科技前沿▏何赛灵等：小型高光谱图谱仪与激光雷达及其海洋应用
海洋约占了地球表面积的71%，蕴藏了丰富的生物资源、矿藏、油气资源等。人类对海洋资源的勘探和开采容易对其造成严重破坏，如油气开采过程造成的大面积溢油、污染和赤潮爆发等，对海洋生态环境、沿海养殖产业等造成严重的危害，并造成重大经济损失。
针对海上溢油的监测，遥感是目前最有效可靠的手段之一，主要有被动遥感技术和主动遥感技术。被动遥感技术主要有可见光遥感、红外遥感等，主动遥感技术有微波遥感、激光荧光遥感等。可见光遥感主要根据油膜和海水对可见光不同的反射特性来进行检测，严重依赖太阳辐射，无法在夜间工作。虽然可见光高光谱利用更加细分的谱段提高了溢油鉴别能力，但还是受环境影响较大，数据获取较难，目前的研究多是在实验室内进行；热红外技术根据溢油吸收太阳辐射后温度与海水不同来实现溢油的探测，但易受天然物体(沉积物、有机物等)的干扰，而且只能估算厚油膜的大致厚度，对薄油膜没有很好的效果；微波遥感主要利用合成孔径雷达(SAR)的遥感数据，但易受生物油膜、云雨层的类油膜信息的干扰，且无法有效估算油膜厚度；激光荧光遥感基于溢油中某些成分在蓝紫光的激光照射下会产生激光荧光和拉曼效应来鉴别分类油品，估算油膜厚度，而且由于其独特的荧光信号，可以很好的与其他杂物区分开，是目前较为有效的溢油监测手段，但激光荧光雷达往往体积较大、不易携带、成本较高。高光谱技术和激光荧光遥感结合，可以有效减小其他杂物的干扰，提高溢油的鉴别能力和油膜厚度估算能力。文中介绍的笔者研发的小型荧光高光谱成像系统[13]和非弹性高光谱沙姆激光雷达系统分别利用405nm和446nm的激光激发油品荧光并结合高光谱技术，实现了油品的鉴别分类和油膜厚度估算。
除了由于人类活动引发的溢油事故，赤潮等灾害也会对海洋生态环境造成严重危害，甚至会影响沿海核电站的取水系统，进而影响核电站正常工作。遥感也是监测赤潮的有效手段，前面所述用于溢油的监测手段大部分都能应用于赤潮的监测。例如Stumpf等使用SeaWiFS卫星的彩色图像和原位数据开展了对墨西哥湾的有害藻华(HABs)进行了监测研究，但卫星遥感易受云层干扰，且采样频率低。赤潮爆发期间，由于浮游植物的大量繁殖，而浮游植物体内含有叶绿素，在激光的激发下，叶绿素呈现荧光特性(685nm附近)，这使得高光谱和激光荧光在赤潮监测有独特的优势，基于荧光光谱可以观测浮游植物群落的空间分布和生理状态等。笔者的荧光高光谱成像系统和非弹性高光谱沙姆激光雷达系统利用荧光遥感和高光谱技术，在监测浮游动植物具有很大的潜力。多模式高光谱海洋原位探测系统可以对多种致灾藻类及其在海洋底部的孢囊等进行探测。
此外，海洋中的珊瑚礁生态系统被称为“海底热带雨林”，栖息了1/4以上的海洋鱼类，物种极其丰富。激光雷达三维重构技术可以通过对珊瑚礁进行三维形貌重构，辅助分析珊瑚的生长状态。笔者的沙姆激光形貌系统对人体、贝壳和珊瑚等进行了三维形貌重构，在近处的恢复精度可达毫米级，该项技术还有望应用于海底地形的形貌探测。
一、小型高光谱成像系统
笔者的高光谱成像技术结合了高光谱探测和成像技术，通过推扫方式可以获取目标的二维空间信息的同时，还能获取对应的一维高光谱信息，形成目标的三维数据立方。针对成像光谱仪的分光器件，光栅相比棱镜有线性色散、色散能力强等优点，但常规的光栅分光后，后续的光学系统需要偏折角度，增大了加工的难度。棱镜-光栅-棱镜(Prism-Grating-Prism，PGP)的光路结构，可以使光路共轴，方便调试，且能一定程度减小系统的谱线弯曲情况。
PGP结构的成像光谱仪光路图如图1所示，从左到右依次为狭缝、准直透镜、PGP分光模块，聚焦透镜，光谱面(探测器)。成像镜头(图中未画出)将目标成像于狭缝上(即入瞳)，狭缝上只允许一条线区域的像通过，随后被准直透镜准直为平行光，入射到PGP结构的第一块楔形棱镜之上。楔形棱镜将光路偏折一定角度后入射于光栅上，光栅分光后再透过第二块楔形棱镜，将一级衍射的中心波长偏折回光轴，实现光路共轴。最后经过聚焦透镜，将不同波长(角度)的光聚焦于光谱面不同的位置，实现分光。
图1 PGP成像光谱仪光路示意图
⒈笔式成像光谱仪
基于PGP的分光结构，海南大学的蔡夫鸿和浙江大学的何赛灵团队开发了一种手持的、智能手机连接的笔式成像光谱仪(PLIS)，先后被OSA和PhotonicsNEWS报道。该笔式成像光谱仪原型为一个高通量、无线、低成本、便携的光学传感平台，重140g，直径3.1cm，长15.5cm，使用无线智能相机作为探测模块。该笔式成像光谱仪采用白色LED阵列灯作为光源，可以像用铅笔一样对待测物体进行光谱成像操作，光谱分辨率可达17nm，光谱范围为400～675nm，其结构及扫描方式如图2所示。笔者使用该笔式成像光谱仪对香蕉、猪肉和人手进行了光谱分析，其可以像铅笔一样拿在手里对物体进行扫描，光源采用白色LED阵列灯，以45°角对物体进行照明；物体(以人手为例)上的线状区域(黑点虚线表示)反射的光进入系统，在CMOS芯片上产生光谱图像，图中左侧为测得的皮肤反射率光谱。
图2 笔式成像光谱仪的示意图
基于所得光谱结果，可检测香蕉成熟程度、猪肉中的肌红蛋白以及人手中的血红蛋白含量。通过使用成像光谱仪对待测样品的手动扫描，在16s内可得到高信噪比的三维光谱图像数据立方体，与商用便携式成像光谱仪相比，笔式成像光谱仪系统成本较低(价格不到300美元)。
随后，笔者对上述笔式成像光谱仪进行改进，进一步将其减重为35g，光谱分辨率优化至7nm，并且成功地将这种新型便携式成像光谱仪与自拍杆、水下防水罩和无人机相结合，进行了遥感实验。如图3所示，为采用该笔式成像光谱仪对海洋致灾生物或海洋垃圾进行了高光谱成像，可以根据光谱信息判断其种类。图3(g)～(h)为船载该系统，在航行过程中拍摄防城港核电站的水体及远处景物的高光谱图像及其光谱，可以检测到水体中藻类的叶绿素吸收峰，通过这些数据，可以进一步分析得到水体中藻类生长情况，为藻类爆发提供预报信息。
图3 (a)贝壳、海螺等高光谱图像；(b)海星高光谱图像；(c)塑料水草与真水草高光谱图像(伪彩色处理)；(d) 塑料水草与真水草反射率光谱比较；(e)海洋垃圾高光谱图像；(f)海洋垃圾反射率光谱；(g)防城港水体及远处景物高光谱图像；(h)防城港水体反射率光谱
这种便携式成像光谱仪可在日常生活中获得较为准确的光谱图像，这也验证了在未来没有科学级仪器的帮助下，便携式遥感的工作潜力。
⒉荧光高光谱成像系统
荧光高光谱成像被广泛应用于生物学、食品安全和质量检测、医学等领域。一般来说，由于量子效率较高，荧光信号更容易被光源激发并被光电探测器检测到，从而能够降低检测系统的成本。笔者研发了一种基于PGP分光的快速高光谱扫描荧光成像系统，光谱范围为365～810nm，光谱分辨率可达1nm，一次快照可以在100ms内获得线性区域的空间和荧光光谱信息，通过对电动线性工作台的扫描，可以得到样品的荧光超立方体，其结构如图4所示。利用405nm的激发光激发样品荧光，通过对所获取的荧光超立方体进行处理分析，成功实现了奶粉中香兰素的定量分析，验证了荧光高光谱定量鉴别粉末的可行性。
图4 线扫描荧光成像系统原理图
随后，笔者自主设计机械结构，对荧光高光谱成像系统进一步改进与简化，采用了线光源代替振镜扫描，集成性地研发出了第一代荧光高光谱成像系统工程样机，如图5所示，图中，1为成像光谱仪，2为电动直线滑台，3为样品槽，4为线激光，5为样品槽，6为分光镜，7为宽带滤波片，8为透镜，9为狭缝，10为非球面消色差镜头，11为PGP分光原件，12为非球面消色差透镜，13为区域阵列互补金属氧化物半导体(CMOS)相机；该系统结构紧凑，体积小，易于搭载在位移平台等设备上。
图5 (a)荧光高光谱检测系统示意图；(b)高光谱探测系统的光路示意图；(c)笔者的高光谱探测系统实物图
图6中，笔者的系统使用功率为200mW的405nm线激光器作为激发源激发来自样品槽中不同油品的荧光信号，以获取油品的荧光高光谱信息。通过对三种原油及其混合物的荧光光谱进行主成分分析，实现了三种原油的鉴别分类，并进一步研究了油膜厚度与荧光高光谱强度之间的线性关系，其结果证明了利用荧光数据定量测量油膜厚度的可行性。
图6 (a)原油1和原油2混合样品在四个混合样品中原油的空间分布和不同区域的平均光谱的成像(伪彩色)；(b)原油1和原油3的混合样品；(c)原油2和原油3的混合样品；(d)原油1、2、3的混合样品；(e)平均厚度为100、200、300、400μm的油的厚度分布；(f)不同厚度油膜的光谱；(g)油膜厚度与光谱峰的荧光强度的拟合曲线
⒊多模式高光谱海洋原位探测系统
笔者在上节的荧光高光谱成像系统的基础上，对其进一步进行了改进与防水封装，搭建了多模式高光谱探测系统，并将其应用到了海洋生物的探测中。多模式是指该系统可以工作在普通(反射或透射)成像、望远成像和显微成像三种工作模式下。
图7(a)为经过防水封装的水下高光谱成像系统，外壳采用氧化发黑的铝合金材料，钢化玻璃作为光学窗口，外壳留有接口，接口采用军工级金属防水USB插头，具备IP67级防水水平，至少可以在水中防水24h以上。图7(b)为对五种不同的藻类进行高光谱探测得到光谱信息，其在670nm左右都有叶绿素的吸收峰，莱茵衣藻由于浓度较低，吸收峰不明显。角毛藻偏黄，在600～650nm反射较高；小球藻偏绿，在500～600nm反射偏高。棕囊藻与角毛藻比较类似，较难直接分辨，但与其他三种在谱线上有明显区别。图7(c)～(d)为对五种藻类的谱线经过PCA处理后得到的结果。由图7(c)可以得到，经过主成分分析处理后，根据PC1vsPC2，各藻有分类的潜力(棕囊藻完全可以与其他四种藻类区别开来)，只是集胞和角毛比较难分类。但由图7(d)可以得到，可根据额外的PC1 vs PC4分开集胞和角毛这两种藻。
图7 (a)多模式海洋生物原位探测高光谱系统示意图；(b)五种致灾藻类的反射率光谱；(c)五种致灾藻类的反射率光谱经过PCA处理后的PC1vsPC2图像；(d)五种致灾藻类的反射率光谱经过PCA处理后的PC1vsPC4图像
笔者的高光谱系统也可以结合常规的，消费级的望远镜进行成像。笔者将望远镜改造成高光谱望远镜，可以同时获得图像信息和光谱信息，如图8(a)、(b)所示。双筒望远镜的另一筒可以装配普通相机及激光测距仪，进行远距离测距。通过望远高光谱系统，可以应用与诸多遥感领域，如远处绿化率计算等。图8(c)的成像在1km以上的建筑的望远高光谱图像，图8(d)为由此估计出的建筑的植物绿化率覆盖图。
图8 (a)笔者的望远高光谱系统原理图；(b)笔者的望远高光谱系统实物图；(c)1km以上建筑物的望远高光谱图像；(d)建筑物植物绿化率覆盖图
高光谱系统结合显微物镜可用于海洋微生物原位监测。开发了一种反射/透射两用显微高光谱成像系统，将宽带光源集成至探测光路中，保证照明与探测同轴，有效避免了高倍率显微物镜距待测样品过近导致的外置光源无法照亮样品的问题。针对不同透明度的样品，该系统可自由切换照明模式，实现反射/透射高光谱图像的采集。刺激隐核虫病是海洋鱼类常见重要的寄生虫病，幼虫是激隐核虫世代发育的一个关键阶段，直接侵染硬骨鱼类的皮肤和鳃，一般没发育成幼虫的阶段叫孢囊，发育成会游泳的幼虫叫孢子。目前笔者已经实现了对孢囊(刺激隐核虫)的显微高光谱成像，可用于其体内物质成分分析。
图9(a)为40倍显微物镜下刺激隐核虫孢囊的高光谱图像；如图9(b)刺激隐核虫孢囊体内两位置及周边环境的光谱所示。今后还将扩展更多样品进行试验，实现对浮游生物、致灾微藻等海洋微生物的原位监测。值得一提的是，该系统还可以结合传像光纤，伸入到海洋底泥中进行未萌发的藻类孢囊等的探测，系统图如图9(c)所示。
图9 (a)40倍显微物镜下孢囊(海洋鱼类传染病载体刺激隐核虫)的高光谱图像(比例尺：30μm)；(b)孢囊体内两位置及周边环境的光谱；(c)结合传像光纤的探测海底孢子/底泥孢囊的显微高光谱图谱系统
二、沙姆激光雷达系统
⒈基本原理
沙姆激光雷达系统是沙姆成像原理的重要应用之一。沙姆成像原理是法国工程师JulesCarpentier在1901年申请的用于矫正视角的摄像放大机的英国专利中首次提出。后来，奥地利陆军上尉Theodor Scheimpflug为了将自己的“透视绘图仪”用于航空摄影，深入研究沙姆成像原理并成功将其应用于放大航空照片和陆地勘察照片时所进行的校正。以Scheimpflug命名的沙姆原理如图10(a)所示，具体描述为物平面、透镜平面以及像平面相交于一条直线，这样可以得到全面清晰的像，这个规则也被称为合页规则(HingeRule)。基于沙姆成像原理的沙姆相机(ScheimpflugCamera)目前已被应用于视网膜成像以进行眼科的临床应用、距离测量等领域。
图10 (a)沙姆原理和合页规则光路示意图；(b)图像传感器像素与物体距离之间的关系；(c)距离分辨率与测量距离之间的关系；(d)二维沙姆原理光路示意图；(e)当θ＝90°时图像坐标系和现实坐标系关系示意图
一般的，可以使用大光圈在短曝光时间下对物体清晰成像，但这无法避免会引起景深小的问题，而当使用针孔相机时，可以很轻松的解决景深问题，但视野小、成像效率低、容易引起运动模糊。满足合页规则的沙姆原理使得在使用大光圈的成像透镜系统时理论上可以达到无穷远的景深，对很大范围的物体都能清晰成像。
值得注意的是，沙姆原理与镜头的焦距无关，它需要满足合页规则来实现对焦。合页规则使得物平面、透镜平面和像平面不再平行，而是存在一定的倾斜角，且这三个面相交于一条直线。基于几何光学原理，可以推导出满足合页规则下图像传感器像素与物体距离之间的关系为：
式中：θ为物平面与透镜平面之间的夹角；φ为像平面与透镜平面之间的夹角；v0为像平面中心与透镜平面中心的距离；pI为像平面上图像传感器每个像素的位置，即pI＝(Np/2-np)ωp，其中Np为单列或单行的像素总个数，np为每个像素对应图像传感器中心的位置，ωp为像素尺寸；d为透镜与物平面的距离，由成像公式计算可得：
这样，基于沙姆原理的雷达系统的距离参数可以由θ、f、d和pI等参数决定，而距离分辨率可以通过对公式(1)微分后得到：
式中：dpI为相机的像素间距，对于相机来说，是一个常数，而对于一个系统，θ、f、d参数是确定的，这样距离分辨率dz与z2成正比。传统脉冲式激光雷达利用飞行时间法测距，其距离分辨率是一个常数，而基于沙姆原理的雷达系统的距离分辨率随距离的变化而变化，而且在近处具有较好的分辨率，远距离的分辨率则会变差。图10(b)和(c)给出了MATLAB对系统距离分辨的仿真曲线，系统的参数分别为：望远镜焦距f为55mm，像素尺寸为5.86μm，像素数为1216×1936，透镜与物平面距离d为260mm、夹角θ为87°，与像平面夹角φ约为12°。但像平面、透镜平面和物平面之间的夹角很难通过手动精准调节，在实验中往往是通过已知的目标物来进行距离校准。
笔者团队将一维沙姆成像原理扩展到二维，并建立了二维沙姆原理的数学物理模型，如图10(d)所示。图中，O和O′分别为三维坐标系和透镜平面的原点；d为物平面到透镜中心的距离；θ为透镜平面与物平面的倾斜角；φ为像平面与透镜平面的倾斜角。MN是物平面上的一条线，M′N′为MN在像平面所成的像，它满足透镜成像方程。
根据成像原理和三角关系，则可以得出yz平面的成像点(M′)与物点(M)之间的关系，M′的x坐标为0，yz坐标可由公式(5)和(6)计算所得：
物平面上的点N(x，0，z)成像在像平面上N′，N′的y坐标和z坐标与M′相同，N′的x坐标则可从相似三角关系计算得出：
物平面上的点N(x，0，z)成像在像平面上N′，N′的y坐标和z坐标与M′相同，N′的x坐标则可从相似三角关系计算得出：
式中：|M′O″|为线段M′O″的长度，可通过已知的距离zM(|OM|)计算得到；zim,M′为M′在相机上的像素数；hrow为沿行方向的总像素数；wcol和wrow分别为沿列和行方向的像素大小。
⒉空气-水界面的折射矫正
当基于沙姆原理搭建的激光雷达系统在岸上探测水下物体时，光束不可避免的要经过空气-水的交界面，从而产生折射现象，这将对物体在图像传感器的成像位置产生影响，使得系统对距离和高度的探测产生重大误差，因此需要对空气-水界面的折射进行矫正。
图11(a)给出了沙姆原理在成像过程中经过空气-水的交界面后的距离矫正示意图。图中，O是坐标系的起源；O′是透镜的中心；n＝1为空气的折射率；n′＝1.33为水的折射率；P″是未考虑空气-水界面折射时物体未经矫正的位置；P是物体在水中的实际位置；P′是物体P在像平面的位置。则根据成像原理和三角函数关系可得矫正后的距离为：
式中：z为未经矫正的距离(OP″)；zcor为矫正后的距离(OP)；z0为透镜平面与空气-水界面之间的垂直距离(OQ′)；α1和α2分别为入射光束和折射光束与空气-水界面的夹角。
图11(b)给出了沙姆原理在成像过程中经过空气-水的交界面后的高度矫正示意图。其中M″N″为未经矫正的在距离z处的物体高度；MN为经矫正的在距离zcor处的实际物体高度；M′N′为实际物体高度MN在像面上的所成像的高度；K为光束在空气-水界面处的折射点；F为透镜的焦点；β1和β2分别为入射光束和折射光束与z轴的夹角；α1和α2分别是入射光束和折射光束与空气-水界面的夹角。同样的笔者也能得到矫正后的高度为：
图11 距离和高度矫正示意图
⒊非弹性高光谱沙姆激光雷达系统
非弹性高光谱沙姆激光雷达系统是将前面所述的高光谱成像系统和一维沙姆成像原理结合用于探测物质荧光光谱的新型雷达系统。不同的是，非弹性高光谱沙姆激光雷达系统中其狭缝需要倾斜一定角度以便于与成像透镜组主面和激光束三面相交，满足合页规则。这里的狭缝相当于沙姆原理里提到的图像传感器。后向的光信号经过狭缝后通过准直透镜准直，光源的弹性信号通过长通滤波片滤除，并通过棱镜-光栅-棱镜(PGP)结构分光，最终成像在与狭缝满足共轭条件的倾斜的面阵相机上，如图12(a)所示，左上角小图给出了系统的光学结构，L1和L2是两个准直透镜，OF是长通滤波片，P1和P2是两个对称的楔形棱镜，G是可见光透射光栅；华南师范大学赵光宇等与瑞典隆德大学合作的非弹性高光谱沙姆激光雷达系统采用了直径50mm、焦距200mm的双胶合消色差透镜，缝宽为100μm的狭缝和每毫米300刻槽的光栅，激光器采用的是波长为445nm，功率为1W的连续光激光二极管，实现了430～700nm的光谱测量范围，具有61个光谱通道，光谱分辨率约为5nm，并成功在5m的水箱中进行了测试。
图12 (a)非弹性高光谱沙姆激光雷达系统。左上角小图给出了系统的光学结构，L1和L2是两个准直透镜，OF是长通滤波片，P1和P2是两个对称的楔形棱镜，G是可见光透射光栅；(b)非弹性高光谱沙姆激光雷达系统识别油污：七种油品的归一化光谱；(c)七种油品的分类结果；(d)非弹性高光谱沙姆激光雷达系统实验样机；(e)双生水母和水螅水母的样品；(f)浮游植物、双生水母、水螅水母的高光谱图
非弹性高光谱沙姆激光雷达系统采用的是小型高功率的点状连续波(CW)激光二极管(LD)，波段主要为蓝紫光。而过去10年，大功率蓝紫光的激光二极管得到快速发展，功率大幅提高的同时成本却降低了很多。该平均功率通常是以前的非弹性激光雷达可达到的平均功率的30倍。激光二极管的尺寸、重量、成本是脉冲固态激光器的千分之一，由此使得该系统十分小巧、轻便、低成本，而且易于搭载在无人机等平台上。值得一提的是，应用于海洋环境时，在可见光波段，400～450nm的谱段在水中吸收相对较小，而且在生物成分(例如含叶绿素的浮游植物)、海面溢油(通常为紫光激发，目前也有向蓝紫光发展的趋势)中诱导荧光的效率较高，400～450nm波段的光作为系统的激发光源是很合适的。
与基于飞行时间法(TOF)的高光谱激光雷达不同，满足合页规则的沙姆成像原理，不是通过飞行时间法实现测距，而是通过三角法进行测距，且理论上可以同时实现大光圈和无限的景深。而TOF的高光谱激光雷达往往需要大体积的固态激光器和集有雪崩光电二极管(APD)阵列模块光谱仪等，体积庞大，价格昂贵。
笔者团队利用直径直径58mm、焦距55mm的成像镜头和缝宽为50μm的狭缝，进一步提高了系统的光谱分辨率(优于2nm)。并利用1.5W的446nm的商用蓝色激光二极管激发诱导油品的荧光光谱，通过主成分分析方法建立油品分类模型，成功实现了七种典型油品的定位和分类，图12(b)和(c)分别给出了系统采集并处理后的七种油品的归一化光谱和分类结果。
笔者随后对非弹性高光谱沙姆激光雷达系统进行了机械结构和防水外壳的设计，自主搭建了第一代的实验样机，如图12(d)所示。利用水平拖网和垂直拖网对大亚湾海域的浮游动植物进行了捕获，利用笔者搭建的实验样机对所捕获的浮游植物、双生水母、水螅水母样品进行了激发荧光探测，在445nm波长的激发下，成功探测到浮游植物叶绿素682nm、双生水母509nm、水螅水母515nm的激发荧光。
⒋形貌沙姆激光雷达系统
形貌沙姆激光雷达系统是基于前言所述的二维沙姆成像原理，由浙江大学何赛灵团队等首次提出，并对塑料碗、棱形纸盒和人体模型进行了测量和三维重构，其重建结果在近距离的精度可达毫米级。与之前所述的沙姆激光雷达系统采用点状连续光激光二极管不同，沙姆激光形貌雷达采用的是450nm的线光源，满足合页规则的成像镜头和二维图像传感器对物体进行成像，外部杂散光通过中心波长为450nm、带宽约为18nm的带通滤波片滤除，系统搭载在位移平台上对目标进行连续采集，如图13(a)所示。
图13 (a)光面形貌沙姆激光雷达系统；(b)人体模型分别在19.6m处(b1)和5.6m处(b2)的三维重构结果；(c)贝壳和珊瑚的实物图；(d)折射矫正前((d1)和(d2))与后((d3)和(d4))的贝壳和珊瑚的三维重构结果；(e)数码相机观测到的实际水下环境的图片和三维重构结果对比图
通过MATLAB程序对采集的图像进行处理后叠加，可以将物体的三维轮廓信息恢复。值得一提的是，为了保证系统的精度，需要在对物体进行三维扫描前，利用标定板对系统进行定标和校准。而由于沙姆成像原理的局限性，其距离分辨率随着距离的平方而变差，导致形貌沙姆激光雷达系统的恢复精度也被距离所限制，近处恢复精度高，远处恢复精度变差。如图13(b)所示，人体模型在5.6m处的三维重构结果精度较高，人体模型表面的纹路清晰可见，然而在19.6m处的三维重构结果只能看到人体模型的基本轮廓，无法分辨表面的细节。
当该系统应用于水下时，水和空气的折射率的不同会使得光束发生折射现象，导致系统三维重构的精度下降，因此，笔者团队构建了空气8水界面折射的数学模型(图11)，对距离和高度进行了矫正(公式(12)和(13))，并对水下的贝壳和珊瑚进行了三维重构。图13(c)给出了实际的贝壳和珊瑚的尺寸图，贝壳的实际尺寸为4.5cm×5.8cm，厚度为1.7cm，珊瑚的实际尺寸为4.3cm×13.6cm，厚度为1.9cm。
图13(d)是贝壳和珊瑚的三维重构结果，上面两图是未经折射矫正的恢复结果，恢复后的贝壳尺寸为4.7cm×5.8cm，厚度为1.2cm，珊瑚尺寸为4.5cm×13.7cm，厚度为1.6cm；下面两图是经折射矫正后的恢复结果，恢复后的贝壳尺寸为4.5cm×5.8cm，厚度为1.6cm，珊瑚尺寸为4.3cm×13.7cm，厚度为2.0cm。通过空气-水界面的折射矫正后，其恢复的尺寸精度更高，而且贝壳和珊瑚的表面的纹理也更加清楚。在此基础上笔者团队外加了一个数码相机用于观测水下的实际物体，并与三维重构的结果进行对比。通过空气-水界面的折射矫正，使得形貌沙姆激光雷达系统扩展了其应用范围，例如可用于近海岸形貌测绘，结合高光谱成像系统，可以对珊瑚礁的生长态势进行监测、地质探测等。
三、结论
随着我国经济的快速发展，我国对海洋资源的需求日益增长，各类资源的勘探和开采规模也日趋壮大，其过程不可避免的造成了严重的环境污染，对海洋生态环境造成了不可忽视的破坏。文中提到的基于PGP结构的荧光高光谱成像系统和基于沙姆原理结合高光谱成像的非弹性高光谱沙姆激光雷达系统，在高光谱技术的基础上，结合激光荧光遥感技术，在海洋溢油的油品鉴别、油膜厚度估算、浮游动植物的监测等方面具有很大的潜力。高光谱成像技术在获取常规的二维图像信息的同时还能获取到光谱信息，笔者的小型高光谱成像系统对海洋中常见的贝壳、海螺、海星、水草以及一些海洋垃圾进行了高光谱成像，在常规的图像信息基础上增加光谱信息，对分类鉴别提供了更有力的支持。
在此基础上笔者更进一步研发的多模式高光谱海洋原位探测系统，可以在普通成像、望远成像、显微成像三种模式中任意切换，通过对莱茵衣藻、集胞藻、角毛藻、小球藻和棕囊藻的高光谱反射谱进行主成分分析，实现了这几种藻的初步区分。而当结合常规的，消费级的望远镜进行望远成像时，可以采取公里级距离的高光谱图谱信息。结合显微物镜则可用于海洋微生物原位监测，目前已实现了对孢囊(刺激隐核虫，海洋鱼类传染病载体)的显微高光谱成像，可用于其体内物质成分分析。
除此之外，沙姆激光雷达系统在三维形貌重构方面表现优异。笔者团队通过对空气-水界面的折射修正，使得形貌沙姆激光雷达系统可以应用于水下环境，其近距离的恢复精度可达毫米级，为监测海洋珊瑚礁生态系统、近海岸形貌测绘等提供了新的技术支持。以上提及的系统，结构紧凑、体积较小，方便安置，随着这些技术的进一步发展，这些系统走向仪器化、工程化，相信可以在海洋相关应用上发挥好的作用。
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【作者简介】文/何赛灵 陈祥 李硕 姚辛励 徐展鹏，分别来自国家光学仪器工程研究中心浙江大学光及电磁波研究中心、浙江大学宁波研究院。第一作者何赛灵，1966年出生，男，教授，博士生导师，博士，主要从事亚波长光子学、光传感与通讯等方面的研究。本文为基金项目，国家重点研发计划(2018YFC1407503)。文章来自《红外与激光工程》（2020年第2期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。
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