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为什么以及如何使用绿光发射 LiDAR 捕获水下地形

作者： Bonnie Baker 2022-12-15

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工程

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半导体与开发工具

LiDAR 在 3D 汽车感测、地形测绘和空间探索圈讨论得很广泛。勘探地球边界的最终前沿是开发用于探索水下地形结构的工具。借助这样的工具，工程师们可以勘查澳大利亚的大堡礁、确定湖泊或池塘的水深、探测水下的物理障碍物，以及确定水质。

工程师们将这种勘查过程称为测深法，通常使用无人机来携带仪器。但是，典型的 LiDAR 系统中使用的标准红外 (IR) 光会从水面反弹回来。因此，来自这些无人机的红外光永远不会“看到”下面的东西。

这并不是说工程师们没有办法窥探水中面貌并确定水面下的结构。声学多普勒流速剖面仪 (ADCP) 通过发射从水中的沉积物和其他物质反射的声波来测量水流。Ecomaper 自主水下航行器可收集的轮廓测深数据精度低至一英尺。

这些受限的技术可以达到其目的，但如果使用正确的发射器波长，基于无人机的 LiDAR 感应机有可能深入水中并获得可靠的结果。

LiDAR 工作原理及如何穿透水

LiDAR 系统测量光学数字脉冲串信号的飞行时间 (ToF)。电子器件捕获信号离开的瞬间，然后等待信号从物体上反弹回来。LiDAR 系统使用光电探测器和跨阻放大器 (TIA) 寻找信号边沿。

典型的长距离 LiDAR 设计可发射波长为 1,064 nm 的红外光，最大距离为 250 m，并计算反射时间以确定距离和物体轮廓。这对于陆基地形测绘很有效。

在典型的测深实现中，慢速飞行的飞机（或无人机）实际上在机翼下吊舱中有两个 LiDAR 系统。一个系统配备用于经典地形测量的红外 (IR) 发射器；另一个具有绿光发射器，这就引出了一个问题，“为什么？”

事实证明，波长较短的光具有更好的水面穿透力；水会迅速吸收 1,064 nm 处的红外光。对于绿光 LiDAR，532 nm 的波长和 500 Hz 的脉冲频率在提供水深数据方面表现出色。借助绿色 LED 光源，当水清澈时，水的穿透深度将达到 30 m（图 1）。

图 1：这种测深仪设计使用 LiDAR 电路，其中一个绿色 LED 设置为 10° 角，以适应折射并穿透水面至 30 m 的深度。（图片来源：Bonnie Baker）

图 1 所示的测深仪光电传感电路使用 Analog Devices 的 AD8652ARZ，这是一款 50 MHz 的精密、低失真、低噪声 CMOS 放大器。AD8652ARZ 的带宽非常符合该电路的要求，并且具有 5 nV/√Hz 的低噪声规格。

Analog Devices 的光电二极管电路设计向导工具可帮助设计 LiDAR 的跨阻放大器 (TIA) 电路（图 2）。

图 2：Analog Devices 的光电二极管电路设计向导为 TIA 提供了适当的电路，并协助选择光电探测器及外部反馈电阻器和电容器。（图片来源：Analog Devices 的光电二极管电路设计向导）

此工具提供了一个灵活的界面，可供轻松生成该电路。所选规格的目标带宽为 2 MHz，为电路产生的脉冲提供了足够的空间。

结语

虽然配备红外发射器的 LiDAR 系统非常适合地形测量，但红外光却无法穿透水。因此，引入了绿光发射 LiDAR 解决方案。绿光发射器的波长使其可以轻松穿透平静、清澈的水面，最深可达 30 m。

如上所述，借助 Analog Devices 的 AD8655 放大器和该公司的光电二极管电路设计向导，设计人员可以快速启动透水 LiDAR 测深系统的开发。

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关于此作者

Bonnie Baker 是一位经验丰富的模拟、混合信号、信号链专家和电子工程师。Baker 撰写并在多家行业刊物上发表了数百篇技术文章、EDN 专栏和产品专题。她曾撰写“A Baker's Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers”并与他人合著多本其他书籍，与此同时她还在 Burr-Brown、Microchip Technology、Texas Instruments 和 Maxim Integrated 担任设计师、建模和战略营销工程师。Baker 拥有亚利桑那大学图森分校的电子工程硕士学位，以及北亚利桑那大学（亚利桑那州弗拉格斯塔夫）的音乐教育学士学位。她曾策划、编写和讲授过各种工程主题的在线课程，包括 ADC、DAC、运算放大器、仪表放大器、SPICE 和 IBIS 建模。