使用具有可定制纵向强度的空间花瓣状结构光束实现抗衰减的水下光学测距

更清晰的水下视野

清晰的水下图像和精确的距离测量对于打捞沉船、检查海上基础设施或引导水下机器人等任务至关重要。但充满颗粒的浑浊水会散射光线，导致激光信号迅速衰减并在近距离使探测器失明。本研究提出了一种新型精心形状化的光束，它能在传播过程中保持有用信号的强度，从而在水体浑浊时也能更容易地“看见”和测量水下目标。

为什么普通光束在浑浊水中表现不佳

传统的水下激光测距系统通过计时光线往返目标所用的时间或分析频率调制来测距。在清水中这类方法可以非常精确，但在浑浊水中散射光会在时间和空间上扩散，模糊信号并降低对比度。简单地增加激光功率并非万无一失：近距离目标可能会使探测器饱和，而远处目标仍然过于微弱。此外，探测器有有限的“动态范围”——它们无法可靠测量近远目标亮度差异过大的信号。

用旋转光模式来测量距离

研究人员基于另一种思路：将距离信息编码到光束的形状中，而不仅仅依赖时间。所用光束的横截面呈现两个明亮的“花瓣”状。随着这种结构化光束的传播，花瓣图案会缓慢旋转。通过测量光束往返目标后花瓣的旋转角度，就可以像读刻度盘一样推断距离。早期的这种技术仅结合了两种特殊的光束分量，虽然能产生旋转的花瓣图案，但大量能量却留在对有用中心信号贡献不大的暗弱外环上。

将被浪费的光回收到有用的中心

本项工作的核心进展是设计出一种新的“抗衰减”花瓣状光束，它在传播过程中有意将外环的能量转移到中心花瓣区域。研究团队不再只使用两个构件，而是将许多相关的光束分量组合在一起，每个分量具有略微不同的纵向特性。通过精心选择它们的相对强度与相位——类似于通过混合多种音调来设计声音波形——这些分量在选定的距离范围内在光束中心发生相长干涉。实质上，随着光束传播，中间的明亮花瓣在边瓣能量的代偿下变得更强，从而在一定程度上抵消了水中散射造成的天然损失。

根据水体调整光束

作者引入了一个设计参数，用来设定中心花瓣强度随距离增长的快慢。该参数可以根据水体的散射强度进行调节。在实验中，他们在一个装有可控浑浊度（通过微小颗粒调节）的0.5米水槽中产生了此类光束，随后测量了中心花瓣区域保留的功率以及距离恢复的精度。与早期的双分量光束相比，这种多分量设计在0.4米处能将中心花瓣功率提升约13分贝——超过十倍的增加。在相同条件下，新光束在0.4米范围内将平均测距误差保持在5毫米以下，而传统光束在0.25米之外便失效，误差超过80毫米。

应对摄像机和探测器的现实限制

由于新光束是在路径上重新塑形而不是简单地在各处变暗，它有助于在有限的探测器动态范围内工作。在相同起始功率下，多分量光束的中心花瓣随距离逐渐变亮，因此近处目标不会使相机饱和，而远处目标仍能返回可检测的信号。将三种方法（新光束、传统双分量光束和另一种修改角向结构的先进设计）进行比较的测试表明，只有新方法能够在强烈散射的水体中在所有测试距离上保持花瓣图案的可见性和可测量性，同时不造成近场饱和或远场消失。

这对未来水下感测意味着什么

对非专业读者而言，核心信息是作者找到了将通常在光束边缘浪费的能量“回收”并转移到真正承载有用距离信息的部分的方法。他们不是简单地提高激光功率，而是重新分配沿路径的光能分布，使中心信号在更宽的距离范围内保持强度，即使在浑浊水中也是如此。这一概念最终可能帮助水下航行器、检测工具和科学仪器更可靠地测距，也可能被调整用于雾或空气中的灰尘等其它朦胧环境，而无需更强大或更脆弱的硬件。

引用: 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

关键词: 水下激光雷达, 结构光, 光学测距, 浑浊水体, 贝塞尔光束