光子计数三维成像激光雷达的分析与实验

第４ｌ卷　第ｌＯ期　２０１１年１０月　激光与红外　ＬＡＳＥＲ　＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤ　Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．１０　Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１　１　文章编号：１００１－５０７８（２０１１）１０—１０８１－０４　・激光应用技术・　光子计数三维成像激光雷达的分析与实验　郭　颖，侯利冰，舒嵘　（中国科学院上海技术物理研究所，上海２０００８３）　摘要：对于直接探测三维成像激光雷达，采用光子计数探测器可以响应单光子水平的目标回　波，从而大大提高探测效率。研究的光子计数三维成像激光雷达采用盖革模式雪崩光电二极　管（ＡＰＤ）作为探测器。首先分析了回波光子探测模型，并根据此模型讨论了激光雷达探测概　率和测距模式。在理论分析的基础上，设计了一套光子计数三维成像激光雷达系统，对一些选　定目标进行了测距和三维成像实验，并对实验结果进行了分析。　关键词：光子计数；盖革模式；三维成像；激光雷达　中图分类号：ＴＮ２４９；ＴＮ９５８．９８　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－５０７８．２０１１．１０．１３０５　Ｐｈｏｔｏｎ　ｃｏｕｎｔｉｎｇ　３Ｄ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ＧＵＯ　Ｙｉｎｇ，ＨＯＵ　Ｌｉ—ｂｉｎｇ，ＳＨＵ　Ｒｏｎｇ　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ａ　ｄｉｒｅｃｔ—ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　３Ｄ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ，ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｎ　ｃｏｕｎｔｉｎｇ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｃｏｕｌｄ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　３Ｄ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｌｉｄａｒ　ｕｓｉｎｇ　Ｇｅｉｇｅｒ　Ｍｏｄｅ　ＡＰＤ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｒａｎｇｅｆｉｎｄｉｎｇ　ｐｒｅ－　ｃｉｓｉｏｎ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｎ　ａ　ｐｈｏｔｏｎ　ｃｏｕｎｔｉｎｇ　３Ｄ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｂｒａｓｓ　ｈｏａｒｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ　ｒｅ—ａ　ｓｕｉｔｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｎ　ｃｏｕｎｔｉｎｇ；Ｇｅｉｇｅｒ　ｍｏｄｅ；３Ｄ　ｉｍａｇｉｎｇ；ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ　１　引　言　收机可以响应单光子水平的目标回波，从而大大提　高探测效率。美国林肯实验室的科研人员采用自己　开发的单光子雪崩二极管阵列开发了一种三维成像　目前商用的机载三维成像激光雷达一般采用线　性模式雪崩光电二极管接收目标反射激光回波，通　过激光脉冲飞行时间测量结合ＰＯＳ系统获取目标　表面形态和三维坐标数据。雪崩光电二极管探测单　激光雷达系统　Ｊ，但其设计仅能响应单次回波，具　有一定的局限性。本文结合工作于主动淬灭模式下　的盖革模式雪崩光电二极管和多回波到达时间测量　元将激光回波脉冲转化为电压脉冲提供给后续电路　处理，受限于探测器内部噪声和放大器噪声，这种探　测方式的灵敏度往往在数百光子以上。如果要求较　单元设计了一套三维成像激光雷达原型系统。本文　首先分析了光子计数激光雷达的回波光子探测模型　和测距模型，详细论述了光子计数三维成像激光雷　达原型系统的设计，最后对一些选定目标进行了一　系列的测距和三维成像实验并分析了实验结果。　基金项目：国家“８６３”计划（Ｎｏ．２００７ＡＡ１２Ｚ１０５）资助。　作者简介：郭颖（１９８２一），男，博士研究生，主要从事激光主动　遥感技术和远距离目标探测技术的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｕｏｙｉｎｇ＠ｕｓｔｃ．ｅｄｕ　收稿日期：２０１１－０３－２８；修订日期：２０１１－０４－２３　远的成像作用距离，一般采用提高激光脉冲能量、增　加接收光学系统口径等方法。这些方法一方面造成　系统体积和功耗过大，另一方面限制了激光器重复　频率的提高从而导致三维成像速率不高。　盖革模式ＡＰＤ是一种工作具有单光子灵敏度　的探测器，近年来发展很快，已经出现了多种不同材　料的阵列器件¨　Ｊ。将这种探测器用于激光雷达接　１０８２　激光与红外　第４ｌ卷　２光子计数三维成像激光雷达原理　２．１　光子计数激光雷达探测分析　光子计数激光雷达属于直接探测模式，在这种　Ｊｓ　＋　＝叼　（ｓＰ＋　）　（３）　式中，　和　分别表示信号和噪声产生的平均初　级光电子数。初级光电子经过后级的放大输出一个　电脉冲。为了便于分析，假定每一个初级光电子均　能产生一个可测到的电脉冲（实际探测器存在一个　产生概率Ｐ　）。　对于一个泊松随机过程，在一个时间间隔△　内　体制下，入射到光电探测器光敏面的包括视场内的　目标反射的回波信号光子和背景噪声光子（包括背　景自身的热辐射光子和背景反射的太阳辐射光　子）。光子计数激光雷达探测模型如图１所示。　标　图１　光子计数激光雷达探测模型　若发射激光脉冲能量为Ｅ　，假定被测目标是一　个距离为　，反射率为Ｐ的平坦漫反射目标（朗伯目　标），则根据激光雷达作用距离方程可以计算目标　反射回的平均光子数Ｊｓ　：　Ｊｓ　＝Ｅ　ｃ０ｓ０　蚪吾叼　Ａ　叼，　２。　（１）　其中，　为发射光学系统光轴与目标法线方向的　夹角；ｒ／　为发射光学系统效率；＂ｒ／，为接收光学系统　效率；　为大气透过率；Ａ，为光学接收面积；Ａ为激　光波长；　和Ｃ分别为普朗克常量和光速。　由于激光雷达一般工作在可见光或近红外波　段，背景自身的热辐射光子可以忽略不计。噪声光　子来源主要是背景发射的太阳辐射。　背景反射的太阳辐射引起的噪声光子平均产生　速率Ⅳ　可以表示为　：　ｌ　一　．　＝／ｓｕｎ　ｐＡ　△Ａ叩　ｖ／，叼　ｃｏｓ　（２）　，　Ｌ　其中，，　为所用波段大气层顶部太阳光谱辐射强　度；　为太阳光入射方向与目标法向的夹角；０，为接　收视场角；△Ａ为滤光片带宽。由式（２）可见，通过　光谱滤波（窄线宽）和空间滤波（小视场）可以有效　地抑制背景噪声光子。　对于背景反射的噪声光子，根据统计光学的结　论，应服从泊松分布。同时根据ｇｏｏｄｍａｎ的理论，对　于直接探测模式的激光雷达，接收机从一个漫反射　目标接收到的光子数遵循负二项式分布。光子计数　成像激光雷达接收到的光子数通常比散斑多样度小　得多。在这种情况下，泊松分布可以很好地近似负　二项式分布　Ｊ。这表明，照射在探测器光敏面上的　信号和噪声光子数均服从泊松分布。假定光电探测　器量子效率为　，则其产生初级光电子的过程可视　为以叼　为概率的ｎ重伯努利试验，此时初级光电子　仍服从泊松分布，且满足：　激发ｍ个初级光电子的概率可以表示为：　１　Ｐ（ｍ，Ａｔ）＝　（Ｍ（Ａｔ））　・ｅ卜　＂　（４）　，ｎ！　式中，Ｍ（Ａｔ）表示在该时间间隔内产生的平均初级　光电子数。根据式（４），在时间间隔△￡内没有光电　子产生的概率为ｅ　＂，从而产生一个可测电脉　冲的概率为１～ｅ‘。　＂。　对于目标探测而言，探测概率可以表示为：　Ｐ　＝ｅ—Ｎｐ　（１一ｅ—Ｓｐｅ）　（５）　其中，死时间　。　表示光子计数探测器连续输出两　个电脉冲的间隔（盖革模式ＡＰＤ一般在数十纳秒，　而光电倍增管可以小到几纳秒）。Ｐ　即表示信号　到来前死时间内不存在任何噪声初级光电子，同时　探测器被信号初级光电子触发。　实际的光子计数探测器除了Ｐ　和　还有暗　计数率　和后脉冲概率Ｐ　两项重要参数，前者　由探测器暗电流产生，后者则由探测器内部缺陷导　致。从机理上讲，暗计数率和背景噪声初级光电子　产生相似，也遵循泊松分布，可以合并考虑，不影响　前面的分析结果。而目前好的探测器后脉冲概率　Ｐ　可以做到０．３％，影响基本可以忽略。　此外，当存在两个临近目标时，死时间效应可能　会湮没第二个目标，这要求使回波信号处于亚光子　状态利用多次测量累计的方式分辨两个目标。　２．２光子计数激光雷达测距分析　光子计数激光雷达通过测量脉冲发射和返回的　时间间隔来得到目标距离，距离的准确度主要取决　于返回时刻确定的准确度。　假设返回脉冲宽度为　，返回脉冲在时间上　的分布为　，且满足：　Ｓ　＝ｆ　（ｆ）　ｄｔ　（６）　＇ｒｗ　ｉｄｌｈ　若将脉冲宽度内划分为一系列的定间隔时间片　下ｂｉ　，则存在：　Ｓ　＝Ｅｓ　（下ｂ　）　（７）　这反映了原始的目标回波光子在时间轴上的分　布，如图２所示。　激光与红外Ｎｏ．１０　２０１１　郭颖等光子计数三维成像激光雷达的分析与实验　１０８３　簌　霸　ｅ卜　回波信号时间片　图２　回波光子的时间轴分布　利用质心算法可以得到目标距离的准确值：　．　∑Ｓ　（ｉ）　（ｉ）　号’　一　（８）　其中，ｃ表示光速。激光雷达测距准确度即表示对　准确距离的偏离程度。从系统的角度来看，主要误　差来源是光子计数探测器本身的时间抖动（ｊｉｔｔｅｒ）　和时间测量装置不确定度。此外，对于光子计数探　测器而言，由于存在死时间的问题，即探测器会优先　响应处于脉冲前沿的光子，这会在测距上造成－个　类似时间行走（ｔｉｍｅ　ｗａｌｋ）的误差。　理论上，为了实现对未知目标的测距，由于背景　光和探测器自身暗计数的存在，光子计数激光雷达　必须记录整个时间轴上的光子事件，然后通过多次　累计探测的方法区分回波光子和暗计数。有时候，　对整个时间轴上的光子事件进行记录会使数据量过　大而造成传输和处理困难。这种情况下可以对光子　事件添加距离波门控制，即只对包含目标的一定距　离范围内的光子事件进行记录。在扫描测距三维成　像应用中，往往可以事先知道目标的大致距离，然后　可以按照一定景深设置距离波门。无任何先验知识　时，可以通过在时间轴上滑动距离波门的方式进行　获取。　３　光子计数三维成像激光雷达系统设计　整个三维成像激光雷达系统的主要结构如图　３所示，主要由激光发射源、光学系统、光子计数探　测单元、时间测量单元和数据传输处理单元组成。　图３　光子计数三位成像激光雷达主要组成　系统采用５３２　ｎｍ被动调Ｑ微片激光器（Ｔｅｅｍ　Ｐｈｏ—　ｔｏｎｉｃｓ　ＳＮＧ）作为激光发射源，其５３２　ｎｍ处的线宽达　到０．３　ｎｍ，ＦＷＨＭ脉宽为６００　ｐｓ，单脉冲能量１　，　最大脉冲重复频率可达到１３　ｋＨｚ。　光子计数探测器选用的是ＩＤ　ｑｕａｎｔｉｑｕｅ公司的　ＩＤ１００单光子雪崩二极管模块，其标称死时　间５０　ｎｓ，单光子探测概率５０％，时间分辨率６Ｏ　ｐｓ。　模块输出信号通过设计的回波门控系统进入时间测　量单元。时间测量单元采用时间数字转换芯片　（ＡＣＡＭ　ＧＰＸ）开发，可以同时记录３２个回波光子到　达时刻，计时分辨率可达２７　ｐｓ。最终原始数据通过　ＵＳＢ总线上传到计算机做进一步处理。　图４为激光雷达系统光路图。整个系统采用收　发同轴的结构形式，采用中间开孔的反射镜实现收　发光路分离。接收望远镜口径取５０　ｍｍ，前置一个　二维扫描镜进行扫描成像。为了抑制背景光噪声，　瞬时视场设计为１００　ｔｚｒａｄ，并采取１　ｎｍ的窄带干涉　滤光片做光谱滤波处理。激光发射源经过准直扩　束，其发散角为８０　ｐｘａｄ，略小于系统接收瞬时视　场角。　图４光子计数三位成像激光雷达光路图　４　系统实验及结果分析　首先，为了验证系统测距能力，选取了一个已知　反射率的固定平坦目标进行了一系列的测距实验。　图５给出了累计测距１００００次的实验结果。其　中横轴表示时间，纵轴表示某时间片内的光子探测　概率（出现次数与测距次数之比）。图５（ａ）显示，　探测概率在目标处出现一个峰值，其余为暗计数。　图５（ｂ）为目标回波光子的时间分布，这可以反映测　距的总体不确定度。　１０８４　激光与红外　第４ｌ卷　使用衰减片组对激光发射源进行不同的衰减，　经过多次累计测距，可以测量不同回波能量对测距　精度的影响。图６给出了寒验结果。实验结果一方　面显示了３０－测距误差的变化，另一方面也显示了　测距平均值的变化。在回波能量较强的一端，由于　回波脉冲中光子数较多，而探测器因为死时间的限　制仅能响应处于脉冲前沿的光子，导致３０－误差较　小而测距平均值向偏小的方向行走。在回波能量较　弱的情况下，回波脉冲中光子数较少，经过累计测　量，得到的是整个脉冲宽度内的回波光子分布，时间　行走基本可以消除。此时由于系统时间测量分辨率　很高，１　ｎｓ左右的３０＂测距误差主要受激光发射脉　宽的影响。　逞　枷　藿　鲁　探测到的平均光于数／脉冲　图６不同回波能量下测距误差　此外，为了验证激光雷达三维成像能力，我们选　取了一个测试场景进行三维成像实验，图７为测试　场景。该场景距离激光雷达的距离为５０　ｍ左右，在　该场景上放置了特殊设计的靶板，用来测试成像雷　达的分辨能力，三维成像雷达对该场景进行了二维　扫描，图８给出了直接经过坐标转换的三维点云图，　途中不同的颜色代表目标表面与激光雷达本体的距　离远近　图７测试场景　图８　未经过处理的场景三维点云图　可以看出，未经过处理的三维点云图含有较多　的噪声点，这主要是白天背景光较强造成的。相对　于目标点，这些噪声点可以认为是随机出现的，因此　可以通过点云密度滤波来滤除。图９为经过滤波的　场景三维点云图，大多数噪声点均被滤除，靶板上的　图案清晰可见。　图９经过处理的场景三维点石图　由于被测场景距离较近，实验过程中对发射激　光进行了衰减，使得平均回波光子数很少，实验结果　表明采取光子计数探测器使得系统的探测能力得到　了有效提升。　５　结论　本文设计了一套基于盖革模式雪崩光电二极管　的三维成像激光雷达原型系统。实验结果表明，采　用光子计数探测器可以使激光雷达在微弱目标回波　下实现测距和三维成像探测。　将光子计数探测技术用于三维成像激光雷达是　一种新兴技术，它使激光雷达具备很高的灵敏度，大　大降低了对激光发射功率的要求，非常有利于减小　激光雷达接收机的尺寸、功耗，非常适合于机载和星　载对地观测等对体积功耗有较大限制的应用。　参考文献：　［１］　Ｎｉｃｌａｓｓ　Ｃ，Ｃｈａｒｂｏｎ　Ｅ．Ａ　ＣＭＯＳ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｈｏｔｏｎ　ａｖａｌａｎｃｈｅ　ｄｉｏｄｅ　ａｒｒａｙ　ｆｏｒ　３　Ｄ　ｉｍａｇｉｎｇ［Ｊ］．ＩＳＳＣＣ　Ｄｉｇｅｓｔ　Ｔｅｃｈ．Ｐａ—　ｐｅｒｓ，２００２：１２０—１２１．　［２］Ａｕｌｌ　Ｂ　Ｆ，Ｌｏｏｍｉｓ　Ａ　Ｈ，Ｙｏｕｎｇ　Ｄ　Ｊ．Ｇｅｉｇｅｒ—ｍｏｄｅ　ａｖａｌａｎｃｈｅ　ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ［Ｊ］．Ｌｉｎｃｏｌｎ　Ｌａｂ．Ｊ．，２００２，１３：３３５—３５０９．　［３］　Ａｌｂｏｔａ　Ｍ　Ａ，Ｈｅｉｎｒｉｃｈｓ　Ｒ　Ｍ，Ｋｏｃｈｅｒ　Ｄ　Ｇ．Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎ—　ｓｉｏｎａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ　ｗｉｔｈ　ａ　ｐｈｏｔｏｎ－－ｃｏｕｎｔｉｎｇ　ａｖａ—。　ｌａｎｃｈｅ　ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ　ａｒｒａｙ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　ｌａｓｅｒ［Ｊ］．Ａｐｐ１．　Ｏｐｔ．，２００２，４１：７６７１—７６７８．　［４］Ｍａｒｉｎｏ　Ｒ　Ｍ，Ｓｔｅｐｈｅｎｓ　Ｔ，Ｈａｔｃｈ　Ｒ　Ｅ．Ａ　ｃｏｍｐａｃｔ　３Ｄ　ｉｍａ—　ｇｉｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｉｎｇ　ｇｅｉｇｅｒ—ｍｏｄｅ　ＡＰＤ　ａｒｒａｙｓ：　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，２００３，５０８６：　１—１５．　［５］Ｄａｎｉｅｌ　Ｇ　Ｆｏｕｃｈｅ．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆａｌｓｅ　ａｌａｒｍ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｉｅｓ　ｆｏｒ　ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒｓ　ｔｈａｔ　ｕｓｅ　Ｇｅｉｇｅｒ—ｍｏｄｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ５０８６，Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｊ］．ＡＮ．Ｏｐｔ．，２００３，４２：５３８８—５３９８．　［６］　Ｊｏｈｎｓｏｎ　Ｓ，Ｇａｔｔ　Ｐ，Ｎｉｃｈｏｌｓ　Ｔ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｇｅｉｇｅｒ—ｎｌｏｄｅ　ＡＰＤ　ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ［Ｊ］．Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，２００３，５０８６：３５９—３６８．