新型線陣單光子成像雷達系統(tǒng)的設計

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所、上海量子科學研究中心、上海理工大學的研究人員組成的團隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了題為“基于InGaAs單光子探測器的線陣掃描激光雷達及其光子信號處理技術研究”的最新論文。通訊作者為黃庚華研究員，主要從事光子計數(shù)激光測距、三維成像技術、地球測繪、深空軟著陸激光高精度測高技術、紅外、激光復合目標跟蹤及探測技術等方面的研究。

激光雷達（LiDAR）是一種將傳統(tǒng)雷達技術與現(xiàn)代激光技術相結合的主動探測技術，其可以高效率高分辨率完成目標的三維結構數(shù)據(jù)的獲取，廣泛用于各類高新科技領域。隨著探測體系的發(fā)展，基于單光子探測技術的光子計數(shù)三維成像激光雷達使得回波光信號的探測靈敏度大大提高，使得小型化、遠距離、高分辨、高精度的激光三維成像設備成為可能，但其技術難度較高，已成為目前的研究熱點。

雖然國內外已有許多采用SPAD來進行測距及成像實驗的方案，但主要采用可見光波段的Si基SPAD，與之相比，InGaAs/InP SPAD的暗計數(shù)、探測效率、后脈沖概率、死時間等指標并不理想，為了在近紅外波段實現(xiàn)更高的單光子探測性能，InGaAs/InP SPAD主要采用門控淬滅模式，這種模式比較適合目標距離已知的情況，并不適合目標距離范圍較大的場合，而采用自由運轉體制的主動淬滅模式InGaAs/InP SPAD進行測距及成像實驗的相關研究較少，而且僅停留在原理樣機階段；國外由于器件技術的長期發(fā)展，已經(jīng)基本實現(xiàn)大規(guī)模陣列InGaAs/InP SPAD器件技術的商業(yè)化，其主要由美國麻省理工學院的林肯實驗室（MIT/LL）和Princeton Lightwave公司主導。

基于此，本文提出了一種新型的線陣單光子成像雷達，采用128個單元InGaAs/InP SPAD拼接為線陣排列，通過掃描實現(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現(xiàn)多距離目標三維成像，成像目標清晰。

系統(tǒng)設計

激光雷達系統(tǒng)采用光子計數(shù)體制，主要技術包括窄脈沖高重頻短波紅外激光技術、InGaAs/InP SPAD單光子探測及主動淬滅技術、光子計數(shù)技術及高精度時間測量技術等，組成部分主要包括：激光器模塊、收發(fā)光學模塊、單光子探測器模塊、高精度時間測量模塊、掃描電機模塊、電源模塊。系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 激光雷達系統(tǒng)框圖

1550nm光纖激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過擴束準直后通過衍射光學元件DOE進行分束，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。接收望遠鏡采用像方遠心的設計，將128束回波與線陣光纖進行耦合，之后每根光纖經(jīng)過中心波長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器進行耦合。

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

探測電路集成了主動淬滅、TEC溫控、APD偏壓和信號讀出等功能。探測器工作在自由運轉模式下，在每一只InGaAs/InP單光子探測器上獨立進行主動淬滅控制，更快地進行雪崩抑制過程，進一步降低噪聲對探測概率的影響同時降低死時間并提高飽和計數(shù)率。TEC溫控模塊將探測器器件的溫度穩(wěn)定在-40℃~-20℃的可調區(qū)間，偏壓控制單元可以提供穩(wěn)定可調的獨立偏壓調節(jié)。

成像效果分析

對室外高層建筑群進行了掃描成像實驗，電機掃描角度為120°，旋轉速度為180（°）/s，掃描4次進行累計，記錄單次回波，取其中16元的成像點云數(shù)據(jù)進行了濾波及后脈沖預處理。從可見光照片圖2可以看出成像區(qū)域左側的建筑目標普遍較遠，而右側的建筑目標距離較近。圖3（a）為經(jīng)過濾波處理后的點云圖像，圖3（b）和（c）分別為3.3km距離的一個建筑點云圖像和1.5~2.0km的建筑群的點云圖像，其對應于圖中白框標記的建筑群。可以看出經(jīng)過算法處理后的點云圖像已經(jīng)可以較為清晰的還原遠距離建筑的結構特征。

圖2 可見光拍攝被測目標照片

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

結 論

本文設計了一種基于光子計數(shù)探測體制的遠程激光雷達三維成像系統(tǒng)，研究了單光子探測器的探測性能。之后通過定點測距實驗和掃描成像實驗驗證了激光雷達的噪聲及后脈沖特性、成像清晰度等指標。實驗結果表明，該系統(tǒng)成功探測多距離目標信息，最高可探測3km以上的遠程目標，最終重建的圖像較為清晰，噪聲抑制效果較好，該系統(tǒng)適用于遠距離目標的三維點云成像。但由于InGaAs/InP SPAD顯著的后脈沖效應導致的暗計數(shù)上升會嚴重影響探測性能。通過點云濾波及后脈沖預處理算法可顯著濾除后脈沖以及本底噪聲，同時壓縮點云數(shù)據(jù)以便進行后續(xù)處理。之后也將進一步探索遠程光子計數(shù)激光雷達系統(tǒng)提升探測距離以及改進成像效果的方法。

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

審核編輯：郭婷