新型线阵单光子成像雷达系统的设计

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所、上海量子科学研究中心、上海理工大学的研究人员组成的团队在《红外与激光工程》期刊上发表了题为“基于InGaAs单光子探测器的线阵扫描激光雷达及其光子信号处理技术研究”的最新论文。通讯作者为黄庚华研究员，主要从事光子计数激光测距、三维成像技术、地球测绘、深空软着陆激光高精度测高技术、红外、激光复合目标跟踪及探测技术等方面的研究。

激光雷达（LiDAR）是一种将传统雷达技术与现代激光技术相结合的主动探测技术，其可以高效率高分辨率完成目标的三维结构数据的获取，广泛用于各类高新科技领域。随着探测体系的发展，基于单光子探测技术的光子计数三维成像激光雷达使得回波光信号的探测灵敏度大大提高，使得小型化、远距离、高分辨、高精度的激光三维成像设备成为可能，但其技术难度较高，已成为目前的研究热点。

虽然国内外已有许多采用SPAD来进行测距及成像实验的方案，但主要采用可见光波段的Si基SPAD，与之相比，InGaAs/InP SPAD的暗计数、探测效率、后脉冲概率、死时间等指标并不理想，为了在近红外波段实现更高的单光子探测性能，InGaAs/InP SPAD主要采用门控淬灭模式，这种模式比较适合目标距离已知的情况，并不适合目标距离范围较大的场合，而采用自由运转体制的主动淬灭模式InGaAs/InP SPAD进行测距及成像实验的相关研究较少，而且仅停留在原理样机阶段；国外由于器件技术的长期发展，已经基本实现大规模阵列InGaAs/InP SPAD器件技术的商业化，其主要由美国麻省理工学院的林肯实验室（MIT/LL）和Princeton Lightwave公司主导。

基于此，本文提出了一种新型的线阵单光子成像雷达，采用128个单元InGaAs/InP SPAD拼接为线阵排列，通过扫描实现水平200°范围的激光扫描成像。该系统工作波段为1550nm，作用距离＞3km。经过成像算法处理，此系统在日光条件下成功实现多距离目标三维成像，成像目标清晰。

系统设计

激光雷达系统采用光子计数体制，主要技术包括窄脉冲高重频短波红外激光技术、InGaAs/InP SPAD单光子探测及主动淬灭技术、光子计数技术及高精度时间测量技术等，组成部分主要包括：激光器模块、收发光学模块、单光子探测器模块、高精度时间测量模块、扫描电机模块、电源模块。系统的结构如图1所示。

图1 激光雷达系统框图

1550nm光纤激光器产生的激光经过扩束准直后通过衍射光学元件DOE进行分束，光纤激光器的输出光纤芯径25μm，数值孔径0.10，系统发射波束为128，每一波束的发散角为0.15mrad， 相邻波束之间的夹角为13.7mrad，衍射元件的尺寸为38mm，有效工作范围为34mm。接收望远镜采用像方远心的设计，将128束回波与线阵光纤进行耦合，之后每根光纤经过中心波长1550.12nm带宽为0.2nm的窄带滤光片滤除背景噪声，最后通过多模光纤与探测器进行耦合。

激光雷达系统采用的单光子探测器为上海技术物理研究所自研的1550nm波段InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管，其在1550nm波段探测效率》3%，内置有三级TEC制冷器，采用TO-66封装结构，耦合50/100μm多模尾纤，内置有效探测面直径35μm的盖革模式雪崩光电二极管芯片。

探测电路集成了主动淬灭、TEC温控、APD偏压和信号读出等功能。探测器工作在自由运转模式下，在每一只InGaAs/InP单光子探测器上独立进行主动淬灭控制，更快地进行雪崩抑制过程，进一步降低噪声对探测概率的影响同时降低死时间并提高饱和计数率。TEC温控模块将探测器器件的温度稳定在-40℃~-20℃的可调区间，偏压控制单元可以提供稳定可调的独立偏压调节。

成像效果分析

对室外高层建筑群进行了扫描成像实验，电机扫描角度为120°，旋转速度为180（°）/s，扫描4次进行累计，记录单次回波，取其中16元的成像点云数据进行了滤波及后脉冲预处理。从可见光照片图2可以看出成像区域左侧的建筑目标普遍较远，而右侧的建筑目标距离较近。图3（a）为经过滤波处理后的点云图像，图3（b）和（c）分别为3.3km距离的一个建筑点云图像和1.5~2.0km的建筑群的点云图像，其对应于图中白框标记的建筑群。可以看出经过算法处理后的点云图像已经可以较为清晰的还原远距离建筑的结构特征。

图2 可见光拍摄被测目标照片

图3 （a）为经算法处理后的点云图像；（b）、（c）分别为3.3km距离的建筑和1.5~2.0km的建筑群的点云图像

结 论

本文设计了一种基于光子计数探测体制的远程激光雷达三维成像系统，研究了单光子探测器的探测性能。之后通过定点测距实验和扫描成像实验验证了激光雷达的噪声及后脉冲特性、成像清晰度等指标。实验结果表明，该系统成功探测多距离目标信息，最高可探测3km以上的远程目标，最终重建的图像较为清晰，噪声抑制效果较好，该系统适用于远距离目标的三维点云成像。但由于InGaAs/InP SPAD显著的后脉冲效应导致的暗计数上升会严重影响探测性能。通过点云滤波及后脉冲预处理算法可显著滤除后脉冲以及本底噪声，同时压缩点云数据以便进行后续处理。之后也将进一步探索远程光子计数激光雷达系统提升探测距离以及改进成像效果的方法。

本研究工作获得了上海市市级科技重大专项（2019SHZDZX01）、船舶态势智能感知系统研制（MC-201920-X01）、上海市自然科学基金（19ZR1466000）的支持。

审核编辑：郭婷