楊函霖,李召輝,吳 光

(華東師范大學(xué) 精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200241)

1 引 言

激光雷達(dá)能夠捕獲目標(biāo)表面的三維信息,是一種高精度、遠(yuǎn)距離的主動(dòng)探測(cè)技術(shù)[1]。近年來(lái)基于單光子探測(cè)的激光雷達(dá)(單光子探測(cè)激光雷達(dá))突破傳統(tǒng)線性光電探測(cè)激光雷達(dá)的探測(cè)極限,越來(lái)越多的被應(yīng)用于軍事國(guó)防[2-4]、氣象觀測(cè)[5-6]、航空航天、汽車(chē)自動(dòng)駕駛[7-9]、機(jī)載測(cè)繪[10-11]等領(lǐng)域。其中,1 μm波段單光子探測(cè)激光雷達(dá)具有大氣透過(guò)率高、背景噪聲低、紅外隱蔽性好、激光脈沖能量高等優(yōu)勢(shì),有利于實(shí)現(xiàn)小型緊湊的遠(yuǎn)距離激光測(cè)距和成像系統(tǒng)。當(dāng)前主要瓶頸是缺乏這個(gè)波段高性能的單光子探測(cè)器。針對(duì)1 μm波段的小型單光子探測(cè)器,主要有基于蓋革InGaAs APD單光子探測(cè)器(InGaAs SPAD)和Si SPAD兩種。其中,InGaAs SPAD的探測(cè)效率達(dá)到20 %[12-13],而Si SPAD的探測(cè)效率僅1～5 %。但是,InGaAs SPAD后脈沖非常嚴(yán)重,通常需要更長(zhǎng)的死時(shí)間來(lái)抑制后脈沖。當(dāng)后脈沖概率約1 %時(shí),典型的InGaAs SPAD死時(shí)間高達(dá)5 μs[14-17],無(wú)法在高背景環(huán)境中有效探測(cè)回波光,而典型的Si SPAD死時(shí)間小于50 ns[18-19]。表1列出了典型InGaAs SPAD和Si SPAD的性能指標(biāo),除了探測(cè)效率,其他與測(cè)距密切相關(guān)的技術(shù)指標(biāo),包括死時(shí)間、感光面尺寸、暗計(jì)數(shù)、工作溫度,Si SPAD都遠(yuǎn)優(yōu)于InGaAs SPAD。

表1 InGaAs SPAD與Si SPAD性能指標(biāo)比較[14-20]

在近期的1 μm波段單光子探測(cè)激光雷達(dá)研究中,華中光電研究所設(shè)計(jì)的單光子探測(cè)激光雷達(dá)能在400m距離上識(shí)別偽裝網(wǎng)后車(chē)輛等目標(biāo),具有良好的偽裝識(shí)別能力[21];郭靜菁研究小組設(shè)計(jì)的高分辨率單光子探測(cè)激光雷達(dá)使用亞像素掃描對(duì)3 km外目標(biāo)進(jìn)行成像,取得超過(guò)衍射極限的分辨率與精度[22]。中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所李銘研究小組搭建的51波束光纖陣列單光子探測(cè)激光雷達(dá)可在3 km高度下進(jìn)行機(jī)載三維測(cè)繪[23];華東師范大學(xué)李召輝研究小組報(bào)道的高分辨率小型單光子探測(cè)激光雷達(dá)基于多通道探測(cè)器,大幅提高點(diǎn)云采集速率,同時(shí)具有強(qiáng)大的多層成像能力[18]。這些使用Si SPAD作為探測(cè)器的1 μm單光子探測(cè)激光雷達(dá)死時(shí)間均在50 ns以?xún)?nèi),暗噪聲均小于1kHz。相較下過(guò)長(zhǎng)死時(shí)間和過(guò)高后脈沖概率限制了InGaAs SPAD在近紅外波段單光子探測(cè)激光雷達(dá)中的應(yīng)用。中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院潘超研究小組研究的64陣列機(jī)載單光子探測(cè)激光雷達(dá)使用InGaAs SPAD作為探測(cè)器,系統(tǒng)暗噪聲高達(dá)10 kHz[24]。

本文通過(guò)測(cè)試分析SiSPAD在1 μm附近的探測(cè)性能,發(fā)現(xiàn)1030 nm波長(zhǎng)的探測(cè)效率是1064 nm的2.9倍,繼而開(kāi)展兩種波長(zhǎng)的單光子測(cè)距性能比對(duì)測(cè)試。得益于探測(cè)效率的明顯提升,1030 nm波長(zhǎng)單光子探測(cè)激光雷達(dá)的測(cè)距能力較1064 nm提升了67.8 %。

2 SiSPAD在1 μm波段探測(cè)效率

SPAD的探測(cè)概率由量子效率和光生載流子觸發(fā)雪崩電流概率組成。量子效率指入射光子被APD吸收層的半導(dǎo)體材料吸收后產(chǎn)生光生載流子的概率,其中最主要的吸收形式為本征吸收。半導(dǎo)體材料對(duì)不同波長(zhǎng)入射光子的本征吸收強(qiáng)度不同,導(dǎo)致SPAD的探測(cè)效率存在差異。在1 μm波段,Si的本征吸收強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增大而降低。本文首先測(cè)量Si SPAD在1 μm波段的探測(cè)效率,從而分析比較1030 nm與1064 nm兩種波長(zhǎng)單光子探測(cè)激光雷達(dá)的性能差異。本文采用德國(guó)Laser Components公司的Si APD器件(Sap500),發(fā)展主動(dòng)抑制電路,研制成Si SPAD,所測(cè)探測(cè)效率與其他同類(lèi)產(chǎn)品存在絕對(duì)數(shù)值上的差異,但探測(cè)效率隨波長(zhǎng)的變化趨勢(shì)是一致的。在暗室中對(duì)Si SPAD探測(cè)效率標(biāo)定結(jié)果如圖1所示。從標(biāo)定結(jié)果可見(jiàn),Si SPAD在1 μm附近的探測(cè)效率隨波長(zhǎng)增長(zhǎng)而快速下降,其在1064 nm波長(zhǎng)的探測(cè)效率僅1.1 %,而在1030 nm波長(zhǎng)的探測(cè)效率達(dá)到3.2 %,兩者存在約2.9倍差異。

圖1 SiSPAD探測(cè)效率標(biāo)定結(jié)果

使用雷達(dá)方程來(lái)計(jì)算探測(cè)效率差距對(duì)測(cè)距能力的影響。入射到探測(cè)器的每脈沖平均光子數(shù)μ為:

(1)

其中,Eout為系統(tǒng)出射光的單脈沖能量;D為接收鏡直徑;ρ為目標(biāo)表面反射率;Topt為系統(tǒng)的光學(xué)損耗;L為目標(biāo)距離雷達(dá)系統(tǒng)的距離;hc/λ為單光子能量;Ta代表大氣透過(guò)率。1030 nm和1064 nm的大氣透過(guò)率十分接近,非超遠(yuǎn)程工作條件下可以忽略Ta的影響。根據(jù)泊松分布公式,當(dāng)平均入射光子數(shù)為μ時(shí),單光子探測(cè)器能夠探測(cè)到n個(gè)入射光子的概率P為:

(2)

其中,η為探測(cè)器的探測(cè)效率,探測(cè)器沒(méi)有探測(cè)到光子的概率為P(μη,0)=e-μη,至少探測(cè)到一個(gè)光子的概率為P(μη,n≥1)=1-e-μη,已知η1030=2.9η1064。假設(shè)式(1)中其他參數(shù)相同,當(dāng)1030 nm/1064 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)的非零計(jì)數(shù)概率P(μη,n≥1)相同,代入可得:

(3)

結(jié)果為1030 nm激光雷達(dá)的探測(cè)距離比1064 nm激光雷達(dá)高出約67.8 %,更高的探測(cè)距離意味著更大的應(yīng)用潛力。另一方面,激光光源的性能也與探測(cè)距離密切相關(guān)?，F(xiàn)主流的1064 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)多使用Nd∶YAG激光器作為光源,該激光器技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛。相比之下,雖然使用Yb∶YAG晶體的1030 nm激光器相關(guān)研究較少,但該晶體擁有量子效率高、能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換作用、無(wú)濃度猝滅現(xiàn)象,高吸收帶寬等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。已經(jīng)有許多高性能的1030 nm激光器產(chǎn)品相繼推出,解決了1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)的光源問(wèn)題。雖然1064 nm激光器輸出功率高于1030 nm激光器,但對(duì)于汽車(chē)自動(dòng)駕駛、地形測(cè)繪等需要符合人眼安全條件的應(yīng)用領(lǐng)域,現(xiàn)有1030 nm激光器已滿(mǎn)足功率要求。

3 單光子探測(cè)激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2為單光子探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖。實(shí)驗(yàn)中使用的1030 nm固態(tài)激光器輸出脈寬為1.5 ns、重復(fù)頻率為1.5 kHz,輸出光束的直徑為1.1 mm、發(fā)散角為1.2 mrad、單脈沖能量最大可調(diào)至100 μJ。1064 nm激光器的輸出脈寬為2.2 ns、重復(fù)頻率為1 kHz、光束的直徑為1 mm,發(fā)散角為3.5 mrad,單脈沖能量0.5 μJ。兩波長(zhǎng)激光器可以拆卸替換,便于開(kāi)展兩個(gè)波長(zhǎng)的單光子測(cè)距對(duì)比實(shí)驗(yàn)。出射光束經(jīng)過(guò)組合濾光片衰減后,由有機(jī)玻璃板進(jìn)行分光(分光比為3.7∶96.2),其中反射光束進(jìn)入PIN光電二極管產(chǎn)生同步信號(hào),透射光束穿過(guò)50 mm直徑的打孔反射鏡(打孔孔徑10 mm)后出射。掃描裝置采用雙棱鏡設(shè)計(jì),由一對(duì)直徑25.4 mm、頂角18.2°的楔形棱鏡組成,并使用兩個(gè)金屬傳感器反饋棱鏡的旋轉(zhuǎn)角度。1030 nm窄帶濾光片用于抑制背景噪聲。同步信號(hào)、金屬傳感器兩路方位角信號(hào)、SPAD總共4路信號(hào)輸入到TCSPC系統(tǒng)中記錄。

圖2 單光子探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)

4 1030 nm/1064 nm單光子測(cè)距對(duì)比

本文分別開(kāi)展1030 nm和1064 nm波長(zhǎng)的單光子測(cè)距實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證兩個(gè)波長(zhǎng)探測(cè)效率差異對(duì)單光子測(cè)距能力的影響。按照?qǐng)D2原理圖搭建單光子探測(cè)激光雷達(dá),固定雙棱鏡的方位角使激光光束方向恒定,并通過(guò)改變?yōu)V光片調(diào)節(jié)脈沖強(qiáng)度,將兩個(gè)光源調(diào)整到單脈沖能量基本一致。同時(shí)確保探測(cè)器計(jì)數(shù)保持在平均每脈沖0.1個(gè)光子以下,以規(guī)避多光子計(jì)數(shù)的影響。經(jīng)過(guò)測(cè)試,光路中打孔反射鏡、耦合透鏡等其他光學(xué)原件在兩波長(zhǎng)處的光學(xué)損耗差異可以忽略不計(jì)。每個(gè)波長(zhǎng)均測(cè)試5次,單次累計(jì)時(shí)間t=20 s,測(cè)距目標(biāo)為實(shí)驗(yàn)室走廊后面60 m遠(yuǎn)的白色墻壁,圖3展示了其中兩次測(cè)量的結(jié)果。

圖3中1030 nm測(cè)距得到的信號(hào)峰在高度上明顯超過(guò)1064 nm。因?yàn)?030 nm激光器功率比1064 nm激光器更大,其初始出射光束被濾光片反射回來(lái)并散射到周?chē)髸?huì)對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生干擾,所以?xún)刹ㄩL(zhǎng)的噪聲強(qiáng)度存在差異。本文在后續(xù)分析中先做了去底噪處理。兩個(gè)波長(zhǎng)測(cè)距時(shí)雷達(dá)系統(tǒng)的位置有一些變動(dòng),導(dǎo)致測(cè)距結(jié)果不一致。該差異在后續(xù)計(jì)算中已經(jīng)代入,不影響驗(yàn)證比對(duì)。使用Matlab對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)距結(jié)果進(jìn)行積分,得到信號(hào)峰內(nèi)回波信號(hào)的總和,結(jié)果如表2所示。

表2 相關(guān)參數(shù)和測(cè)距結(jié)果

總光子計(jì)數(shù)可表示為N=P(μη,n≥1)·t·f。設(shè)n1030、n1064為兩個(gè)波長(zhǎng)的總光子計(jì)數(shù),f1030、f1064為激光重頻,E1030、E1064為脈沖能量。由(1)式和(2)式可推出:

(4)

結(jié)果為3.09倍,與上文Si SPAD探測(cè)效率的標(biāo)定結(jié)果(2.9倍)基本符合。

5 單光子三維成像實(shí)驗(yàn)

掃描裝置的性能高低是影響雷達(dá)光束在空間上指向精確與否的關(guān)鍵性因素。聲光、電光偏轉(zhuǎn)器等[25]非機(jī)械性的掃描裝置會(huì)引發(fā)光電效應(yīng)等現(xiàn)象,因此存在通光孔徑偏小和光束傳輸質(zhì)量較差等問(wèn)題。機(jī)械性掃描裝置包括以旋轉(zhuǎn)電機(jī)為代表的云臺(tái)法、以振鏡為代表的反射法和以楔形棱鏡為代表的折射法。其中云臺(tái)法大都體積笨重,無(wú)法高精度且快速的掃描;反射法因鏡子角度改變量與光束偏轉(zhuǎn)角度為2倍關(guān)系,在機(jī)械誤差上更為敏感,面對(duì)機(jī)械震動(dòng)等外界因素時(shí)抗干擾能力不足。與上述方法相比,雙棱鏡結(jié)構(gòu)更為緊密、響應(yīng)速度快、抗干擾能力更強(qiáng)[26],在復(fù)雜環(huán)境的適用性上也更好[27-28]。

組成掃描裝置的一對(duì)楔形棱鏡安置在金屬套筒中。套筒上安裝有傳動(dòng)輪,通過(guò)傳動(dòng)帶與步進(jìn)電機(jī)相連,最高轉(zhuǎn)速10 r/s。步進(jìn)電機(jī)上安裝了兩個(gè)不同齒數(shù)的傳動(dòng)輪用于帶動(dòng)雙棱鏡旋轉(zhuǎn),其驅(qū)動(dòng)信號(hào)由高精度信號(hào)發(fā)生器給出,雙棱鏡的方位角信息由棱鏡套筒旁的兩個(gè)金屬傳感器給出。雙棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)速度由電機(jī)轉(zhuǎn)速和各自傳動(dòng)輪齒數(shù)比共同決定,通過(guò)更換傳動(dòng)輪即可改變掃描軌跡。實(shí)驗(yàn)中的齒數(shù)比為50∶47,掃描軌跡如圖4(b)所示。激光落點(diǎn)的空間坐標(biāo)由雙棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)方程求解:

圖4 單光子成像點(diǎn)云圖

x(ω1,ω2)=(r1+rd)·sin(ω1t)+r2·sin(ω2t+Δθ)

(5a)

y(ω1,ω2)=(r1+rd)·cos(ω1t)+r2·cos(ω2t+Δθ)

(5b)

x(ω1,ω2)2+y(ω1,ω2)2+z(ω1,ω2)2=D2

(5c)

r1≈r2≈z(ω1,ω2)·tan(θ0)

(5d)

rd=C1+C2·cos(|ω1t-ω2t-Δθ|)

(5e)

x(ω1,ω2)、y(ω1,ω2)、z(ω1,ω2)分別為當(dāng)前時(shí)刻激光落點(diǎn)的空間三維坐標(biāo),ω1、ω2為雙棱鏡的角速度;θ0為楔形棱鏡的頂角角度;C1、C2為一個(gè)和θ0有關(guān)的已知小常量;t為當(dāng)前時(shí)刻距離起始時(shí)刻經(jīng)過(guò)的時(shí)間,由金屬傳感器信號(hào)和同步信號(hào)的差值給出;Δθ為起始時(shí)刻雙棱鏡之間的相位角,在組裝雷達(dá)時(shí)測(cè)量給出;D為激光飛行距離,由TCSPC測(cè)量給出。對(duì)(5)式綜合求解即可得到對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。

為進(jìn)一步減少背景噪聲,本文在打孔反射鏡到單光子探測(cè)器的光路上用吸光材料做了遮蔽處理。配合帶寬10 nm的窄帶濾光片,背景噪聲最終被控制在10 kHz以?xún)?nèi)。

為演示1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)的成像效果,本文在實(shí)驗(yàn)室周?chē)x取了一個(gè)合適的場(chǎng)景。如圖4(a)所示,整體場(chǎng)景可分為3層:距離最近的兩輛汽車(chē)和兩顆行道樹(shù)、靠中間的灌木叢、以及最外層的辦公樓外墻。掃描范圍為一個(gè)頂角36°的圓錐,從系統(tǒng)到辦公樓外墻的距離約50 m,最大掃描半徑16 m。本文將連續(xù)掃描的軌跡平均劃分為若干個(gè)像素點(diǎn),用TCSPC技術(shù)處理單個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的所有回波信號(hào)。在多個(gè)脈沖周期累計(jì)后,背景噪聲接近平均的分布在時(shí)間軸上,而與同步信號(hào)相關(guān)性強(qiáng)的目標(biāo)信號(hào)集中累積在一處,形成計(jì)數(shù)值遠(yuǎn)超噪聲的信號(hào)峰。設(shè)定一個(gè)比較閾值去噪后對(duì)該信號(hào)峰提取質(zhì)心對(duì)應(yīng)的時(shí)間T,即可求出該像素點(diǎn)的距離D=cT/2。

盡管在白天使用1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)也能獲得目標(biāo)場(chǎng)景的距離信息,但過(guò)高的背景計(jì)數(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比過(guò)低、運(yùn)算處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng),所以本章實(shí)驗(yàn)在夜間進(jìn)行。設(shè)置掃描時(shí)間250 s,電機(jī)轉(zhuǎn)速為0.2 r/s,雙楔形棱鏡分別轉(zhuǎn)動(dòng)50圈和47圈。每個(gè)像素點(diǎn)的累計(jì)時(shí)間為6.6 ms,掃描軌跡被劃分為約38000個(gè)像素點(diǎn)。掃描結(jié)果如圖4(c)、(d)所示。

圖中目標(biāo)場(chǎng)景的重建效果良好。距離約25 m的藍(lán)色點(diǎn)云中,靠上部分為兩顆行道樹(shù),靠下部分為兩輛汽車(chē),在圖4(d)中分別“A”框和“B”框標(biāo)出。第二層灌木叢距離約35 m,用淺藍(lán)灰色點(diǎn)云顯示,在圖4(d)中用“C”框標(biāo)出。最后的辦公樓外墻距離約50 m,用橙色點(diǎn)云顯示其3層結(jié)構(gòu)。汽車(chē)和樹(shù)木的總體輪廓清晰,而辦公樓外墻在細(xì)節(jié)上效果一般。這是因?yàn)槠?chē)和樹(shù)木的表面反射率較高,而辦公樓外側(cè)有大量低漫反射率的玻璃窗,導(dǎo)致回波光子數(shù)量有差異。同時(shí)在雙楔形棱鏡掃描軌跡劃分的像素點(diǎn)中,中心區(qū)域的像素點(diǎn)較為密集,而邊際區(qū)域的像素點(diǎn)分布稀疏,進(jìn)而造成了外墻部分成像模糊。

6 結(jié) 論

本文搭建了一套基于SiSPAD的1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá),采用雙棱鏡作為掃描裝置。從SiSPAD探測(cè)效率標(biāo)定數(shù)據(jù)的分析和1064 nm/1030 nm兩個(gè)波長(zhǎng)測(cè)距比較實(shí)驗(yàn)這兩個(gè)方面驗(yàn)證,說(shuō)明1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)能夠獲得67.8 %左右的探測(cè)距離提升。另外,本文還演示了50 m范圍的近距離三維成像,證明了1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)的可行性。同時(shí),目前已經(jīng)研發(fā)出高性能的1030 nm激光器貨架產(chǎn)品,解決了激光光源的問(wèn)題。相較于傳統(tǒng)的近紅外激光雷達(dá),這種1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)在未來(lái)汽車(chē)自動(dòng)駕駛、地形測(cè)繪等方面有很大的應(yīng)用潛力。