基于高光谱激光雷达的水下真彩色三维成像可行性研究

为解决水下高光谱激光雷达(HSL)因水体波长选择性衰减导致的色彩失真问题，研究人员提出水下目标光谱辐射校正(UWSRC)方法，通过激光测距数据精确计算水体光谱透射率，实现水下目标三维点云的真彩色重建。实验表明该方法在浑浊水域中显著提升色彩保真度，测距精度达毫米级，为水下探测提供了创新技术方案。

　　

海洋探索中，水下目标的精确三维成像一直是技术难点。传统单波长激光雷达(LiDAR)虽具有毫米级测距精度，却无法获取目标的光谱信息；而被动光学成像技术虽能记录色彩，却因水体对光的吸收和散射导致严重色偏，且无法精确测量目标距离。近年来，高光谱激光雷达(HSL)因其能同步获取目标空间结构和光谱特征的优势，成为水下探测的新方向。然而，水体对不同波长激光的选择性衰减——例如在开放海域470-490nm激光穿透性最佳，而浑浊水域需560-580nm激光——使得直接获取的HSL数据色彩严重失真。如何基于HSL实现水下目标的真彩色三维重建，成为亟待解决的科学问题。

中国某研究机构团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表研究，提出水下光谱辐射校正(UWSRC)方法。该方法利用HSL独有的逐点测距能力，假设激光传输路径上水体透射率一致，通过测距数据反演各点水体光谱透射率τ_w(λ,L_w)，进而校正目标光谱反射率ρ_T(λ)，最终实现三维点云的真彩色重建。关键技术包括：搭建脉冲超连续谱激光(SCL)光源系统，采用雪崩光电二极管(APD)同步获取飞行时间(TOF)和光谱数据；建立水体衰减与传输距离的数学模型；通过聚四氟乙烯(PTFE)白板标定实现辐射校正。

UWSRC与真彩色重建
实验使用光谱范围450-700nm的HSL系统，在浑浊水域中对标准色卡进行成像。未校正时，距离增加导致不同波长信号衰减差异显著（如550nm处透射率从1m处的78%降至3m处的42%）。经UWSRC校正后，重建色卡颜色的平均色差ΔE从21.3降至3.8，达到人眼视觉可接受的色彩保真度。

实验验证
团队构建虚拟主动HSL系统模拟不同水质环境。结果显示，在衰减系数c(550nm)=0.8m^-1的浑浊水中，校正后点云色彩与实物视觉一致性达92%，测距误差小于2mm。该方法对水体光谱特性变化具有鲁棒性，仅需实时测量水体透射率τ_w(λ)即可适应不同水域条件。

结论与意义
该研究首次实现基于HSL的水下真彩色三维成像，突破传统技术无法兼顾精确测距与色彩还原的瓶颈。UWSRC方法的创新性在于将LiDAR的几何探测优势与光谱校正结合，为海底资源勘探、沉船考古等需要精确色彩辨识的应用提供新工具。未来可通过集成在线水质监测设备，实现复杂环境的自适应校正。

研究由Yicheng Wang等完成，得到国家自然科学基金(62201597, 62205372)支持。这项工作不仅推动水下光学探测技术发展，也为大气、冰层等其他透射介质中的真彩色成像研究提供借鉴。