機(jī)載激光雷達(dá)淺水小目標(biāo)探測(cè)技術(shù)綜述

張 吟

（1.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.清江創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，海洋資源開發(fā)和國家主權(quán)維護(hù)的需求不斷增加。為有效應(yīng)對(duì)水雷威脅，應(yīng)全面加強(qiáng)我反水雷能力，其中淺水水雷探測(cè)是當(dāng)前所面臨的主要挑戰(zhàn)。相對(duì)于傳統(tǒng)聲、磁等探測(cè)手段，機(jī)載激光雷達(dá)是典型的跨介質(zhì)探測(cè)方法，在機(jī)動(dòng)性、安全性、適應(yīng)性等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

機(jī)載激光雷達(dá)利用高功率激光和精密光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水下環(huán)境的長距離立體成像和目標(biāo)檢測(cè)。機(jī)載激光雷達(dá)可以在不潛入水體的情況下獲取高分辨率三維成像。利用機(jī)載激光雷達(dá)淺水小目標(biāo)探測(cè)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是卓越的機(jī)動(dòng)性，憑借與飛行平臺(tái)的一體化集成和高巡航速度等優(yōu)勢(shì)，可快速抵達(dá)和覆蓋作業(yè)海區(qū)；二是優(yōu)越的安全性，不受淺水暗礁、水下障礙物等因素的影響，晝夜可開展探測(cè)作業(yè)，具有較強(qiáng)的抗干擾性；三是作業(yè)效率高，得益于跨介質(zhì)探測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)，探測(cè)速度快，有效作用時(shí)間占比高（無布放回收傳感器、轉(zhuǎn)彎靈活機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)），能夠?qū)Υ竺娣e的海域進(jìn)行快速搜索探測(cè)。

雖然機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在目標(biāo)探測(cè)方面優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)于淺水水雷小目標(biāo)，同樣面臨一系列技術(shù)難點(diǎn)，如對(duì)于小尺寸目標(biāo)探測(cè)分辨率有所欠缺、近岸重點(diǎn)區(qū)域受渾濁水體影響測(cè)量深度大幅下降、單次飛行覆蓋范圍需進(jìn)一步提高、小目標(biāo)自主識(shí)別能力應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)等。

本文通過調(diào)研和分析，對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)淺水小目標(biāo)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要分析了全球先進(jìn)機(jī)載激光探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展歷程和技術(shù)特點(diǎn)，并總結(jié)了未來發(fā)展趨勢(shì)。重點(diǎn)分析了高功率密度激光器技術(shù)、高性能水下光學(xué)系統(tǒng)、自主識(shí)別與精確定位技術(shù)以及輕小型化等關(guān)鍵技術(shù)，并指出了機(jī)載激光雷達(dá)在淺水小目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域的不足和發(fā)展方向。以期為進(jìn)一步推進(jìn)激光雷達(dá)水下高精度目標(biāo)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供參考和依據(jù)。

1 技術(shù)原理及發(fā)展歷程

1.1 技術(shù)原理

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)安裝于飛機(jī)、無人機(jī)或直升機(jī)上，基于時(shí)差原理，通過向水體發(fā)射大功率、窄脈沖激光脈沖，并接收反射回的光信號(hào)，計(jì)算光信號(hào)傳播的時(shí)間差來確定水下地形的深度和目標(biāo)位置。

具備水下探測(cè)能力的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)通常由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、高精度定位與姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、信號(hào)處理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。其中，激光器作為光源，負(fù)責(zé)產(chǎn)生激光脈沖，通常采用技術(shù)成熟的Nd：YAG激光器，同時(shí)輸出532 nm和1 064 nm雙波長激光脈沖，前者用于穿透海水形成水下目標(biāo)的回波，后者用于形成海水表面的回波；光學(xué)系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)射激光脈沖并接收反射回的光信號(hào)，它通常包括透鏡、分束器、反射鏡等光學(xué)元件，以實(shí)現(xiàn)激光的聚焦、發(fā)射和接收；探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，常用的探測(cè)器類型包括光電二極管、雪崩光電二極管（APD）和光電倍增管（PMT）等；信號(hào)處理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)首先對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和采樣等處理，然后對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，包括目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤、分類等功能；高精度定位與姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)量激光雷達(dá)的位置和姿態(tài)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)位置的精確解算。

1.2 發(fā)展歷程

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)自20世紀(jì)60年代起步，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已取得顯著進(jìn)步。其發(fā)展歷程可大致劃分為3個(gè)階段：

第1階段：初創(chuàng)期（20世紀(jì)60–80年代）。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)剛剛興起，主要采用固體激光器和鏡面轉(zhuǎn)向裝置，最大探測(cè)范圍僅為200～500 m，圖像分辨率較低。這一階段為機(jī)載激光雷達(dá)的基本原理奠定了基礎(chǔ)。

第2階段：發(fā)展期（20世紀(jì)末–21世紀(jì)初）。伴隨新型激光器、光電探測(cè)器及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)得以迅速發(fā)展。具備掃描、定位及高速數(shù)據(jù)記錄功能的測(cè)深系統(tǒng)不僅能夠進(jìn)行測(cè)深，還可繪制海底地形。這一階段實(shí)現(xiàn)了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的飛躍。

第3階段：成熟期（21世紀(jì)后）。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)不斷優(yōu)化，關(guān)鍵技術(shù)逐漸成熟。采用半導(dǎo)體泵浦Nd：YAG固體激光器和雙波長系統(tǒng)顯著提升了系統(tǒng)的探測(cè)能力，同時(shí)系統(tǒng)的體積、重量及能耗均得到一定程度的降低，機(jī)動(dòng)性和續(xù)航時(shí)間得以增強(qiáng)。此外，數(shù)字信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的融入顯著提高了系統(tǒng)的智能化水平。典型系統(tǒng)包括CZMIL SuperNova、HAWKEYE Ⅲ和LADS MAK Ⅲ等。在這一階段，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)逐漸走向成熟。

綜上，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展，探測(cè)性能不斷提高，技術(shù)不斷成熟和完善。當(dāng)前，機(jī)載激光雷達(dá)已成為水下目標(biāo)探測(cè)的重要手段，未來可望在更廣范圍內(nèi)得以應(yīng)用。

2 主流產(chǎn)品及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 美國“魔燈”

1988年“羅伯茨”號(hào)護(hù)衛(wèi)艦在波斯灣霍爾木茲海峽險(xiǎn)遭水雷擊沉后，美國開始研制“魔燈”機(jī)載激光水雷探測(cè)系統(tǒng)。1988年7月，“魔燈”原理樣機(jī)在海軍水面戰(zhàn)中心（Naval Surface Warfare Center）進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證技術(shù)可行性，但探測(cè)寬度有限[1]。1994年，美國財(cái)政部批準(zhǔn)3 320萬美元支持“魔燈”系統(tǒng)研制。卡曼公司研制成功“魔燈”改進(jìn)型，提高掃描寬度、搜索速率并增加自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別功能（ATR）。1996年12月7日，“魔燈”配置的SH-2G Lamps Mk I直升機(jī)（如圖1（a））投入使用[2]。

“魔燈”系統(tǒng)旨在探測(cè)淺水海域及水下淺層的錨雷和漂雷，具備自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別功能，能布放滅雷具并消除水雷，同時(shí)具有潛艇探測(cè)和水深測(cè)量功能。其工作原理如圖1（b）。

“魔燈”改進(jìn)型包括激光發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、圖像處理器和顯控臺(tái)。采用固體二極管泵浦的Nd：YAG激光器，輸出532 nm波長、10 ns脈沖寬度的激光脈沖。20 W激光器輸出脈沖能量為500 mJ，脈沖重復(fù)頻率為40 Hz。系統(tǒng)配備6個(gè)增強(qiáng)型CCD攝像機(jī)作為接收器，可同時(shí)探測(cè)不同深度的水雷目標(biāo)[3]。

2.2 美國ALMDS

美國的AN/AES-1機(jī)載激光探雷系統(tǒng)（Airborne Laser Mine Detection System，ALMDS）是“魔燈”系統(tǒng)的后續(xù)型，成為美國反水雷裝備的關(guān)鍵組成部分（如圖2）。其主要任務(wù)是快速檢測(cè)、分類和定位近海漂雷和錨雷，保障航母打擊群及遠(yuǎn)征打擊群的安全。此能力在沿海地區(qū)、狹窄海峽、關(guān)鍵區(qū)域及兩棲作戰(zhàn)目標(biāo)區(qū)顯得尤為重要[4]。

圖2 機(jī)載激光探雷系統(tǒng)Fig.2 ALMDS

1994年，美國國會(huì)批準(zhǔn)ALMDS計(jì)劃。2003年進(jìn)行場地試驗(yàn)，計(jì)劃裝備在MH-53E反水雷直升機(jī)；2005年進(jìn)入低速初始生產(chǎn)，與諾斯羅普·格魯曼公司簽約，將ALMDS裝備在MH-60S直升機(jī)，定型為AN/AES-1；2007年，首套ALMDS系統(tǒng)交付美國海軍；2012年完成作戰(zhàn)評(píng)估；2015年與水雷戰(zhàn)艦進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試；2016年實(shí)現(xiàn)初始作戰(zhàn)能力；2018年在“環(huán)太平洋–2018”軍演上展示了ALMDS系統(tǒng)[5-7]。

ALMDS系統(tǒng)集成于重371 kg、長2.7 m、直徑533 mm的吊艙，使用BRU-14/A炸彈架安裝在MH-60S直升機(jī)上。系統(tǒng)由脈沖激光器、條紋管成像接收器和數(shù)據(jù)處理單元組成。激光器采用Nd：YAG MOPA固態(tài)激光器，發(fā)射波長532 nm、單脈沖能量145 mJ、脈寬9 ns、束散角30°、重復(fù)頻率350 Hz的扇形藍(lán)綠激光束，探測(cè)水深3～60 m[8]。反射信號(hào)通過4套條紋管接收器和1臺(tái)機(jī)載攝像機(jī)獲取。接收器采集激光照射水下產(chǎn)生的多普勒頻移變化，定位水下目標(biāo)；攝像機(jī)記錄照射區(qū)域，獲得三維數(shù)字圖像。數(shù)據(jù)處理單元融合處理收件器和攝像機(jī)數(shù)據(jù)，基于圖像與多普勒分析，準(zhǔn)確識(shí)別水雷目標(biāo)，標(biāo)記位置與輪廓。

2.3 美國、加拿大SHOALS系列

SHOALS（Scanning Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey System）系列產(chǎn)品由加拿大Optech公司研制，已成為全球知名激光雷達(dá)海洋探測(cè)系統(tǒng)之一。Optech公司成立于1974年，專注激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)研發(fā)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于地形測(cè)量、海洋測(cè)量等領(lǐng)域[9]。

SHOALS系統(tǒng)始于1994年，歷經(jīng)SHOALS-200、SHOALS-400、SHOALS-1000和SHOALS-3000等版本升級(jí)。其中，SHOALS-1000于2003年交付日本海上保安廳，具備10 kHz地形測(cè)繪能力；SHOALS-3000（如圖3（a））于2006年交付美國海軍，激光測(cè)量速率提高至3 kHz。

圖3 Optech公司ALB系統(tǒng)樣圖Fig.3 ALB system from Optech company

為解決渾濁水域和淺水測(cè)量問題，2012年，Optech為美國軍方研發(fā)CZMIL（Coastal Zone Mapping and Imaging Lidar）系統(tǒng)。2015年，美國Teledyne Technologies收購了Optech[10]，創(chuàng)建了Teledyne Optech。2021年，Teledyne Optech推出CZMIL SuperNova系統(tǒng)（如圖3（b））具備卓越測(cè)深性能、極高綠色激光點(diǎn)密度和實(shí)時(shí)處理能力，適用于內(nèi)陸水環(huán)境、海岸帶和海岸線基礎(chǔ)測(cè)繪。

CZMIL SuperNova系統(tǒng)采用獨(dú)特的多通道接收器架構(gòu)，涵蓋1個(gè)紅外通道、1個(gè)深水通道以及多個(gè)淺水通道，分別負(fù)責(zé)陸地、水面、深水和淺水回波的探測(cè)。該系統(tǒng)整合了雙頻激光雷達(dá)（1 064 nm、532 nm）、高光譜成像儀和數(shù)字相機(jī)，實(shí)現(xiàn)一次飛行獲取多種數(shù)據(jù)。根據(jù)處理程度，數(shù)據(jù)處理分為4個(gè)層級(jí)：

L0（原始級(jí)），包含LiDAR、高光譜、數(shù)字相機(jī)原始數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，由飛行獲取。

L1（基礎(chǔ)級(jí)），包括LiDAR點(diǎn)云、高光譜正射影像和數(shù)字相機(jī)正射影像。

L2（成果級(jí)），基于L1，結(jié)合專業(yè)軟件處理，生成海陸地形、數(shù)字高程模型、水陸分類圖等。

L3（應(yīng)用級(jí)），以L1和L2為基礎(chǔ)，根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行數(shù)據(jù)融合生成應(yīng)用產(chǎn)品。CZMIL Nova系統(tǒng)在海岸帶及島礁調(diào)查中實(shí)現(xiàn)了多傳感器一體化，能夠滿足各種不同級(jí)別的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品需求。

2.4 中國上海光機(jī)所Mapper 5000

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所從1998年開始，先后研發(fā)了LADM-I、LADM-Ⅱ和Mapper 5000三代機(jī)載雙頻激光雷達(dá)，完成了從原理樣機(jī)階段到產(chǎn)品樣機(jī)階段的轉(zhuǎn)化[11]。系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化，提升性能與精度。這表明我國具備獨(dú)立研發(fā)淺海測(cè)繪機(jī)載雙頻激光雷達(dá)的能力，奠定了產(chǎn)品化技術(shù)基礎(chǔ)。

自1998–2002年，研制成功第一代機(jī)載雙頻激光雷達(dá)（LADM-I），在南海試驗(yàn)中成功獲取海底三維地形數(shù)據(jù)，最大實(shí)測(cè)深度50 m。采用半導(dǎo)體Nd：YAG全固態(tài)激光器技術(shù)，具有高效率、緊湊體積等優(yōu)點(diǎn)。自2001年起，中科院上海光機(jī)所與海洋測(cè)繪研究所聯(lián)合開發(fā)性能更先進(jìn)的機(jī)載海洋測(cè)深系統(tǒng)。2004年，研制成功第二代機(jī)載雙頻激光雷達(dá)（LADM-Ⅱ），實(shí)現(xiàn)測(cè)量能力、測(cè)點(diǎn)密度和位置精度的提升。采用1 kHz全固態(tài)激光器，脈沖重復(fù)頻率提升5倍；卵形掃描方式，搭配高精度IMU和DGPS提高精度。

2015年，研制成功的機(jī)載雙頻激光雷達(dá)工程樣機(jī)（Mapper 5000-S）在南海完成試驗(yàn)，獲得海陸一體化三維地形數(shù)據(jù)。2017年，完成Mapper 5000（如圖4）產(chǎn)品定型，優(yōu)化后的系統(tǒng)在南海獲得南海島礁的三維地形數(shù)據(jù)，最大實(shí)測(cè)深度達(dá)到51 m，最淺水深達(dá)到0.25 m，測(cè)深精度為0.23 m（統(tǒng)計(jì)水深范圍為7～45 m），水平位置精度為0.26 m，海洋測(cè)點(diǎn)密度為1.1 m×1.1 m，陸地測(cè)點(diǎn)密度為0.25 m×0.25 m。Mapper 5000系統(tǒng)包括6個(gè)模塊：位置和姿態(tài)系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、航空攝影系統(tǒng)、陸地測(cè)繪系統(tǒng)、海洋測(cè)繪系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。陸地測(cè)繪系統(tǒng)采用1 550 nm光纖激光器和高速波形采集卡；海洋測(cè)繪系統(tǒng)采用1 064 nm和532 nm雙波長固體激光器和高速波形采集卡。光路結(jié)構(gòu)采用同軸光路，進(jìn)行視場分光、波長分光和偏振分光[11]。

圖4 上海光機(jī)所Mapper 5000系統(tǒng)Fig.4 Mapper 5000 system from Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics

2.5 其他國家主流產(chǎn)品

目前，除本文已經(jīng)介紹的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)之外，較為先進(jìn)的機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)還有瑞典AHAB公司的HAWKEYE Ⅲ和澳大利亞FUGRO公司的LADS MAK Ⅲ[12]。

HAWKEYE Ⅲ是瑞典AHAB公司在HAWKEYEⅡ和蝙蝠系統(tǒng)基礎(chǔ)上于2013年下半年推出的新一代機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有淺水模塊和深水模塊，測(cè)量頻率分別為35 kHz和10 kHz，最大測(cè)深分別為15 m和50 m；最淺測(cè)深為0.4 m，測(cè)深精度、水平精度、掃描角度和掃描寬度與CZMIL一致。系統(tǒng)重量不超過200 kg。HAWKEYE Ⅲ系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)和功能設(shè)計(jì)以CZMIL為目標(biāo)，其深水激光模塊與CZMIL系統(tǒng)具有相同的探測(cè)深度、精度和分辨率。采用橢圓形掃描方式，同時(shí)具備深水模塊、淺水模塊和陸地模塊，插件式結(jié)構(gòu)可同時(shí)或分開獨(dú)立使用，實(shí)現(xiàn)海陸一體化、無縫測(cè)量。

澳大利亞FUGRO公司自1992年開始研發(fā)激光測(cè)深設(shè)備，并完成了數(shù)百個(gè)項(xiàng)目。LADS MK Ⅲ是其最新研發(fā)的商用系統(tǒng)，主要技術(shù)參數(shù)包括：測(cè)量頻率為1.5 kHz，最淺深度為0.4 m，最大深度為80 m，水平精度優(yōu)于5 m，測(cè)深精度優(yōu)于0.5 m。LADS MK Ⅲ采用直線掃描方式。值得注意的是，F(xiàn)UGRO公司的機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)采用水陸分開設(shè)計(jì)和使用，LADS MK Ⅲ系統(tǒng)僅用于水下探測(cè)。若要實(shí)現(xiàn)海陸一體化測(cè)量，需與其陸地激光測(cè)量系統(tǒng)同步使用，因此該公司的產(chǎn)品需搭載具有2個(gè)觀測(cè)窗口的飛機(jī)。

2.6 發(fā)展趨勢(shì)分析

從主流機(jī)載激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展歷程來看，以下幾個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步將對(duì)未來機(jī)載激光雷達(dá)水下探測(cè)技術(shù)產(chǎn)生重大影響。

1）激光器技術(shù)的進(jìn)步：固態(tài)激光器、光纖激光器以及半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域的創(chuàng)新使得測(cè)量精度和探測(cè)范圍得到更大程度的提高。具有高功率、短脈沖和窄線寬特性的激光器有望進(jìn)一步提升系統(tǒng)的分辨率和探測(cè)深度。

2）高性能水下光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)化、制造工藝的改進(jìn)以及新型光學(xué)材料的研發(fā)將使未來水下光學(xué)系統(tǒng)具備更高的成像質(zhì)量、更大的視場以及更強(qiáng)的抵抗環(huán)境干擾能力。

3）自主識(shí)別與分類技術(shù)普及：深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)以及計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展將促使特征提取、目標(biāo)檢測(cè)和分類算法得到改進(jìn)，從而提升系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。

3 淺水小目標(biāo)探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

盡管淺水小目標(biāo)探測(cè)在近年來的研究中已取得了一定的成果，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨著一系列挑戰(zhàn)。首先，當(dāng)前水平分辨率和測(cè)點(diǎn)密度不足，普遍在2 m×2 m左右，而針對(duì)水雷等小目標(biāo)探測(cè)需要，分辨率應(yīng)提高至厘米級(jí)，為后續(xù)的目標(biāo)識(shí)別提供數(shù)據(jù)支撐。此外，近岸區(qū)域是淺水小目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵區(qū)域，系統(tǒng)測(cè)量深度受渾濁水體影響較大，但至少應(yīng)滿足30 m的測(cè)深范圍實(shí)際需求。測(cè)量效率和單次飛行覆蓋范圍也有待提高，探測(cè)寬度應(yīng)覆蓋300 m以上，即在400～500 m飛行高度時(shí)滿足0.7倍高度的覆蓋范圍。在小目標(biāo)自主識(shí)別方面，探測(cè)概率應(yīng)達(dá)到95%，虛警率應(yīng)不大于20%。最后，系統(tǒng)需進(jìn)一步的輕小型化，以滿足無人機(jī)平臺(tái)適裝要求。針對(duì)上述挑戰(zhàn)和不足，有必要發(fā)展一系列關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 高功率密度激光技術(shù)

激光器的性能直接影響到系統(tǒng)的測(cè)量精度和探測(cè)范圍。高功率激光器可以產(chǎn)生更強(qiáng)的光信號(hào)，有助于提高探測(cè)距離和目標(biāo)反射信號(hào)的強(qiáng)度。目前，固體激光器[13]和半導(dǎo)體激光器[14]都在高功率激光器研發(fā)中取得了顯著成果。通過提高激光器的輸出功率，可以增加系統(tǒng)的探測(cè)深度和目標(biāo)反射信號(hào)的信噪比，從而提高系統(tǒng)的性能。短脈沖激光器[15]可以產(chǎn)生更短的光脈沖，有助于提高系統(tǒng)的時(shí)間分辨率和空間分辨率。同時(shí)，短脈沖激光器在水下探測(cè)中可以減小水體對(duì)光的吸收和散射影響，提高探測(cè)效果。此外，應(yīng)采用更加先進(jìn)的激光器技術(shù)，在海水透過窗口內(nèi)輸出更多的波長，獲取更加豐富的光譜剖面信息。

單光子激光雷達(dá)（Single-Photon Lidar，SPL）是一種高靈敏度的光學(xué)測(cè)距技術(shù)。與傳統(tǒng)的激光雷達(dá)相比，單光子激光雷達(dá)采用單光子探測(cè)器，如蓋革模式（Geiger Mode）的雪崩光電二極管，能夠在極低光子數(shù)量的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的距離測(cè)量。這使得單光子激光雷達(dá)在探測(cè)距離、分辨率和速度等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。但是在光照強(qiáng)度較高時(shí)，單光子激光雷達(dá)容易受到日光散射的干擾，影響測(cè)量精度。2015年和2019年，英國赫里瓦特大學(xué)利用掃描成像和面陣凝視成像技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)對(duì)水下微弱回波信號(hào)的檢測(cè)能力[16-17]。單光子激光雷達(dá)目前處于技術(shù)快速發(fā)展階段，其成像能力和探測(cè)距離優(yōu)勢(shì)同樣適用于水下探測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 高性能光學(xué)系統(tǒng)

水下光學(xué)系統(tǒng)負(fù)責(zé)光信號(hào)的傳輸、成像和處理。高性能水下成像系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高分辨率、高信噪比和高動(dòng)態(tài)范圍成像的關(guān)鍵。通過優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)和制造工藝，提高水下成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量和視場范圍。另外，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在水下探測(cè)中的應(yīng)用也將有助于提高成像性能。水下光學(xué)系統(tǒng)需要具備良好的抗環(huán)境干擾能力，以應(yīng)對(duì)水體中的浮游物、懸浮顆粒等對(duì)光信號(hào)的影響。采用多波長激光器、偏振光學(xué)技術(shù)和空間濾波等方法，可以有效降低環(huán)境干擾對(duì)成像質(zhì)量的影響，提高系統(tǒng)的探測(cè)性能[18-20]。在水下光學(xué)成像過程中，水體對(duì)光信號(hào)的吸收和散射會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量下降。采用壓縮感知技術(shù)[21]和深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行圖像重建與降噪，可以大幅提升成像質(zhì)量。通過對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，可以提高淺水小目標(biāo)的可識(shí)別性和可檢測(cè)性。

3.3 自主識(shí)別及精確定位技術(shù)

自主識(shí)別與分類技術(shù)可以提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性，將輔助操作人員從高強(qiáng)度的人工標(biāo)注識(shí)別目標(biāo)的工作中解放出來，并提高目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確率。機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方法的研究為小目標(biāo)識(shí)別與分類提供了有力支持。特征提取是識(shí)別和分類的基礎(chǔ)。通過對(duì)水下目標(biāo)的形狀、紋理、光譜等特征進(jìn)行提取，可以構(gòu)建目標(biāo)的特征描述。針對(duì)淺水小目標(biāo)，需要研究高效且魯棒的特征提取方法，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的水下環(huán)境和目標(biāo)變化。目標(biāo)檢測(cè)是識(shí)別與分類的前提。在淺水小目標(biāo)探測(cè)中，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)。采用深度學(xué)習(xí)方法，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN），可以有效提高目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性[22-23]。分類算法的研究是提高自主識(shí)別性能的關(guān)鍵。針對(duì)淺水小目標(biāo)，需要研究高效且魯棒的分類算法。支持向量機(jī)（SVM）[24]和隨機(jī)森林（RF）[25]等都在目標(biāo)分類中取得了顯著成果。另外，對(duì)于機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)生成的三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還可以采用專門針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的PointNet[26]和PointNet++[27]深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，可以直接對(duì)輸入的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和分割，自動(dòng)學(xué)習(xí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征表示，無需顯式地提取特征。通過對(duì)這些算法的研究和優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高淺水小目標(biāo)探測(cè)的識(shí)別與分類性能。

水下目標(biāo)精確定位是后續(xù)小目標(biāo)處置環(huán)節(jié)的前提條件，其原理主要依賴于測(cè)量激光束在水中的往返時(shí)間與掃描角度，結(jié)合機(jī)載平臺(tái)的位置和姿態(tài)信息以計(jì)算目標(biāo)的絕對(duì)地理位置。為提升水下目標(biāo)定位系統(tǒng)的整體性能，有必要在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上構(gòu)建定位計(jì)算模型，分析各組成部分的誤差傳遞，對(duì)定位模型及誤差校正方法進(jìn)行深入研究與優(yōu)化。江月松探討了機(jī)載GPS、姿態(tài)測(cè)量和激光掃描測(cè)距三維遙感集成定位系統(tǒng)的定位模式，提出了精確定位方程[28]；俞家勇等分析了視準(zhǔn)軸誤差對(duì)掃描系統(tǒng)定位精度的影響[29]。

3.4 輕小型化技術(shù)

通過對(duì)激光器、光學(xué)系統(tǒng)和傳感器等器件的技術(shù)研究和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)器件的小型化[30]。采用微光機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)和集成光子學(xué)技術(shù)等先進(jìn)制造方法，可以降低器件的尺寸和重量，提高系統(tǒng)的便攜性。

系統(tǒng)集成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)載激光雷達(dá)水下探測(cè)系統(tǒng)輕小型化的關(guān)鍵。針對(duì)淺水小目標(biāo)探測(cè)，需要研究高效且緊湊的系統(tǒng)集成方案。通過優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成和高度集成，降低系統(tǒng)的尺寸和重量。在實(shí)現(xiàn)輕小型化的同時(shí)，需要關(guān)注系統(tǒng)的能耗。通過對(duì)激光器、光學(xué)系統(tǒng)和傳感器等器件的技術(shù)研究和優(yōu)化，降低系統(tǒng)的能耗。采用低功耗器件和能源管理技術(shù)，可以延長系統(tǒng)的工作時(shí)間，提高系統(tǒng)的實(shí)用性。

4 結(jié)束語

近年來，機(jī)載激光雷達(dá)水下探測(cè)技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。然而，在淺水水雷小目標(biāo)探測(cè)任務(wù)方面，仍然存在諸多挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。為了進(jìn)一步提高淺水水雷探測(cè)的實(shí)用性和探測(cè)能力，研究人員需要不斷探索新的方法和技術(shù)。這些探索包括開發(fā)新型高性能激光器和光學(xué)系統(tǒng)，以提高光束質(zhì)量和探測(cè)范圍；結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，提升小目標(biāo)識(shí)別與分類的準(zhǔn)確性；優(yōu)化定位模型并校正誤差，持續(xù)提高小目標(biāo)的定位精度。

總之，本文系統(tǒng)地回顧了機(jī)載激光雷達(dá)水下目標(biāo)探測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，為相關(guān)領(lǐng)域的研究者和工程師提供了理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考。隨著科技的進(jìn)步和研究的深入，機(jī)載激光雷達(dá)水下探測(cè)技術(shù)將不斷發(fā)展，為國家水下安全做出更大的貢獻(xiàn)。