波動更大。同時，從測量得到的數(shù)據(jù)可以看出，在相同條件下，即2.82 m的范圍內(nèi)，純凈水測量的不確定度優(yōu)于自來水，自來水優(yōu)于海水。

表2 純凈水、自來水和海水3種不同水介質(zhì)的水下觀測點(diǎn)測距誤差

此外，由于不同水的溫度、密度、壓力等環(huán)境參數(shù)的影響，不同時間內(nèi)，水下距離測量的誤差會出現(xiàn)不同的變化。因此，水下實(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性是一個水槽測距實(shí)驗(yàn)的重要指標(biāo)。為此，在距離2.24 m的水下觀測點(diǎn)，持續(xù)進(jìn)行2 h的長時間距離測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差如圖6所示。測量結(jié)果表明，在長時間水槽測距實(shí)驗(yàn)中，水下測距實(shí)驗(yàn)裝置表現(xiàn)始終優(yōu)于90 μm的測量不確定度。

圖6 水下長時間測量散點(diǎn)圖

為了測試和驗(yàn)證水下雙光梳測距系統(tǒng)在更長距離的性能，在大尺度實(shí)驗(yàn)水池中開展了測距實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)水池長75 m、寬1.6 m、高2 m，水池的外壁為鋼化玻璃。同時，水池中配備了環(huán)境參數(shù)測量儀，可實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)水池的溫度、密度、壓力等環(huán)境參數(shù)。

在水池中注入自來水，并設(shè)置4個不同的激光輸出功率（400 mW、600 mW、800 mW、1000 mW），從而分析不同功率下的極限測量距離，同時利用商用測距儀對水下觀測點(diǎn)的距離進(jìn)行標(biāo)測。表3展示了不同輸出功率下對6個不同的水下觀測點(diǎn)的測距誤差。從表3可以看出，本文提出了飛秒雙光梳水下測距系統(tǒng)可以在20 m的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)80 μm的測距誤差，在30 m的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于150 μm的測距誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)水下遠(yuǎn)距離、高精度的距離測量。

表3 大水池中水下觀測點(diǎn)的實(shí)測距離

大水池測距實(shí)驗(yàn)中水下觀測點(diǎn)的標(biāo)測距離與實(shí)測距離的對比如圖7所示，圖中紅色標(biāo)記表示實(shí)測距離，綠色軌跡則表示標(biāo)測距離變化。結(jié)果表明，水下飛秒雙光梳系統(tǒng)的實(shí)測距離與標(biāo)測距離吻合度高，也驗(yàn)證了本文提出的水下高精度測距方法的可行性。

圖7 標(biāo)測與實(shí)測距離的對比

依據(jù)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)短距離及長距離測量實(shí)驗(yàn)，分別得到了在5 m探測范圍內(nèi)，不確定度優(yōu)于90 μm；水下30 m探測范圍內(nèi)，不確定度優(yōu)于150 μm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，有關(guān)不確定度的結(jié)果可以總結(jié)為以下幾個方面：第一，實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要受水下群折射率影響，從而導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。這里，根據(jù)實(shí)際5 m探測范圍的實(shí)驗(yàn)，可以將此項(xiàng)的不確定度歸結(jié)為83.2 μm。第二，考慮到本論文使用的算法為尋峰算法，因此在測量時會產(chǎn)生由于尋峰算法計算而產(chǎn)生的誤差，這里，依據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以將其計算為10 μm。第三，由于待測目標(biāo)，即測量反射鏡，放置于水下5 m位置處，因此，在測量時會產(chǎn)生一定的abbe誤差，通過測量得到，在5 m范圍內(nèi)，其abbe誤差可以評價為28.5 μm。同理，在30 m的探測范圍內(nèi)，其水下群折射率的不確定度為130.8 μm，這主要是因?yàn)樗氯赫凵渎屎吞綔y距離呈現(xiàn)相關(guān)狀態(tài)，即在探測距離遠(yuǎn)時，其不確定度較大。第四，算法方面，其在接收同樣功率信號的前提下，算法的誤差可以認(rèn)為與之前5 m探測范圍相同，即為10 μm。而在abbe誤差方面，依據(jù)實(shí)際測量得到的數(shù)據(jù)，可以將其評價為53.6 μm。

4 結(jié) 論

針對海洋科學(xué)和工程領(lǐng)域中對水下高精度測距的需求，本文提出了由雙飛秒光梳和雙干涉光路組成的水下高精度測距方法，并搭建了一個由雙光梳光源、雙干涉光路、信號處理器組成的飛秒雙光梳水下測距裝置，實(shí)現(xiàn)了測距過程中水折射率的實(shí)時修正，有效抑制了水體折射率測量誤差?；贔PGA SoC平臺，設(shè)計了水下雙光梳測距算法，并利用軟硬件協(xié)同的方式完成了功能分配與算法實(shí)現(xiàn)。最終完成了5 m和30 m兩個探測距離尺度下的測距實(shí)驗(yàn)，并對水下飛秒光梳測距結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行了測試和評價。結(jié)果表明：在水槽實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，水下測距實(shí)驗(yàn)在5 m范圍內(nèi)的測量誤差優(yōu)于±90 μm；在水池實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，水下測距實(shí)驗(yàn)在30 m范圍內(nèi)測量誤差優(yōu)于±150 μm。與傳統(tǒng)的水下激光測距技術(shù)相比，無論是測距精度還是探測范圍，水下飛秒雙光梳測距技術(shù)均具備出色的應(yīng)用潛力和測距水平。本文的水下實(shí)驗(yàn)主要圍繞單點(diǎn)探測展開，實(shí)現(xiàn)了基于水群折射率修正的高精度水下飛秒光梳測距結(jié)構(gòu)與算法。在此基礎(chǔ)上，配合相應(yīng)的激光掃描裝置，可以將飛秒光梳的應(yīng)用場景延伸至水下成像領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)三維信息的探測與跟蹤，這將是未來水下探測技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)問題。