基于单光子激光雷达远距离海上测距的实现

张 弛, 董光焰, 吴淦华, 王治中, 冯志军

(1.中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州市激光雷达重点实验室，郑州 450047； 2.南京电子技术研究所,智能感知技术重点实验室，南京 210039)

激光雷达测量系统因体积质量小、精度高以及响应速度快等优点被广泛应用于远距离测量、大气浓度检测、激光三维成像、星地激光测距[1-2]等各个领域。随着现代技术与装备发展的需求，要求测距系统具有超视距和高精度的测量能力，依靠传统高峰值发射的传统单脉冲和多脉冲激光测距技术已不能满足未来的要求。以量子理论为基础的单光子激光测距技术逐渐兴起，它采用超高灵敏度的单光子探测器[3](single photon detector，SPD)，将系统探测能力达到单光子量级的探测灵敏度[4]，是提高激光测距能力与精度的一个重要途径。但在单光子测距中，易受到源自探测器视场内的背景光噪声和探测器本身的暗计数噪声以及大气气溶胶的后向散射、大气湍流等其他因素的影响。常用的时间测量系统一般利用回波脉冲触发计数器来测量激光飞行时间间隔，例如基于现场可编辑逻辑门阵列(field programmable fate array，FPGA)延迟线内插的时间-数字转换电路[5]，但计数器易受到背景噪声和多目标的干扰，触发个数有限且容易形成误触发。当对室外远距离目标进行测量时，系统的抗干扰能力弱，无法对回波数据进行全通道的数据处理。且目前大多数研究都是针对地面近距离目标进行仿真或测量[6]。为了验证单光子激光雷达在海洋环境实际应用的可行性，针对海面远程静止与运动目标，使用超高速数字信号采样方法对回波通道进行高速采样分析研究，采用多种滤波处理方法与自适应算法进行信号处理，利用图像信息与伺服转台对运动目标进行实时跟踪测量，利用高性能数字信号处理技术实时处理并给出目标三维坐标信息。

1 工作原理

单光子激光雷达系统相对于传统微波雷达体积小、质量轻，抗电磁干扰能力强；利用光在空间中飞行时间完成对目标进行距离解算。其工作原理框图如图1所示。

图1 单光子激光雷达工作原理Fig.1 Single photon laser radar working principle diagram

激光雷达系统通过图像信息控制伺服转台来实时跟踪瞄准目标。当对目标稳定跟踪时，控制系统发出激光发射指令，处理模块根据命令信号控制激光器发射脉冲信号，此处使用固体激光器(diode pumped solid state laser，DPL)，该激光器可实现高重复频率、高峰值功率且单色性好、脉宽窄等优点，有利于提高单光子系统整体性能[7]。脉冲信号经过光学天线发射向被测目标，经目标漫反射后的回波信号经光学天线接收汇聚到探测器上，常用的单光子探测器有采用超导效应的超导纳米线的单光子探测器[8]。然而超导纳米线单光子探测器需要工作在极低的温度环境，需要庞大的制冷设备与温控设备，设备体积庞大。而基于铟镓砷材质的单光子探测器工作在盖格模式时，以体积小、时间抖动低、制冷方便等优点得到了广泛的应用[9]。DSP+FPGA数字信号控制高速模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)模块对硅基单光子探测器(single photon avalanche detector，SPAD)的回波信号解算两者回波距离并上传上位机。

为了验证单光子激光探测威力的提升，在相同的测试地点，在保持激光发射能量与接收口径等其他参数不变的情况下，架设另外一台使用常规雪崩光电二极管作为激光探测器的测距设备，与单光子激光雷达进行测距能力对比。

2 信号模型分析与数据处理

当对远距离小目标进行测量时，目标表面近似为朗伯表面，系统探测威力受多种因素的影响， 单光子探测器接收的回波光子个数与系统关系为

(1)

式(1)中：Ns为激光回波在单光子探测器上产生的光电子数量；ρ为目标发射率；γ为激光雷达与目标之间的大气双程透过率；τt为激光发射光学效率;τr为接收光学效率;Ar为接收光学口径有效面积；m2；Et为激光发射单脉冲能量，J；R为激光雷达与目标之间的距离，m；ηq为单光子探测器的量子效率；θt为发射光轴与目标法向夹角，rad；hv是激光波长的单光子能量，J；h为普朗克常数，v为辐射电磁波的频率，Hz。激光在大气中的双程透过率受到大气中气溶胶粒子的吸收、散射等影响，严重影响了激光探测的威力和测量精度。

工作在盖格模式的光电倍增管的噪声源主要包括暗计数噪声和视场内的背景光噪声，噪声分布为随机过程。相较于陆地环境，海面湿度较大，激光在传输的过程中一部分被海面气溶胶吸收，另一部分被粒子散射,不同颗粒大小的气溶胶对激光能量造成不同程度的衰减影响，当入射波长λ远远小于被探测粒子半径φ时,即λ≼φ，粒子散射遵循Mie散射理论[10]，大气中的气溶胶粒子吸收一部分入射的激光能量以及向各个方向产生散射。当散射角度为180°时，光会沿着激光发射方向的反方向散射，该散射光被激光雷达系统接收并产生对应的噪声信号，噪声信号会恶化系统的信噪比，降低系统性能，因此主要考虑系统受到的后向散射影响。在一次散射条件下，Mie散射型激光雷达R处气溶胶散射强度公式为

(2)

式(2)中：E为激光雷达发射能量，J；βR、aR分别为距离R处大气气溶胶后向散射系数与消光系数，大小与气溶胶浓度、颗粒大小等有关。

海风吹拂海水表面形成海盐粒子与大气的气溶胶粒子构成了海洋表面大气气溶胶。利用Mieplot软件主要分析1 064 nm波段激光在不同海面气溶胶粒子半径时，激光吸收系数与散射系数的变化，如图2所示，横坐标为海面气溶胶粒子半径，图中红色曲线为散射系数变化曲线，黑色曲线为吸收系数曲线，可见1 064 nm激光在海面主要受到海洋气溶胶散射的影响。

图2 不同半径海面粒子对激光散射系数与 吸收系数的影响Fig.2 Relationship between scattering intensity and absorption coefficient of different radius of particles

假设大气是均匀分布的，常用于水平探测的反演方式有Collis斜率法[11]，通过反演近似得到大气衰减系数:

(3)

根据上文分析，考虑大气因素影响，在典型气象条件下，针对非合作目标，不同能见度条件下，使用常规雪崩二极管探测器测距威力和使用单光子探测的探测系统威力对比如表1所示(针对大目标测量，涉及到的其他参数详见试验测试分析)。

表1 不同海面能见度条件下激光最远工作距离

明显可见，单光子激光雷达系统探测威力明显高于传统激光探测威力，且大气能见度越小衰减系数越大，从而导致探测的威力也越小。由于海面容易形成浓雾，且探测器存在后脉冲效应，激光回路中的后向散射以及气溶胶的湍流效应容易造成通道阻塞，导致无法对目标进行测量，对测量造成较大的影响。因此必须采取措施抑制海面环境下的噪声。

首先在回波信号光输入端采用窄带滤光片对回波信号杂散光进行空间光谱滤波。其次采用可调光开关进行时间-距离门选通。单光子探测器的回波信号只能反映目标的有和无，无法利用回波信号的强弱大小来进行数据处理，因此采用数理统计学方法对回波通道的距离分布进行分析，同时对每一帧数据实时进行累加，最后对选通门限内的回波信号进行回波率排名，根据回波率确定目标的位置，流程如图3所示。

图3 单光子信号处理流程Fig.3 Single photon echo signal processing flow chart

3 试验测试分析

课题组在青岛市黄岛区海岸线20 km外的孤立的灵山岛进行相关测试，单光子激光测量系统采用1 064 nm脉冲激光器，峰值功率为15 MW，脉冲宽度为8 ns，发射光学效率为0.8，激光发散角为0.5 mrad，接收光学天线口径为120 mm。常规测距机的参数与之保持不变。单光子测量系统的接收光学天线将接收光信号耦合到光纤中，光纤经过1 064 nm窄带滤光片滤波，滤光片线宽1 nm。经过滤光片的光信号输入到单光子探测器中，接收光学效率为0.8。单光子探测器型号为SPCMAQRH14-FC，该探测器在1 064 nm中心波长的探测效率为2%。探测器输出的电信号输入到高速数字处理模块， DSP通过控制ADC采样将数据两级缓存：将采样后的信号输入一级缓存，存储大小为128 Mbit。数据然后进入二级缓存(synchronous dynamic random access memory， SDRAM)大小为1.2 Gbit。DSP对SDRAM中的数据进行高速数字滤波处理，实时解算出目标距离信息并上传上位机。实验设备如图4(a)所示，图片中左上角为光学相机(charge-coupled device, CCD)来获取目标图像信息，右上为单光子接收光学天线，左下角为激光发射光学天线，右下角为常规测距接收光学天线。测试地点位于临海的半山坡上，如图4(b)所示。

图4 单光子激光雷达系统与测试地点Fig.4 Single photon laser radar system and test location

4 试验结果分析

测量目标位于测试点东北方向，距离测量点距离为40 km的楼房，通过CCD观察并瞄准目标，在11月13日当天，相似海洋环境下分别在上午8:35与下午18:04对目标展开测试，测试目标的回波信号的直方图分布结果如图5所示。

图5 不同能见度下海岸线楼房测试结果Fig.5 Coastal building test results under different visibility

采用该单光子激光雷达系统分别在上午8:35与下午18:04对同一目标进行测量(激光发射能量衰减10 dB)。上午太阳照射不强且环境温度较低，海面湿度不高，环境温度为14 ℃，湿度为55%，能见度约10 km；当天下午时环境温度较高，下午环境温度为20 ℃，环境湿度为72%，海面被太阳照射形成较大的水雾，能见度较差，能见度约5 km。对比分析可见，视场中的气溶胶粒子造成较强的后向散射，且散射强度呈指数衰减符合激光后向散射强度分析，由于下午后向散射相较上午明显增强，对系统测量影响更加严重。经过后续的数据处理，两种条件下目标回波率分别为53%与5%，较强的后向散射造成目标回波率明显降低。由此可见，在同一海域其他指标相同的情况下，激光后向散射对激光探测影响较为严重。

在较好的天气条件下，通过增加光谱滤波以及光开关时间滤波等手段，最终实现了对53 km大山回波率高于95%的探测。而在相同海域，常规测距机最远仅能对40 km远的楼房进行稳定测距。单光子测量系统相较传统测距机威力提高明显。对远距离目标测量时，由于近处后向散射严重，对激光造成较为严重的衰减，测量指标低于理论值分析。

通过自动跟踪门实现了对动目标的测量。通过CCD实时跟踪瞄准海上行驶中的渔船，如图6(a)所示，该渔船长度5 m，高度1～2 m，通过CCD实时对渔船进行捕获与跟踪。图6(b)所示为船只测量航迹，横轴为通道采样点，纵轴为船只距离大小。

图6 海面38 km距离远船只与其动态行驶航迹Fig.6 38 km far away from the vessel and dynamic driving track

通过自动跟踪测量可知，该系统可以对海上运动目标进行动态调整视场进行时间-距离门选通测量，该测量系统可以对运动目标进行自适应处理。由于海面风浪较大，船体在海面行驶过程中晃动明显，同时由于激光束散角较小，伺服系统在小船行驶过程中跟踪精度有限，导致回波数据不连续，试验测试结果符合预期。

5 结论

根据单光子探测器的对海面目标回波特性分析，得出如下结论。

(1)相对于传统探测威力，单光子探测威力提升明显。对比分析不同时段海面气溶胶对系统测量的影响，相较于陆地环境，海面气溶胶后向散射对系统影响更为严重。

(2)设计了适应海洋环境目标回波特性的光谱滤波、时间滤波，以及自适应滤波算法且进行初步验证。

(3)设计高速数字信号处理平台并对单光子脉冲信号波形进行实时采样处理，对海岸线静止目标与海面运动船只得到了良好的实验测试结果。未来将开展其他平台算法研究。