單光子激光雷達技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢綜述

第一作者：趙浴陽

通信作者：朱精果

概述

在三維成像探測領(lǐng)域，主動式激光雷達被廣泛應(yīng)用于航空航天、自動駕駛、三維建模和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。然而，激光在傳輸介質(zhì)中的散射與衰減效應(yīng)導致常用的線性探測模式激光雷達在遠距離、高效率應(yīng)用中的探測能力受到限制，如何在復雜環(huán)境中保持高探測靈敏度、高探測精度和強抗干擾能力成為激光雷達技術(shù)發(fā)展中面臨的一大挑戰(zhàn)。

單光子探測器件具有光子級靈敏度、0/1輸出和易于陣列化等特性，從根本上提高了對光信號的利用率并改變了數(shù)據(jù)處理方式，在激光探測方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，成為激光探測技術(shù)的研究熱點。基于單光子探測器的激光雷達，通過時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)，顯著地降低了成像系統(tǒng)對激光光源功率和大口徑接收光學系統(tǒng)的依賴，并為微弱信號下高精度三維重建提供了全新解決方案，突破了傳統(tǒng)激光雷達在探測距離、探測精度、探測效率和系統(tǒng)尺寸等方面的局限，成為新一代激光雷達技術(shù)的發(fā)展趨勢。然而，噪聲干擾、距離模糊等問題始終困擾著單光子激光雷達，使其難以兼顧探測距離、探測效率、成像質(zhì)量和識別能力等指標。因此如何進一步提升單光子成像系統(tǒng)性能，推動其拓展更多的應(yīng)用場景，已成為該領(lǐng)域的重要研究課題。

關(guān)鍵進展

中國科學院微電子研究所朱精果研究員團隊在《光電工程》激光雷達創(chuàng)新與應(yīng)用專題上發(fā)表了題為“單光子激光雷達技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢”的特邀綜述文章，系統(tǒng)介紹了單光子激光雷達技術(shù)的基本原理、探測器件、成像算法和應(yīng)用實例。文章以基于單光子雪崩光電二極管（SPAD）的探測技術(shù)為代表，從單光子器件的特性出發(fā)，對現(xiàn)有單光子成像技術(shù)進行解讀，梳理了單光子激光雷達的研究脈絡(luò)，進而對該技術(shù)的共性問題和發(fā)展趨勢進行了討論。論文被選為該專題的封面文章。

由于單光子器件具備光子級靈敏度，其易受噪聲干擾，因此如何從系統(tǒng)設(shè)計層面提高信噪比，成為單光子探測技術(shù)的重要研究內(nèi)容。英國赫瑞瓦特大學Buller團隊設(shè)計了一款采用時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)的超短脈沖單光子探測系統(tǒng)，隨后實現(xiàn)了對330 m處目標的三維成像，展現(xiàn)了脈沖計數(shù)技術(shù)的可靠性。但由于脈沖累積方案存在距離模糊問題，因此中國科學院光電技術(shù)研究所劉博團隊利用SPAD探測器作為真隨機信號發(fā)生器，開發(fā)了一種基于真隨機編碼的單光子探測技術(shù)，解決了距離模糊問題。此后，中國科學院微電子研究所朱精果團隊將混沌光源引入單光子成像領(lǐng)域，進一步提高了編碼調(diào)制方案的信噪比。而為了抑制環(huán)境噪聲，美國麻省理工學院Luu等人提出光外差啁啾調(diào)制單光子激光雷達，首次將調(diào)頻連續(xù)波雷達設(shè)計方案引入到單光子成像領(lǐng)域。通過對不同原理方案的剖析和重要研究成果的梳理，文章從設(shè)計難度、測距精度、距離模糊和抗干擾能力等方面分析了不同技術(shù)的優(yōu)勢與不足。

圖1 單光子激光雷達探測原理。（a）脈沖累積技術(shù)；（b）混沌編碼調(diào)制技術(shù)；（c）啁啾調(diào)制技術(shù)

除了原理方案的改進，探測器件的快速發(fā)展同樣推動了單光子激光雷達性能的不斷進步。近年來，隨著CMOS工藝在SPAD制造領(lǐng)域的成功運用，基于Si材料和InGaAs/InP材料的SPAD器件得到了快速發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)層出不窮。一方面，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院Lee等人提出的圓形p+/深n阱結(jié)構(gòu)和英國赫瑞瓦特大學Vines等人設(shè)計的Ge-on-Si探測器，有效提高了光子探測效率、拓寬了SPAD響應(yīng)波段；另一方面，重慶光電技術(shù)研究所崔大健團隊研制的256×64規(guī)模InGaAs/InP SPAD陣列探測器和佳能等機構(gòu)推出的1024×1000規(guī)模Si SPAD陣列探測器，也展現(xiàn)了大規(guī)模SPAD焦平面陣列的發(fā)展現(xiàn)狀。

圖2 單光子探測器件研究進展。（a）Si SPAD原理與光子探測效率（b）圓形p+/深n阱結(jié)構(gòu)；（c）Ge-on-Si探測器；（d）InGaAs/InP SPAD陣列；（e）Si SPAD陣列

面向單光子輸出特性的數(shù)據(jù)處理算法和成像研究，成為提高系統(tǒng)性能的另一關(guān)鍵。通過分析信號與噪聲的聯(lián)合分布并利用像素間關(guān)聯(lián)關(guān)系，成像算法可以雜亂的噪聲中準確恢復微弱信號，顯著提高了系統(tǒng)探測性能。美國麻省理工學院Kirmani等人的首光子和美國波士頓大學Rapp等人的UA（Unmixing Algorithm）等基于數(shù)學建模的算法通過利用單光子數(shù)據(jù)中的時空關(guān)聯(lián)特征，實現(xiàn)了在極低信噪比環(huán)境中對場景的高精度三維重建；而基于美國斯坦福大學Lindell等人提出的U型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和中國科學技術(shù)大學徐飛虎團隊設(shè)計的非局部相關(guān)性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也展現(xiàn)了深度學習在該領(lǐng)域的可行性，體現(xiàn)了高性能算法對激光雷達系統(tǒng)指標的價值。

圖3 典型成像算法效果。（a）首光子算法；（b）U型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

得益于單光子探測技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了快速拓展。就單光子激光雷達自身應(yīng)用而言，華東師范大學吳光團隊通過重復頻率互為質(zhì)數(shù)的激光脈沖，實現(xiàn)了對青海湖21 km處目標的測距功能，驗證了該技術(shù)在遠距離成像方面的可靠性。而對遠距離目標探測和復雜場景探感成像的研究也促進了單光子成像系統(tǒng)在遙感測繪等領(lǐng)域的應(yīng)用。2018年，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射的ICESat-2衛(wèi)星搭載了單光子激光雷達系統(tǒng)ATLAS。此外，區(qū)別于傳統(tǒng)激光雷達，高集成度的片上SPAD模組也在索尼、蘋果等公司的支持下走向了智能駕駛導航避障和消費電子3D感知市場。

圖4 典型單光子激光雷達應(yīng)用實例。（a）ATLAS系統(tǒng)；（b）索尼IMX459

總結(jié)與展望

綜上所示，單光子激光雷達作為一種新興的激光測量技術(shù)，對微弱信號探測和三維重建系統(tǒng)小型化有重要意義，但目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)：1）高背景光環(huán)境中，堆積效應(yīng)導致信號光子被大量噪聲淹沒，這成為單光子探測技術(shù)亟待解決的重要課題；2）如何面向應(yīng)用構(gòu)建基于單光子探測器隨機特性的數(shù)學模型，并在有限的計算資源下實現(xiàn)準確的實時成像，對單光子激光雷達的體制設(shè)計和處理算法提出了新的要求；3）對于智能駕駛及消費電子應(yīng)用，設(shè)計兼顧體積、成本、功耗和可靠性的單光子成像系統(tǒng)，成為系統(tǒng)設(shè)計的難點之一。雖然基于單光子探測器件的激光雷達系統(tǒng)還存在待完善的一些問題，但隨著高性能大陣列的SPAD探測器的問世，多源融合和感算一體的成像算法的設(shè)計，小型化、智能化和集成化的系統(tǒng)模組的推出，及日趨廣泛的應(yīng)用需求牽引，我們相信單光子激光雷達將在未來突破現(xiàn)有瓶頸，在學術(shù)研究和商業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出更大的潛力和價值。

審核編輯：劉清