徐璐，刘霞霞，杨旭，张一嘉，吴龙
浙江理工大学信息学院
摘要：由于受激光脉冲宽度的限制，传统激光雷达无法实现几十厘米的浅水层测量。文中设计了一个双Gm-APD光子计数偏振激光雷达系统，采用宽脉冲获取薄浅水层的高精度距离像。浅水层的表面光滑，能够保偏；底面粗糙，将发生退偏。根据该偏振现象，通过发射水平线偏振光，接收系统中采用一个偏振分光棱镜将前后表面信号光分离，然后分别被两个Gm-APD探测。该系统不受信号光的脉冲宽度限制，并充分利用Gm-APD的死时间机制，针对超薄浅水层实现三维深度测量。利用基于穆勒矩阵和斯托克斯参量表示的偏振传输原理，理论分析了双Gm-APD偏振激光雷达的分光原理。采用信号复原质心算法抑制距离漂移误差获取高精度距离信息。对于深度从4.5cm变化到8 cm渐变的薄浅水层，底面覆盖了黑、白沙子，探测距离为5 m，在实验上采用6 ns激光脉冲获取了薄浅水层的高精度距离像，测距精度为0.8 cm，有效验证了方案的可行性。该方案能够为机载海洋测绘激光雷达的浅水层测量提供一定借鉴。
关键词：激光雷达；光子计数；距离像；偏振；距离漂移误差
偏振是一种光的基本属性，反射光的偏振状态包含了目标和背景的复杂信息，可以增强目标和背景的对比度，实现目标识别。在一些特殊的场景，例如海洋测绘中，需要测量海水的深度，此时，海水表面和底面的偏振特性完全相反。要实现十几厘米~几十厘米厚度浅水层的测量，一般采用 ps 量级的窄脉冲，ps 量级响应时间的探测器和高精度的 AD 转换电路，所有这些都将极大增加系统成本。研究者发现，由于浅水层的表面和水体很光滑，它们具有很好的保偏特性，并且，由于底面存在着沙子等粗糙物体，会发生较强的退偏现象。如果浅水层的水面和底面的回波信号能够在空间上进行分离，然后再分别进行探测，那么，浅水层的深度测量将不再受到激光脉宽的约束。2010 年，Mitchell 等人提出通过发射水平或竖直线偏振光，在接收光学系统中加入 1/4 波片和偏振片，实现两个回波信号的分离探测，突破了激光脉冲宽度的限制。唯一不足之处是无法同时探测两个信号。文中将在此基础上，提出在接收光学系统中采用偏振分光棱镜，实现浅水层前后两个信号的分离，并分别采用 Gm-APD 探测器接收，达到同时测量的目的。此时，激光器的成本将大大降低，并且 Gm-APD直接输出数字信号，无需 AD 转换电路。
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