基于蓋革模式APD陣列的非掃描激光三維成像雷達研究綜述

趙洪利，范有臣，孫華燕，李迎春

(解放軍裝備學(xué)院，北京101416)

1 引言

三維激光成像雷達按工作方式可分為掃描和非掃描兩種，掃描工作方式成像距離較遠，但是需用到復(fù)雜的掃描部件，每一幅圖像都需要多次掃描，而多次掃描致使成像幀頻降低，并且難以對運動物體成清晰圖像。非掃描激光三維成像雷達去除了復(fù)雜的掃描器件，采用激光對目標場景進行泛光照射，可直接獲取目標場景的3－D圖像，較傳統(tǒng)掃描激光三維成像方法有以下優(yōu)點:①結(jié)構(gòu)簡單，無需高速的掃描器;②對激光脈沖頻率的要求低;③降低了發(fā)射與接收之間的光束準直要求;④對運動目標可成清晰圖像;⑤成像速度快;⑥系統(tǒng)輕小，可靠性高。

目前非掃描激光三維成像雷達仍存在部分掃描過程，主要有5種成像方案:①基于距離選通［1］;②基于增益調(diào)制［2］;③基于條紋管探測器［3］;④基于連續(xù)波測距成像［4］;⑤ 基于 APD(Avalanche Photo Diode)陣列探測器［5］。

距離選通三維成像實質(zhì)是將探測器對目標的空間掃描轉(zhuǎn)換為時域掃描，探測精度要求越高，則空間掃描所需的切片數(shù)越多，成像速度越慢。增益調(diào)制型激光三維成像在探測過程中首先得到目標增益恒定的強度像，此時，不同的距離對應(yīng)的回波增益相同。在采集下一幀圖像時，調(diào)制ICCD增益，使不同距離處的回波對應(yīng)不同的增益，進而獲得目標的距離信息。增益調(diào)制型激光三維成像的速度相比距離選通有較大的提高，但為獲取一幀目標圖像，需要進行兩次探測，因此對高速運動物體探測時成像結(jié)果精度難以保證。并且在數(shù)據(jù)處理過程中對圖像信噪比的要求較高，提高測距精度的難度較大。條紋管探測器是一種新型的成像器件，也可以實現(xiàn)對目標距離和強度的同時成像，但是其體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成像幀頻不高，成像距離較近。連續(xù)波測距方式有兩種:調(diào)幅連續(xù)波和調(diào)頻連續(xù)波。主要采用增益可調(diào)的探測器，如EBAPS(Electron Bombarded Active Pixel Sensor)或者自混頻MSM(Metal-Semiconductor-Metal)探測器實現(xiàn)。自混頻基本原理是由目標反射信號與本振信號發(fā)生混頻，當(dāng)目標距離不同時，混頻產(chǎn)生的頻差也不同，其頻差信息代表了目標的距離信息。相比于脈沖形式的直接探測，連續(xù)波探測方式探測靈敏度更高，受背景噪聲影響較小，同時能夠有效避免各種干擾。但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，信號處理量較大，同時對激光能量要求較高，成像距離較近。

工作于蓋革模式的APD可以檢測到單個光子［6］，當(dāng)用激光脈沖對目標進行照明后，每個APD探測器像元上均對目標進行脈沖飛行時間的測量，從而實現(xiàn)無掃描測距。相比前面介紹的幾種成像體制，采用蓋革模式探測器的激光脈沖三維成像系統(tǒng)在成像靈敏度和成像速度等參數(shù)上體現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢:①探測器靈敏度高，測距距離遠。②成像速度快?？梢詫崿F(xiàn)單脈沖的目標三維成像，所需時間僅與目標距離相關(guān)，可以獲得最快的成像速度。③系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化。集成計時電路后，蓋革模式探測器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡化。

綜合以上特點，采用蓋革模式探測器的激光三維成像系統(tǒng)有助于解決目前三維成像系統(tǒng)作用距離近，成像速度慢，體積大，能耗高，可靠性差的缺陷。從發(fā)展前景來看，APD列陣成像技術(shù)方案是目前最具有發(fā)展?jié)摿Φ姆菕呙枞S成像方案，有必要對其研究進展進行綜述，掌握最新的發(fā)展動態(tài)。

2 APD陣列非掃描激光三維成像工作原理

APD的工作方式分為線性模式和蓋革模式［7］。當(dāng)APD的偏置電壓低于其雪崩電壓時，對入射光產(chǎn)生的光電流起到線性放大的作用，這種工作狀態(tài)稱為線性模式。當(dāng)偏置電壓高于其雪崩電壓時，APD增益迅速增加，此時，單個光子吸收即可使探測器輸出電流達到飽和，這種工作狀態(tài)稱為蓋革模式。在此模式下，單個光子即可使APD的工作狀態(tài)實現(xiàn)開、關(guān)之間的轉(zhuǎn)換。APD具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)，量子效率高的特點，并可以在高增益下保持良好的信噪比。同時，APD還具有響應(yīng)速度快、對磁場的敏感度低、體積小、重量輕、功耗低等特點。當(dāng)對目標進行激光三維成像時，必須采用探測器陣列形式，目前APD探測器陣列的集成方式主要有兩種:混合集成技術(shù)和單片集成技術(shù)。

APD陣列的混合集成技術(shù)是將APD陣列和相應(yīng)的計時控制電路陣列在兩塊基片上分別獨立加工，然后通過橋接的方式將兩者集成。這類技術(shù)的主要代表是林肯實驗室。單片集成技術(shù)是將APD和控制電路作為一個整體同時加工，制造出了一體化的APD陣列。單片集成技術(shù)的優(yōu)點是可以有效減小APD陣列的體積，減少數(shù)據(jù)傳輸過程引入的各種噪聲，在擴大探測器陣列規(guī)模和降低器件的制造成本方面具有很大的優(yōu)勢。但是探測器和計時控制電路是特性不同的兩類器件，兩者雖然可以采用同類工藝加工，但加工的技術(shù)要求差異很大，器件的加工精度不易保證。單片集成技術(shù)的缺點是只能適用于制作硅基的APD陣列，對于非硅基半導(dǎo)體材料的APD陣列，就只能采用混合集成技術(shù)。單片集成技術(shù)的主要代表是瑞士洛桑工大和意大利米蘭工大。

圖1所示為基于蓋革模式APD陣列的激光三維成像工作原理示意圖。該系統(tǒng)主要由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、接收器(APD)陣列、處理和顯示等五部分組成。脈沖激光經(jīng)過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)得到發(fā)散光束，照亮整個目標場景;反射回來的光經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)由APD焦平面陣列接收，每個探測器像元均對目標進行時間的測量，每個像元通過時間測量得到距離值，從而獲得角度—角度—距離像，即三維圖像。現(xiàn)階段常見的利用Geiger模式進行測距的方法主要有兩種:光子計數(shù)測距方法和脈沖飛行時間測距。第一種方法通過統(tǒng)計多次探測的結(jié)果確定目標距離，多用于脈沖回波強度弱的情況下，其探測距離遠，但成像速度低。第二種方法通過測量發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間來確定目標距離，其測距方法原理簡單，電路集成方面有較大的優(yōu)勢。

圖1 激光三維成像工作原理示意圖

3 基于蓋革模式APD陣列的激光三維成像國外研究進展

非掃描激光三維成像技術(shù)是新一代三維成像技術(shù)，美國始終處于領(lǐng)先地位，麻省理工學(xué)院林肯實驗室的研究成果是這個領(lǐng)域的佼佼者，這里以該實驗室的研究進程對基于蓋革模式APD陣列的非掃描激光三維成像技術(shù)的發(fā)展展開綜述。

1998年，該實驗室首次成功的將雪崩光電二極管陣列與CMOS時間處理電路集成在一個基片上［8］，制作成功了4×4蓋革模式的APD面陣，自此以后，非掃描激光三維成像一直成為西方發(fā)達國家研究的熱點。

2002年，該實驗室采用4×4大小的蓋革APD陣列開發(fā)出一種單光子靈敏度的三維激光雷達樣機，稱為第一代三維成像激光雷達(Gen－I系統(tǒng))。APD陣列陣元尺寸為100 μm ×100 μm，有效面積30 μm ×30 μm。成像原理如圖 2 所示［9－10］。

首先，波長為532 nm的激光脈沖通過可變發(fā)散光學(xué)元件和1/2波長波板調(diào)整偏振。波長為1064 nm和808 nm的激光被帶通濾波器濾除，95%的532 nm的激光傳輸通過。然后，該光束穿過偏振分束器和一個1/4波長板，波長板作為一個發(fā)送－接收開關(guān)。該系統(tǒng)是單元組態(tài)的結(jié)構(gòu)，激光的發(fā)射和接收采用同一光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)孔徑的大小為5 cm。4×4檢測器陣列的瞬時場和發(fā)射激光束的發(fā)散角是獨立可調(diào)的。掃描4×4探測器的瞬時場時，系統(tǒng)的總視場就建立了。一對單軸光柵掃描鏡決定了4×4陣列掃描瞬時場的角度范圍，并提供高達128×128像素的數(shù)據(jù)幀。掃描速率和激光脈沖率是同步的，因此4×4陣列可以在脈沖之間移動一個或多個瞬時場。因此，每一幀的128×128像素由32×32塊4×4像素組成，每一塊都是一個激光脈沖照明得到。目標的反射光同樣從掃描鏡進入，通過偏振分束器直接進入檢測器。從目標返回的光子通過一個窄的帶通濾波器后由10∶1的變焦透鏡成像到焦平面陣列的。得到32×32和128×128像素的圖像的幀速率分別是4.5Hz和0.6Hz，幀速率限制于反射鏡掃描電機的速度。圖2為3－D激光雷達光學(xué)頭的功能框圖。

圖2 3－D激光雷達光學(xué)頭的功能框圖

該樣機視場角在0.2～2 mrad之間可調(diào)，單脈沖能量為3 μJ，脈沖照明源能量相對較低，適合于圖像短程(1 km)的目標。圖3為約60m處的車輛的128×128像素數(shù)據(jù)。x軸、y軸和深度z軸的圖像分辨率約2～3厘米。

圖3 60米處的車輛的三維成像

圖3中左上角為單幀圖像顯示的面包車，白點為無效點，是由于觸發(fā)暗電流和背景光造成的。減少白點的一個簡單有效的方法是從多幀記錄多個脈沖的距離中選擇最多點聚集的距離顯示。這樣做的原因是由于背景光電流和暗電流發(fā)生的距離隨機分布，而從目標反射光的距離集中分布。圖3分別為3幀(右上)、10幀(左下)、110幀(右下)的結(jié)果。白點的數(shù)目隨著幀的數(shù)目而降低。

2002年，為了更加實用化，該實驗室采用32×32的APD陣列成功研制了Gen-I的微型系統(tǒng)，稱為Gen-II［11］，該系統(tǒng)采用 Nd∶YAG 固體倍頻微片泵浦的Ti:Sapphire激光器，波長為780 nm，重復(fù)頻率為10 kHz，單脈沖能量為10 μJ。圖4為Gen-II系統(tǒng)的光學(xué)頭。該系統(tǒng)主要用于搭載機載平臺進行地形測繪。Gen-II系統(tǒng)安裝在了多螺旋槳飛機Sabreliner-40上，通過逃生艙口直接對地面成像，由于蓋革模式APD的靈敏度，使該系統(tǒng)覆蓋面積比當(dāng)時最好的商用地形測繪系統(tǒng)提高了10～15倍。

圖4 Gen-II系統(tǒng)

2003年，該實驗室研制成功了更加堅固和緊湊型的Gen-III系統(tǒng)。該系統(tǒng)依然采用32×32的APD陣列，探測器每個像元集成了500 MHz CMOS數(shù)字計時電路。光源使用被動調(diào)Q二極管泵浦的固體激光器(波長532 nm，功率33 μJ，脈沖寬度 700 ps，重復(fù)頻率10 kHz)，100 μm 像素張角為333 μrad，距離分辨率為0.15 m。該系統(tǒng)最大的改進在于在焦平面上沒有使用微透鏡，相反，衍射光學(xué)元件被合并到發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，這將導(dǎo)致只有發(fā)射光進入探測器，而抑制掉背景光，這使得該系統(tǒng)能透過樹葉的遮擋圖直接對目標成像。圖5所示為該系統(tǒng)在30英尺高塔上從四個不同的高度上拍攝的圖像合并得到的3D圖像。

圖5 Gen-III系統(tǒng)及3D圖像

2005年，林肯實驗室在美國 Alabama完成了DARPA支持的Jigsaw計劃外場實驗［12－13］。機載平臺采用UH-1直升機裝載整個激光雷達系統(tǒng)，對地面有偽裝或隱蔽在植物下的坦克等軍事目標進行探測，飛機的飛行高度為150～200 m。該套激光雷達系統(tǒng)采用32×32像元Gm-APD陣列作為探測器，發(fā)射系統(tǒng)的激光器為被動調(diào)Q二極管泵浦固體倍頻微片激光器，輸出波長為532 nm，接收孔徑為7.5 cm。探測范圍覆蓋為20 m，采樣精度7.5 cm。同樣因為探測器陣列尺寸所限，系統(tǒng)采用光束掃描機制，來獲得256×256的陣列效果。當(dāng)UH－1直升機飛過隱蔽在樹林中的坦克上空時，從不同的角度對該區(qū)域進行拍攝，這時每幅圖都會有隱藏目標的局部信息，然后把它們累積在一起，拼接得到比較完整的隱藏坦克的圖像。

2009年，林肯實驗室開發(fā)了一種對紫外波段響應(yīng)的蓋革模式APD器件［14］，并制成16×16的蓋革模式APD探測陣列應(yīng)用于激光雷達中，填補了蓋革模式APD激光雷達在這一波段不能響應(yīng)的空白。

除蓋革模式探測器陣列的像元數(shù)目也獲得了極大的提高外，工作波段逐漸擴展。林肯實驗室早期研制的蓋革模式探測器陣列主要工作于可見光范圍，對人眼有較大傷害，對于軍事應(yīng)用也并非理想波段，因此研制人眼安全的近紅外以及大氣穿透性好遠紅外探測器成為熱點研究方向。

2008年，林肯實驗室Younger等成功研制了工作于1.06 μm，基于InP材料的蓋革模式探測器陣列，先后研制出像元數(shù)分別為 128 ×32［15］，256 ×32［16］，以及 256 × 64［17］的 Geiger模式探測器陣列。截止2011年，APD陣列大小已經(jīng)達到256×256［18］。

2008年，Glettler等采用InP材料研制了工作于1.06 μm的蓋革模式探測器陣列［19］。同年 Tosi等研制了工作于1.55 μm的蓋革模式探測器陣列［20］。此外Rothman等研制了中紅外波段的HgCdTe蓋革模式探測器陣列［21］。

2008年波音公司(Spectrolab company)使用自己生產(chǎn)的32×32像元的蓋革模式APD陣列作為探測器搭建了激光雷達系統(tǒng)［22］，用1.06μm波長的激光器發(fā)射脈沖能量11μJ、重復(fù)頻率為10 kHz、脈寬為1.5hs的激光脈沖，發(fā)射孔徑為2 cm，接收孔徑為9 cm，人眼安全距離為8 m，他們用這樣的系統(tǒng)進行了外場的試驗，完成了3D成像。

4 基于蓋革模式APD陣列的激光三維成像國內(nèi)研究進展

國內(nèi)在基于蓋革模式APD作為探測器的激光雷達研究開始較晚，探測器的發(fā)展水平還比較低，目前處于剛剛起步的狀態(tài)，還沒有在實際中得到應(yīng)用，大部分是對國外系統(tǒng)工作原理的闡述、驗證、及其探測器性能的分析。

2008年，南京理工大學(xué)寇松峰［23］等通過理論分析和實驗平臺上的驗證試驗結(jié)果證明基于蓋革模式APD作為探測器的光子雷達體制是可行的，測距的精度相比與其他傳統(tǒng)探測器的激光雷達具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。

2009年，南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院屈惠明、陳錢［24］兩人利用蓋革模式APD結(jié)合適當(dāng)?shù)难┍乐齐娐?、PCI高速采集電路以及自制數(shù)據(jù)采集處理程序設(shè)計組建了一個基于蓋革模式APD的光子計數(shù)探實驗系統(tǒng)，討論了該系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，主要為后續(xù)的蓋革模式APD光子計數(shù)探測提供了硬件基礎(chǔ)。

2009年，北京航天航空大學(xué)劉曉波、李麗［25］提出一種分析蓋革模式APD陣列的激光雷達探測性能的方法。他們根據(jù)蓋革模式APD光電信號響應(yīng)的特點建立了光電轉(zhuǎn)換的模型，以此分析了蓋革模式APD初級光電子和噪聲計數(shù)率對激光雷達虛警概率、漏警概率和探測概率的影響并進行了仿真分析。

2010年，哈工大王飛［26］等人討論了蓋革模式APD作為探測器的光子雷達測距精度的影響因素，得到回波脈沖強度和脈沖寬度對精度的影響大于其他因素的結(jié)論。

2010年，國內(nèi)上海技物所郭英［27］等利用分立蓋革模式探測器對蓋革模式成像系統(tǒng)進行了原理驗證，實現(xiàn)了對目標的三維成像。

2010年電子科技大學(xué)王穎麟［28］等采用波長為1064 nm固體脈沖激光器為激光光源，脈沖重復(fù)頻率25 Hz，單脈沖能量120 mJ，脈沖寬度10 ns，激光束散角4.5 mrad;接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標為:接收視場4.24 mrad，接收孔徑120 mm，焦距416 mm。利用4×4光纖面陣禍合APD探測器陣列代替面陣探測器進行探測，對830 m左右一處建筑物目標進行試驗。在實驗中，由于條件限制，像素點個數(shù)比較少，無法進行3維圖像的融合，初步驗證了激光三維成像機理和三維激光成像技術(shù)的可行性。

5 總結(jié)

以蓋革模式探測器為基礎(chǔ)的三維成像激光雷達系統(tǒng)具有測距精度高、成像速度快、探測器集成度高、對激光器能量要求低、系統(tǒng)體積小、功耗低等多方面的優(yōu)勢。通過對基于蓋革模式APD的三維成像激光雷達發(fā)展的分析總結(jié)，明確了三維成像激光雷達發(fā)展趨勢，APD制作材料不再局限于傳統(tǒng)的的Si、Ge和InGaAs，并且波長響應(yīng)范圍從可見光擴展到人眼安全波長，APD陣列大小也不斷擴展，從最初的4×4發(fā)展到現(xiàn)在的256×256。

我國APD探測器陣列剛剛發(fā)展，該技術(shù)是未來發(fā)展的主流，此綜述也為我國自主研發(fā)高性能三維成像激光雷達提供很好的借鑒。目前國際上APD陣列探測器對我國禁售，國內(nèi)只能獲得4×4大小的陣列，因此未來國內(nèi)無掃描三維成像激光雷達發(fā)展趨勢有兩個方向，一方面積極開展APD陣列的研制，另一方面尋找APD陣列的替代品，間接得到目標的距離信息，例如通過距離選通技術(shù)和增益調(diào)制技術(shù)得到目標的三維信息。

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