Устойчивое к затуханию подводное оптическое дальнометрирование с использованием пространственно «лепесткового» пучка со задаваемым продольным распределением интенсивности

Более чёткое подводное зрение

Чёткие подводные изображения и точные измерения расстояний важны для задач вроде изучения затонувших кораблей, инспекции морских сооружений или управления подводными роботами. Но мутная вода, насыщенная частицами, рассеивает свет, быстро ослабляя лазерные сигналы и «слепя» детекторы на близком расстоянии. В этом исследовании предлагается новый тип специально сформированного светового пучка, который сохраняет полезный сигнал сильным на дальности, облегчая «видение» и измерение объектов под водой, даже когда вода помутнела.

Почему обычный свет испытывает трудности в мутной воде

Традиционные подводные системы лазерного дальнометрирования работают, измеряя время, за которое свет проходит до объекта и возвращается, или анализируя частотную модуляцию. В чистой воде это может быть очень точно, но в турбидной воде рассеянный свет распространяется во времени и пространстве, размывая сигнал и снижая контраст. Увеличение мощности лазера для увеличения дальности — не простое решение: близкие цели могут затем перегрузить детектор, а дальние объекты по‑прежнему будут казаться слишком слабыми. Кроме того, у детекторов ограниченный «динамический диапазон» — они не способны надёжно измерять сигналы с очень большой разницей в яркости между близкими и дальними объектами.

Использование вращающихся световых рисунков для измерения расстояния

Исследователи опираются на иную идею: кодировать расстояние в форме светового пучка, а не только во времени. Они используют пучок, поперечное сечение которого похоже на два ярких лепестка. По мере распространения этот структурированный пучок медленно вращает лепестковый узор. Измеряя угол поворота после прохождения пучком до цели и обратно, можно определить расстояние, подобно шкале с циферблатом. Ранние версии этой техники комбинировали всего два специальных компонента пучка, что создаёт вращающийся лепестковый узор, но при этом большая часть энергии остаётся во внешних, слабо заметных кольцах, не вносящих вклад в полезный центральный сигнал.

Перераспределение «потерянного» света в полезный центр

Ключевое достижение этой работы — разработка нового «устойчивого к затуханию» лепесткового пучка, который намеренно перемещает энергию из внешних колец в центральную лепестковую область по мере распространения. Вместо использования всего двух составляющих команда комбинирует множество родственных компонентов пучка, каждый со слегка отличающимся продольным свойством. Тщательно подбирая их относительные амплитуды и фазы — по аналогии с синтезом звуковой волны из многих тонов — они добиваются конструктивной интерференции в центре пучка на выбранном диапазоне расстояний. Фактически, по мере распространения центральные яркие лепестки усиливаются за счёт боковых лепестков, частично компенсируя естественные потери, вызванные рассеянием в воде.

Настройка пучка под характеристики воды

Авторы вводят параметр проектирования, который задаёт, насколько быстро интенсивность центрального лепестка увеличивается с расстоянием. Этот параметр можно отрегулировать в зависимости от силы рассеяния воды. В экспериментах они генерировали такие пучки в баке длиной 0,5 метра, заполненном водой с регулируемой мутностью с помощью микроскопических частиц. Затем измеряли, какая доля мощности оставалась в центральной лепестковой области и насколько точно можно было восстановить расстояние. По сравнению с ранним двухкомпонентным пучком, новая многокомпонентная конструкция увеличивала мощность в центре лепестка до примерно 13 децибел — то есть более чем в десять раз — на расстоянии 0,4 метра в турбидной воде. При тех же условиях новый пучок поддерживал среднюю ошибку измерения расстояния ниже 5 миллиметров на протяжении 0,4 метра, тогда как обычный пучок переставал работать за пределами 0,25 метра и показывал ошибки свыше 80 миллиметров.

Учет реальных ограничений камер и детекторов

Поскольку новый пучок перестраивается вдоль пути, а не просто затемняется повсеместно, он помогает укладываться в ограниченный динамический диапазон реальных детекторов. При одинаковой начальной мощности центральный лепесток многокомпонентного пучка плавно становится ярче с расстоянием, поэтому близкие объекты не насыщают камеру, а дальние всё ещё дают обнаружимый сигнал. Тесты трёх подходов — нового пучка, традиционного двухкомпонентного и ещё одной продвинутой схемы, меняющей угловую структуру — показали, что только новый метод сумел сохранить видимость и измеримость лепесткового рисунка на всех проверенных расстояниях в сильно рассеивающей воде, не вызывая насыщения в ближней зоне и исчезновения в дальней.

Что это означает для будущих подводных сенсоров

Для неспециалиста ключевая мысль такова: авторы нашли способ «переработать» свет, который обычно теряется на краях пучка, и перенести его в ту часть, которая реально несёт полезную информацию о расстоянии. Вместо простого увеличения мощности лазера они меняют распределение света вдоль пути, чтобы центральный сигнал оставался сильным на большем диапазоне расстояний, даже в мутной воде. Эта концепция может в дальнейшем помочь подводным аппаратам, средствам инспекции и научным инструментам надёжнее измерять расстояния и может быть адаптирована для других запылённых или туманных сред, например для тумана или пыли в воздухе, без необходимости в более мощном или более хрупком оборудовании.

Цитирование: Wang, Y., Duan, Y., Zeng, R. et al. Attenuation-resilient underwater optical ranging using a spatially petal-like structured beam with tailorable longitudinal intensity. Commun Phys 9, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02515-9

Ключевые слова: подводный лидар, структурированный свет, оптическое дальнометрирование, мутная вода, пучок Бесселя