基于面陣單光子探測(cè)器的激光三維成像

文/葛鵬 郭靜菁 尚震

1 前言

圖1：激光三維成像實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

激光雷達(dá)為主動(dòng)光電探測(cè)系統(tǒng)，其工作波長(zhǎng)短，相對(duì)于微波雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)較高空間分辨率與測(cè)距精度。然而在較遠(yuǎn)距離應(yīng)用中，受發(fā)射功率、大氣傳輸損耗、接收孔徑等因素的限制，激光雷達(dá)接收的回波能量十分微弱，常規(guī)光電探測(cè)器難以有效檢測(cè)微弱信號(hào)，而單光子探測(cè)器以極高探測(cè)靈敏度，被廣泛用于微弱回波信號(hào)測(cè)量?；趩喂庾犹綔y(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的探測(cè)與成像，其空間分辨率可通過逐點(diǎn)掃描 或探測(cè)器陣列來獲得。逐點(diǎn)掃描方式中，激光不斷地往返于系統(tǒng)與目標(biāo)之間，進(jìn)行大規(guī)模成像耗時(shí)嚴(yán)重。基于大規(guī)模面陣探測(cè)器，發(fā)射少數(shù)脈沖可獲得視場(chǎng)的高分辨率信息，具有較高成像效率，是一種較為理想成像方式。

單光子探測(cè)器主要用于脈沖法直接探測(cè)，系統(tǒng)發(fā)射脈沖激光，并測(cè)量返回脈沖的飛行時(shí)間來實(shí)現(xiàn)三維成像。單光子探測(cè)器具有單光子探測(cè)靈敏度，但無法分辨光子數(shù)，為此系統(tǒng)中單像元單脈沖探測(cè)的光子數(shù)往往小于1，像元對(duì)回波脈沖進(jìn)行概率性探測(cè)，并通過脈沖累積來提高探測(cè)概率。光子探測(cè)過程記錄的為離散的光子數(shù)據(jù)，需要用泊松噪聲模型描述。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示，其利用了激光泛光照明方式，激光發(fā)射和接收采用了分離的光學(xué)孔徑。高功率固體激光器產(chǎn)生波長(zhǎng)1064nm、重復(fù)頻率1kHz、脈寬500ps、能量80uJ的激光脈沖。針對(duì)每個(gè)激光脈沖，通過高速光電探測(cè)器精確測(cè)量其出射時(shí)刻，用作脈沖飛行時(shí)間測(cè)量的初始值。

圖2：300米外目標(biāo)照片（左）、強(qiáng)度成像結(jié)果（中）、基于飛行時(shí)間距離成像結(jié)果（右）

激光光束在橫截面上的光強(qiáng)分布為非均勻高斯分布，在光束中心光強(qiáng)較高，在光束邊緣光強(qiáng)較低。直接將光束投影到視場(chǎng)上用于照明時(shí)，激光照明效率較低。為此，采用了非球面鏡光束整形器，將光束由高斯分布整形為平頂分布，然后用于視場(chǎng)的照明。

面陣單光子探測(cè)器為64×64規(guī)模InGaAs蓋革APD焦平面陣列。APD陣列前方安裝了微透鏡陣列，將光學(xué)填充因子提高到約60%。單個(gè)APD像元在1064nm波段的量子效率約20%，暗計(jì)數(shù)率20kHz。每個(gè)APD像元后端都集成了數(shù)字計(jì)時(shí)器，實(shí)現(xiàn)了2ns計(jì)時(shí)精度。APD陣列最大計(jì)數(shù)幀頻為20kHz，通過CameraLink接口采集光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。在成像過程中，激光器每發(fā)射一個(gè)脈沖激光，同步觸發(fā)APD陣列探測(cè)器，探測(cè)器經(jīng)過固定延時(shí)后，開啟門控來探測(cè)回波脈沖信號(hào)。

3 信號(hào)提取方法

單光子探測(cè)器實(shí)際記錄的數(shù)據(jù)為光子飛行時(shí)間，經(jīng)過多次累積可以得到光子飛行時(shí)間直方圖，其中包含了信號(hào)光子、噪聲光子和暗計(jì)數(shù)等數(shù)據(jù)。信號(hào)光子在直方圖中為脈沖式分布，而噪聲光子和暗計(jì)數(shù)為隨機(jī)均勻分布，通過在時(shí)間域上的差別可以較大程度上去除噪聲。

由于發(fā)射的激光脈沖為納秒級(jí)別，寬度較窄，激光信號(hào)光子集中分布在直方圖中相鄰的幾個(gè)區(qū)間內(nèi)。其分布寬度主要取決于激光脈沖寬度、測(cè)量時(shí)間精度等因素。本實(shí)驗(yàn)裝置中，激光脈沖寬度為500ps，測(cè)量時(shí)間精度為2ns。直方圖時(shí)間區(qū)間寬度為探測(cè)器的時(shí)間分辨率（2ns），回波脈沖在直方圖中可能跨越多個(gè)區(qū)間。為了確定信號(hào)所在的時(shí)間區(qū)間，按照如下公式，順序累加多個(gè)相鄰區(qū)間的光子計(jì)數(shù)：

式中，ni為第i個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)的光子數(shù)目，f為累加k到k+N時(shí)間區(qū)間內(nèi)的光子數(shù)目。為了盡量覆蓋回波脈沖，選取N=5來計(jì)算f，將具有最大光子數(shù)目的相鄰區(qū)間作為回波脈沖區(qū)間。

在視場(chǎng)沒有目標(biāo)的情況下，光子計(jì)數(shù)主要來自于背景光、暗計(jì)數(shù)噪聲，上述方法仍然能夠獲得回波脈沖時(shí)間區(qū)間，但是由于噪聲漲落引起的。為了解決這個(gè)問題，計(jì)算了每個(gè)時(shí)間區(qū)間的平均光子數(shù)作為閾值；如果f超過區(qū)間上平均光子數(shù)起伏的3倍，則認(rèn)為其為信號(hào)區(qū)間；否則，認(rèn)為區(qū)間中無回波脈沖。

4 成像結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)300m外目標(biāo)的成像結(jié)果如圖2所示。為了降低噪聲的影響，在探測(cè)回波脈沖前，對(duì)探測(cè)器施加了1us時(shí)間延遲，然后開啟門控時(shí)間2us進(jìn)行探測(cè)。圖2顯示了基于20000個(gè)脈沖回波數(shù)據(jù)的目標(biāo)強(qiáng)度圖像與距離圖像，圖像分辨率與探測(cè)器像元規(guī)模一致，為64×64，空間分辨率為0.2m，成像視場(chǎng)為

12.8 m×12.8m。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于64×64規(guī)模的InGaAs蓋革APD陣列與高峰值功率激光器，搭建了1064nm光子計(jì)數(shù)激光三維成像平臺(tái)，進(jìn)行了強(qiáng)度和距離成像；針對(duì)光子探測(cè)噪聲來源復(fù)雜的問題，基于信號(hào)與噪聲在時(shí)間分布上的差異，有效提取了激光回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了室外300米外目標(biāo)三維成像。