正在进行安全检测...
发布时间：2023-10-13 17:10:04
第ｌ３卷第１８期２０１３年６月 科学技术与工程 Ｖｏ１．１３ Ｎｏ．１８ Ｊｕｎ．２０１３ １６７１—１８１５（２０１３）１８—５１８６—０５ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ⑥２０１３ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ． 通信技术 光子计数激光测距技术研究 侯利冰黄庚华 况耀武 陈 凯舒嵘 （空间主动光电技术与系统实验室，中国科学院上海技术物理研究所，上海２０００８３） 摘要光子计数激光雷达采用了灵敏度极高的单光子探测器，能够将激光雷达系统的灵敏度提高２ 个数量级，具有极大 的发展潜力和技术优势。介绍和分析了光子计数激光测距技术的基本原理和优点。设计了光子计数激光雷达实验系统，采 用盖革模式的雪崩二极管（Ｇｅｉｇｅｒ—ｍｏｄｅ ＡＰＤ），开展了测距验证实验。实验结果表明，采用光子计数激光测距能够在单光子灵 敏度和强噪声背景条件下，获取目标的距离信息，距离测量精度达到６．２３ ｃｍ。 关键词激光测距 光子计数 单光子探测器 Ａ 中图法分类号ＴＮ２４９； 文献标志码传统的激光雷达（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ， 激光器和灵敏度极高的单光子探测器（ＰＭＴ或Ｇｅ１． Ｌｉｄａｒ）采用线性探测（Ｌｉｎｅａｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）体制，激光回 波脉冲中包含数千个光子能量，依靠较高的信噪比 将回波信号从背景噪声中鉴别出来，考虑到系统的 信噪比和可靠性，实际采用的激光能量还需要更大 一ｇｅｒ—ｍｏｄｅ ＡＰＤ），将线性探测体制下包含大量光子的 回波波形探测转换为针对单个回波光子事件的“计 数”，充分利用了回波信号中的能量（单光子级别）， 利用目标距离信息的相关性和光子事件累积计数， 在背景噪声和暗计数中将真实的距离数据提取出 来，提高探测概率，最大限度提高系统探测灵敏度 和探测效率。光子计数激光测距技术的优点是能 够以较低的激光脉冲能量获取远距离目标的距离 些。高的激光发射能量一方面限制了发射激光 方面造成了大量回波光子的浪费。 重复频率、数据采样率以及探测距离的提高，另外 一为了实现更高的探测灵敏度、更远的探测距离 和更大的数据采样率，国际上纷纷展开了对于各种 新型激光测距技术的研究工作，光子计数激光测距 技术便是其中之一。以美国ＮＡＳＡｌ１ Ｊ、ＭＩＴ林肯实 验室 为代表的国外多家研究机构已经在光子计 数激光测距领域展开了多年的研究工作，研制出了 一信息，大大简化了激光雷达系统，降低了系统对于 功耗、望远镜口径等平台资源的要求 ｊ。 １光子计数激光测距原理 １．１信号和噪声模型 系列演示验证系统，展示了光子计数激光测距的 当激光脉冲照射到朗伯目标时，单光子探测器 能够对回波光子进行响应并产生的平均光电子数 可由激光雷达方程计算，由于激光雷达的探测视场 一技术优势和应用潜力。 光子计数激光测距与线性探测体制一样，都采 用了直接脉冲探测的方法，通过记录发射激光脉冲 般大于激光发散角，此处采用了激光雷达的面目 和回波光子信号的时问来实现目标距离信息的获 取。光子计数激光测距技术采用高重频、低能量的 ２０１３年１月８日收到，２０１３年１月１８ Ｅｌ修改 国家８６３计划 标探测形式 。 ＝ （１） 式（ｉ）中，Ⅳ 是单次激光探测过程中探测器产生的 （２００７ＡＡ１２Ｚ１０５）、上海技术物理研究所创新专项项目资助 第一作者简介：侯利冰（１９８６～），男，博士研究生。研究方向：光子 计数激光雷达。Ｅ．ｍａｉｌ：ｈｌｂ４１００＠１６３．ｃｏｍ。 平均光电子数；Ｐ是目标表面的反射率； 是激光 雷达与目标之间的单程大气透过率； ｙ７ 是激光发射 系统光学效率； 是激光接收系统光学效率；Ａ 是
ｌ８期 侯利冰，等：光子计数激光测距技术研究 接收望远镜有效口径面积；Ｅ 是激光发射单脉冲能 量；Ｒ是激光雷达和目标之间距离；＇７ 是单光子探 测器的量子效率；ｈｖ是相应激光波长的单光子 能量。 光子计数激光雷达的噪声主要源自探测器视 场内的背景光噪声和单光子探测器本身的暗计数 （Ｄａｒｋ Ｃｏｕｎｔｓ），两种噪声的产生是相互独立的两个 随机过程。因此，系统总的噪声光电子数可由两者 的叠加表示 Ｎｎ＝Ｎｂ＋Ⅳｄ （２） 式（２）中，Ⅳｎ是总的平均光电子数，代表了在单位 时间内探测器响应的噪声光电子数的平均值；Ｎｂ是 背景光噪声函数的平均光电子数；Ｎｄ是探测器暗计 数。 探测器的暗计数由探测器本身的性能决定，对 于陛能较好的单光子探测器一般小于１ ｋＨｚ。激光 雷达探测视场内的日光背景噪声强度可由如下 表述 Ⅳｂ Ｎ轧ｍ＝ｐｒａｒ＇￣ Ａ ＮｉＡｋｃｏｓ０ ＿３ ｑＬｑａ． （３） ，¨ 式（３）中， 是太阳到目标表面的大气透过率； 是目标探测视场角； 是阳光照射方向和目标表 面法向夹角；△Ａ是接收光学系统滤光片带宽；ＮＡ 是大气层外激光波长附件的太阳光谱辐照度。对于 ５３２ ｎｍ波长， 的值约为１．８３ Ｗ／（ｍ ・ｎｍ）；对于 １ ０６４ ｎｍ波长， 的值约为０．７５ Ｗ／（ｍ ｎｍ）。 １．２光子计数激光测距理论 根据统计光学理论，在光子计数激光测距中， 目标表面散射回来的激光回波信号，在强度分布上 是一个被伽马分布的激光散斑噪声调制后的泊松 分布，因此，单光子探测器产生的信号光电子应当 服从负二项分布 。 当平均信号光电子数Ⅳ 远小于接收光学系统 的散斑自由度 时，负二项分布进一步退化成泊松 分布。对于光子计数激光测距，回波信号的强度一 般处在单光子量级， ・ 的条件成立，采用泊松分 布来近似分析系统的探测模型能够较为准确的反 应系统性能。此时，△ 时间间隔内ｋ个光电子事件 被单光子探测器探测到的概率可由下式表述 Ｊ： ： （４） ： 式（４）中， ＝Ｎ ＋Ⅳｎ是信号光电子和噪声光电 子的平均数。上式完全描述了光子计数激光雷达 在采样时间ＡＴ内探测到光电子事件的分布情况。 光子计数激光测距本质上是将探测距离分成 若干个距离栅格，每个距离栅格对应了激光探测过 程中的一个时问段，通过对各个时间段内光电子信 号事件的统计，利用目标信号和噪声信号不同的概 率密度实现噪声信号的滤除。光子计数激光测距 中单个距离栅格内的探测概率是该栅格对应时问 间隔内信号光电子和噪声光电子共同作用的结果， 当至少有一个光电子信号产生时，则认为探测到信 号。根据式（４）描述的探测模型，在单个距离栅格 内没有探测到任何光子信号的概率为 Ｐ （ｋ＝０，Ａｔ）＝ｅｘｐ（一Ⅳ ） （５） 因此，单个距离栅格的信号探测概率为 Ｐｄ（Ａｔ）＝１一ｅｘｐ（一Ⅳｓ ） （６） 式（６）中，Ⅳ。 是距离栅格对应时问 内产生的平 均光电子数。 大部分单光子探测器都存在死时间效应（Ｄｅａｄ— ｔｉｍｅ Ｅｆｆｅｃｔ），该效应由探测器本身对于光子信号的 响应时间决定。以本文使用的盖革模式雪崩二极 管为例，受到探测器响应和淬灭电路（Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ）限制，探测器在探测到第一个光子信号后， 需要一段时间来恢复工作状态。对于大部分的商 用盖革ＡＰＤ，探测死时间一般处于１Ｏ—ｌ００ ｎｓ量 级。受探测器死时间和探测器噪声信号的影响，在 一次有效探测中，第一次探测到的光子信号会对后 续信号的探测产生抑制作用，光子信号的探测概率 会出现一定程度上的衰减。在综合考虑死时间效 应后，信号的探测概率可表述为 Ｐｄ（Ａｔ）＝ｅｘｐ（一Ｎ．ｔｄ ｄ）［１一ｅｘｐ（一 ）］ （７） 式（７）中，Ⅳｎ是平均噪声光电子数；ｔ 是探测器的 死时问。 ２光子计数激光雷达实验系统 为了分析光子计数技术应用于激光测距的性 能，现设计研制了光子计数激光测距实验系统，实
科学技术与工程 １３卷 验系统原理结构如图１所示。激光雷达工作时，激 光器发射的激光脉冲信号经过发射光学系统照射 到目标表面，目标散射回来的激光信号由望远镜接 收，利用光纤将接收到的光信号耦合至单元盖革 ＡＰＤ上。激光雷达的主波和回波信号输出至ＴＤＣ 测时模块，将激光光子的飞行时问记录下来。控制 和数据传输模块负责控制整个激光雷达实验系统 的工作状态，并将采集到的数据传输至计算机。 目标 厂 计 ｌ竺竺：Ｉ 宅波 － ｆＬ＿ —厂———广一 Ｉ Ｉ 算 机 数据 １门控信号 ／Ｌ＼ｒ 控制和数据传输模块 图１光子计数激光雷达结构图 实验系统采用了５３２ ｎｍ被动调ｐ微片激光 器，激光脉宽约为５５０ ｐｓ（ＦＷＨＭ），发射激光能量约 １ ，重复频率１０ ｋＨｚ，出射激光发散角约为１００ ｄ。采用２０ ｍｍ口径的望远镜接收激光回波信 号，当目标距离较近，激光回波能量过大时，利用可 以调整的孔径光阑将接收到的激光信号衰减至单 光子量级。单光子探测器采用Ｅｘｃｅｌｉｔａｓ公司的盖革 单光子探测模块（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｉｎｇ Ｍｏｄｕｌｅ， ＳＰＣＭ），在５３２ ｎｍ处单光子探测效率达到５０％以 上，时间分辨率约３００ ｐｓ，探测死时间３０ ｎｓ，最大计 数率２５ ＭＨｚ，暗计数小于２５０ Ｈｚ，通过多模光纤耦 合的方式将光信号耦合至探测器光敏面上。主波 探测采用高速的ＰＩＮ光电二极管。时间测量系统采 用基于ＦＰＧＡ延迟线内插的时间．数字转换电路 ０＿ （Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＴＤＣ），测时精度达到８０ ｐｓ，分辨率５９ ｐｓ。为了抑制背景光噪声，激光雷达 系统将探测视场压窄为１００ ｌｌｒａｄ；将盖革ＡＰＤ工作 于门控探测模式下，门控时间为１ ｓ；利用１ ｎｍ的 窄带滤光片来滤除大部分激光波长以外噪声信号。 ３系统性能分析 为了验证光子计数激光测距的原理，评估其工 作于强光背景噪声条件下的系统性能。利用设计 的光子计数激光雷达系统，在白天日照条件下对４０ ｍ外的标准反射率靶板进行了室外测距实验。 实验过程中，回波光电子数可依据激光雷达方 程估计。其中，标准反射率靶板的反射率Ｐ＝０．１５， 测试目标距离Ｒ＝４０ ｍ，大气透过率Ｔａ＝０．９９，调 整孔径光阑遮拦后系统接收效率约为叼 ＝０．００９， 此时，回波光电子数约为１１３个。为了使接收系统 能量尽量接近单光子量级，可进一步利用衰减片调 整探测器接收到的激光能量，使回波光电子数在 ０—１０波动。 图２是激光回波信号强度约为２个光电子时的 对外测距实验结果。其中，图２（ａ）是激光雷达探测 到的光子事件的空间点云分布情况，噪声信号较为 均匀的分布在整个探测空间内，４０ ｍ处光子事件发 生的密度明显强于其他距离处，有着极高的探测概 率，通过光子计数累积和目标距离相关处理，能够 有效的将噪声信号滤除掉，提取出目标的真实距 离。经过滤噪处理的点云数据如图２（ｂ）所示。图 ３是激光回波光子信号的累积分布图，当回波信号 强度为２个光电子时，系统的测距精度约为 ６．２３ ｃｍ。 ‘ 进一步采用不同衰减率的衰减片对目标进行 测距实验，实验结果如表１所示。分析表１中的实 验数据，当回波光电子数较多时，目标的测距平均 值偏近，测距精度较高；当回波光电子数较少时，目 标的测距平均值偏远，测距精度降低。产生以上实 验结果的原因是，当回波光电子数较多时，回波能 量较大，触发单光子探测器的光子信号大部分来自 于激光脉冲的前沿，较为集中，由于死时间效应，脉 冲后沿的光子被探测到的概率降低，因而其测距值 偏近，测距精度较高；当回波光电子数进一步衰减， 回波能量较小时，整个激光脉宽内的光子信号都有 可能触发探测器，因而其测距值偏远，受到激光脉 宽的影响，其测距精度也较强回波能量时低一些。 由此可见，在光子计数激光雷达中，激光脉宽将在 很大程度上影响系统的测距精度，若要进一步提高 测距精度，需要进一步压窄激光脉冲的脉宽，此外， 探测器响应、时问测量系统精度等环节也会在一定
ｌ８期 侯利冰，等：光子计数激光测距技术研究 ９Ｏ ８Ｏ ７Ｏ ６０ 墨５０ ４０ ３Ｏ ２Ｏ １Ｏ ０ ０ ５ １ １ ５ ２ ２ ５ 光电子 （ａ）激光点云分布 ９０ ８０ ７Ｏ ６０ 圈５０ ４０ ３Ｏ ２Ｏ １Ｏ ０ ０ ５ １ １ ５ ２ ２ ５ ３ 光电子 ×１０４ （ｂ）噪声滤除后的点云数据 图２光子计数激光测距实验结果 （Ⅳ 一２ ｐｈｏｔｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｓ） 程度上引入测距误差。 ｌ Ｌ Ｊ ■ 图３测距结果累积分布图 （Ｎｓ≈２ ｐｈｏｔｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｓ） 表１不同回波强度下激光测距实验结果 图４是不同回波强度下实验探测概率和理论分 析值的对比，实验数据结果与建立的光子计数激光 测距模型和设计参数相吻合，有效验证了光子计数 激光测距的原理和设计理论，实验系统能够达到预 期的性能。 姗 平均光电子 图４实验结果与理论探测概率对比 ４结论 光子计数激光测距技术具有灵敏度高、资源消 耗少、探测效率高以及探测距离远等优点，是新型 的激光测距技术。本文主要研究了光子计数激光 测距技术的原理，并在此基础上设计了光子计数激 光雷达系统，以单光子灵敏度在日光背景噪声条件 下实现了目标测距和数据提取，系统测距精度达到 ６．２３ ｃｍ。实验装置和测试结果很好的验证了噪声 条件下光子计数激光测距的原理和系统设计方法， 进一步的研究工作将会深入地研究回波光电子数 和测距误差的之间的关系，设计补偿算法，降低系 统测距误差，取得更高的测距精度。
５１９０ 科学技术与工程 １３卷 （６）：１８０～ｌ８５ 参考文献 ６ Ｇｏｏｄｍａｎ Ｊ Ｗ．Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ．Ｗｉｌｅｙ，１９８５ ７ Ｍｉｌｓｔｅｉｎ Ａ Ｂ，Ｊｉａｎｇ Ｌ Ａ，Ｌｕｕ Ｊ Ｘ，ｅｔ ａ１．Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ—ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｌａｄａｒｓ ｗｉｔｈ Ｇｅｉｇｅｒ－ｍｏｄｅ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ．Ａｐ— Ｄｅｇｎａｎ Ｊ Ｊ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ３－Ｄ ｉｍａｇｉｎｇ，ｐｈｏｔｏｎ—ｃｏｕｎｔ— ｉｎｇ，ｍｉｃｒｏｌ 