新型線陣單光子成像雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、上海量子科學(xué)研究中心、上海理工大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了題為“基于InGaAs單光子探測(cè)器的線陣掃描激光雷達(dá)及其光子信號(hào)處理技術(shù)研究”的最新論文。通訊作者為黃庚華研究員，主要從事光子計(jì)數(shù)激光測(cè)距、三維成像技術(shù)、地球測(cè)繪、深空軟著陸激光高精度測(cè)高技術(shù)、紅外、激光復(fù)合目標(biāo)跟蹤及探測(cè)技術(shù)等方面的研究。

激光雷達(dá)（LiDAR）是一種將傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的主動(dòng)探測(cè)技術(shù)，其可以高效率高分辨率完成目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的獲取，廣泛用于各類高新科技領(lǐng)域。隨著探測(cè)體系的發(fā)展，基于單光子探測(cè)技術(shù)的光子計(jì)數(shù)三維成像激光雷達(dá)使得回波光信號(hào)的探測(cè)靈敏度大大提高，使得小型化、遠(yuǎn)距離、高分辨、高精度的激光三維成像設(shè)備成為可能，但其技術(shù)難度較高，已成為目前的研究熱點(diǎn)。

雖然國(guó)內(nèi)外已有許多采用SPAD來進(jìn)行測(cè)距及成像實(shí)驗(yàn)的方案，但主要采用可見光波段的Si基SPAD，與之相比，InGaAs/InP SPAD的暗計(jì)數(shù)、探測(cè)效率、后脈沖概率、死時(shí)間等指標(biāo)并不理想，為了在近紅外波段實(shí)現(xiàn)更高的單光子探測(cè)性能，InGaAs/InP SPAD主要采用門控淬滅模式，這種模式比較適合目標(biāo)距離已知的情況，并不適合目標(biāo)距離范圍較大的場(chǎng)合，而采用自由運(yùn)轉(zhuǎn)體制的主動(dòng)淬滅模式InGaAs/InP SPAD進(jìn)行測(cè)距及成像實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究較少，而且僅停留在原理樣機(jī)階段；國(guó)外由于器件技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列InGaAs/InP SPAD器件技術(shù)的商業(yè)化，其主要由美國(guó)麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室（MIT/LL）和Princeton Lightwave公司主導(dǎo)。

基于此，本文提出了一種新型的線陣單光子成像雷達(dá)，采用128個(gè)單元InGaAs/InP SPAD拼接為線陣排列，通過掃描實(shí)現(xiàn)水平200°范圍的激光掃描成像。該系統(tǒng)工作波段為1550nm，作用距離＞3km。經(jīng)過成像算法處理，此系統(tǒng)在日光條件下成功實(shí)現(xiàn)多距離目標(biāo)三維成像，成像目標(biāo)清晰。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光雷達(dá)系統(tǒng)采用光子計(jì)數(shù)體制，主要技術(shù)包括窄脈沖高重頻短波紅外激光技術(shù)、InGaAs/InP SPAD單光子探測(cè)及主動(dòng)淬滅技術(shù)、光子計(jì)數(shù)技術(shù)及高精度時(shí)間測(cè)量技術(shù)等，組成部分主要包括：激光器模塊、收發(fā)光學(xué)模塊、單光子探測(cè)器模塊、高精度時(shí)間測(cè)量模塊、掃描電機(jī)模塊、電源模塊。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)系統(tǒng)框圖

1550nm光纖激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直后通過衍射光學(xué)元件DOE進(jìn)行分束，光纖激光器的輸出光纖芯徑25μm，數(shù)值孔徑0.10，系統(tǒng)發(fā)射波束為128，每一波束的發(fā)散角為0.15mrad， 相鄰波束之間的夾角為13.7mrad，衍射元件的尺寸為38mm，有效工作范圍為34mm。接收望遠(yuǎn)鏡采用像方遠(yuǎn)心的設(shè)計(jì)，將128束回波與線陣光纖進(jìn)行耦合，之后每根光纖經(jīng)過中心波長(zhǎng)1550.12nm帶寬為0.2nm的窄帶濾光片濾除背景噪聲，最后通過多模光纖與探測(cè)器進(jìn)行耦合。

激光雷達(dá)系統(tǒng)采用的單光子探測(cè)器為上海技術(shù)物理研究所自研的1550nm波段InGaAs/InP蓋革模式雪崩光電二極管，其在1550nm波段探測(cè)效率》3%，內(nèi)置有三級(jí)TEC制冷器，采用TO-66封裝結(jié)構(gòu)，耦合50/100μm多模尾纖，內(nèi)置有效探測(cè)面直徑35μm的蓋革模式雪崩光電二極管芯片。

探測(cè)電路集成了主動(dòng)淬滅、TEC溫控、APD偏壓和信號(hào)讀出等功能。探測(cè)器工作在自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，在每一只InGaAs/InP單光子探測(cè)器上獨(dú)立進(jìn)行主動(dòng)淬滅控制，更快地進(jìn)行雪崩抑制過程，進(jìn)一步降低噪聲對(duì)探測(cè)概率的影響同時(shí)降低死時(shí)間并提高飽和計(jì)數(shù)率。TEC溫控模塊將探測(cè)器器件的溫度穩(wěn)定在-40℃~-20℃的可調(diào)區(qū)間，偏壓控制單元可以提供穩(wěn)定可調(diào)的獨(dú)立偏壓調(diào)節(jié)。

成像效果分析

對(duì)室外高層建筑群進(jìn)行了掃描成像實(shí)驗(yàn)，電機(jī)掃描角度為120°，旋轉(zhuǎn)速度為180（°）/s，掃描4次進(jìn)行累計(jì)，記錄單次回波，取其中16元的成像點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波及后脈沖預(yù)處理。從可見光照片圖2可以看出成像區(qū)域左側(cè)的建筑目標(biāo)普遍較遠(yuǎn)，而右側(cè)的建筑目標(biāo)距離較近。圖3（a）為經(jīng)過濾波處理后的點(diǎn)云圖像，圖3（b）和（c）分別為3.3km距離的一個(gè)建筑點(diǎn)云圖像和1.5~2.0km的建筑群的點(diǎn)云圖像，其對(duì)應(yīng)于圖中白框標(biāo)記的建筑群?？梢钥闯鼋?jīng)過算法處理后的點(diǎn)云圖像已經(jīng)可以較為清晰的還原遠(yuǎn)距離建筑的結(jié)構(gòu)特征。

圖2 可見光拍攝被測(cè)目標(biāo)照片

圖3 （a）為經(jīng)算法處理后的點(diǎn)云圖像；（b）、（c）分別為3.3km距離的建筑和1.5~2.0km的建筑群的點(diǎn)云圖像

結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于光子計(jì)數(shù)探測(cè)體制的遠(yuǎn)程激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)，研究了單光子探測(cè)器的探測(cè)性能。之后通過定點(diǎn)測(cè)距實(shí)驗(yàn)和掃描成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激光雷達(dá)的噪聲及后脈沖特性、成像清晰度等指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)成功探測(cè)多距離目標(biāo)信息，最高可探測(cè)3km以上的遠(yuǎn)程目標(biāo)，最終重建的圖像較為清晰，噪聲抑制效果較好，該系統(tǒng)適用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)的三維點(diǎn)云成像。但由于InGaAs/InP SPAD顯著的后脈沖效應(yīng)導(dǎo)致的暗計(jì)數(shù)上升會(huì)嚴(yán)重影響探測(cè)性能。通過點(diǎn)云濾波及后脈沖預(yù)處理算法可顯著濾除后脈沖以及本底噪聲，同時(shí)壓縮點(diǎn)云數(shù)據(jù)以便進(jìn)行后續(xù)處理。之后也將進(jìn)一步探索遠(yuǎn)程光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)提升探測(cè)距離以及改進(jìn)成像效果的方法。

本研究工作獲得了上海市市級(jí)科技重大專項(xiàng)（2019SHZDZX01）、船舶態(tài)勢(shì)智能感知系統(tǒng)研制（MC-201920-X01）、上海市自然科學(xué)基金（19ZR1466000）的支持。

審核編輯：郭婷