1030 nm单光子探测激光雷达技术

杨函霖,李召辉,吴 光

(华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室,上海 200241)

1 引 言

激光雷达能够捕获目标表面的三维信息,是一种高精度、远距离的主动探测技术[1]。近年来基于单光子探测的激光雷达(单光子探测激光雷达)突破传统线性光电探测激光雷达的探测极限,越来越多的被应用于军事国防[2-4]、气象观测[5-6]、航空航天、汽车自动驾驶[7-9]、机载测绘[10-11]等领域。其中,1 μm波段单光子探测激光雷达具有大气透过率高、背景噪声低、红外隐蔽性好、激光脉冲能量高等优势,有利于实现小型紧凑的远距离激光测距和成像系统。当前主要瓶颈是缺乏这个波段高性能的单光子探测器。针对1 μm波段的小型单光子探测器,主要有基于盖革InGaAs APD单光子探测器(InGaAs SPAD)和Si SPAD两种。其中,InGaAs SPAD的探测效率达到20 %[12-13],而Si SPAD的探测效率仅1～5 %。但是,InGaAs SPAD后脉冲非常严重,通常需要更长的死时间来抑制后脉冲。当后脉冲概率约1 %时,典型的InGaAs SPAD死时间高达5 μs[14-17],无法在高背景环境中有效探测回波光,而典型的Si SPAD死时间小于50 ns[18-19]。表1列出了典型InGaAs SPAD和Si SPAD的性能指标,除了探测效率,其他与测距密切相关的技术指标,包括死时间、感光面尺寸、暗计数、工作温度,Si SPAD都远优于InGaAs SPAD。

表1 InGaAs SPAD与Si SPAD性能指标比较[14-20]

在近期的1 μm波段单光子探测激光雷达研究中,华中光电研究所设计的单光子探测激光雷达能在400m距离上识别伪装网后车辆等目标,具有良好的伪装识别能力[21];郭静菁研究小组设计的高分辨率单光子探测激光雷达使用亚像素扫描对3 km外目标进行成像,取得超过衍射极限的分辨率与精度[22]。中国科学院上海技术物理研究所李铭研究小组搭建的51波束光纤阵列单光子探测激光雷达可在3 km高度下进行机载三维测绘[23];华东师范大学李召辉研究小组报道的高分辨率小型单光子探测激光雷达基于多通道探测器,大幅提高点云采集速率,同时具有强大的多层成像能力[18]。这些使用Si SPAD作为探测器的1 μm单光子探测激光雷达死时间均在50 ns以内,暗噪声均小于1kHz。相较下过长死时间和过高后脉冲概率限制了InGaAs SPAD在近红外波段单光子探测激光雷达中的应用。中国运载火箭技术研究院潘超研究小组研究的64阵列机载单光子探测激光雷达使用InGaAs SPAD作为探测器,系统暗噪声高达10 kHz[24]。

本文通过测试分析SiSPAD在1 μm附近的探测性能,发现1030 nm波长的探测效率是1064 nm的2.9倍,继而开展两种波长的单光子测距性能比对测试。得益于探测效率的明显提升,1030 nm波长单光子探测激光雷达的测距能力较1064 nm提升了67.8 %。

2 SiSPAD在1 μm波段探测效率

SPAD的探测概率由量子效率和光生载流子触发雪崩电流概率组成。量子效率指入射光子被APD吸收层的半导体材料吸收后产生光生载流子的概率,其中最主要的吸收形式为本征吸收。半导体材料对不同波长入射光子的本征吸收强度不同,导致SPAD的探测效率存在差异。在1 μm波段,Si的本征吸收强度随波长增大而降低。本文首先测量Si SPAD在1 μm波段的探测效率,从而分析比较1030 nm与1064 nm两种波长单光子探测激光雷达的性能差异。本文采用德国Laser Components公司的Si APD器件(Sap500),发展主动抑制电路,研制成Si SPAD,所测探测效率与其他同类产品存在绝对数值上的差异,但探测效率随波长的变化趋势是一致的。在暗室中对Si SPAD探测效率标定结果如图1所示。从标定结果可见,Si SPAD在1 μm附近的探测效率随波长增长而快速下降,其在1064 nm波长的探测效率仅1.1 %,而在1030 nm波长的探测效率达到3.2 %,两者存在约2.9倍差异。

图1 SiSPAD探测效率标定结果

使用雷达方程来计算探测效率差距对测距能力的影响。入射到探测器的每脉冲平均光子数μ为:

(1)

其中,Eout为系统出射光的单脉冲能量;D为接收镜直径;ρ为目标表面反射率;Topt为系统的光学损耗;L为目标距离雷达系统的距离;hc/λ为单光子能量;Ta代表大气透过率。1030 nm和1064 nm的大气透过率十分接近,非超远程工作条件下可以忽略Ta的影响。根据泊松分布公式,当平均入射光子数为μ时,单光子探测器能够探测到n个入射光子的概率P为:

(2)

其中,η为探测器的探测效率,探测器没有探测到光子的概率为P(μη,0)=e-μη,至少探测到一个光子的概率为P(μη,n≥1)=1-e-μη,已知η1030=2.9η1064。假设式(1)中其他参数相同,当1030 nm/1064 nm单光子探测激光雷达的非零计数概率P(μη,n≥1)相同,代入可得:

(3)

结果为1030 nm激光雷达的探测距离比1064 nm激光雷达高出约67.8 %,更高的探测距离意味着更大的应用潜力。另一方面,激光光源的性能也与探测距离密切相关。现主流的1064 nm单光子探测激光雷达多使用Nd∶YAG激光器作为光源,该激光器技术成熟且应用广泛。相比之下,虽然使用Yb∶YAG晶体的1030 nm激光器相关研究较少,但该晶体拥有量子效率高、能级结构简单、无激发态吸收和上转换作用、无浓度猝灭现象,高吸收带宽等独特优势。已经有许多高性能的1030 nm激光器产品相继推出,解决了1030 nm单光子探测激光雷达的光源问题。虽然1064 nm激光器输出功率高于1030 nm激光器,但对于汽车自动驾驶、地形测绘等需要符合人眼安全条件的应用领域,现有1030 nm激光器已满足功率要求。

3 单光子探测激光雷达实验设计

图2为单光子探测激光雷达系统示意图。实验中使用的1030 nm固态激光器输出脉宽为1.5 ns、重复频率为1.5 kHz,输出光束的直径为1.1 mm、发散角为1.2 mrad、单脉冲能量最大可调至100 μJ。1064 nm激光器的输出脉宽为2.2 ns、重复频率为1 kHz、光束的直径为1 mm,发散角为3.5 mrad,单脉冲能量0.5 μJ。两波长激光器可以拆卸替换,便于开展两个波长的单光子测距对比实验。出射光束经过组合滤光片衰减后,由有机玻璃板进行分光(分光比为3.7∶96.2),其中反射光束进入PIN光电二极管产生同步信号,透射光束穿过50 mm直径的打孔反射镜(打孔孔径10 mm)后出射。扫描装置采用双棱镜设计,由一对直径25.4 mm、顶角18.2°的楔形棱镜组成,并使用两个金属传感器反馈棱镜的旋转角度。1030 nm窄带滤光片用于抑制背景噪声。同步信号、金属传感器两路方位角信号、SPAD总共4路信号输入到TCSPC系统中记录。

图2 单光子探测激光雷达系统

4 1030 nm/1064 nm单光子测距对比

本文分别开展1030 nm和1064 nm波长的单光子测距实验,以验证两个波长探测效率差异对单光子测距能力的影响。按照图2原理图搭建单光子探测激光雷达,固定双棱镜的方位角使激光光束方向恒定,并通过改变滤光片调节脉冲强度,将两个光源调整到单脉冲能量基本一致。同时确保探测器计数保持在平均每脉冲0.1个光子以下,以规避多光子计数的影响。经过测试,光路中打孔反射镜、耦合透镜等其他光学原件在两波长处的光学损耗差异可以忽略不计。每个波长均测试5次,单次累计时间t=20 s,测距目标为实验室走廊后面60 m远的白色墙壁,图3展示了其中两次测量的结果。

图3中1030 nm测距得到的信号峰在高度上明显超过1064 nm。因为1030 nm激光器功率比1064 nm激光器更大,其初始出射光束被滤光片反射回来并散射到周围后会对探测器产生干扰,所以两波长的噪声强度存在差异。本文在后续分析中先做了去底噪处理。两个波长测距时雷达系统的位置有一些变动,导致测距结果不一致。该差异在后续计算中已经代入,不影响验证比对。使用Matlab对两个波长的测距结果进行积分,得到信号峰内回波信号的总和,结果如表2所示。

表2 相关参数和测距结果

总光子计数可表示为N=P(μη,n≥1)·t·f。设n1030、n1064为两个波长的总光子计数,f1030、f1064为激光重频,E1030、E1064为脉冲能量。由(1)式和(2)式可推出:

(4)

结果为3.09倍,与上文Si SPAD探测效率的标定结果(2.9倍)基本符合。

5 单光子三维成像实验

扫描装置的性能高低是影响雷达光束在空间上指向精确与否的关键性因素。声光、电光偏转器等[25]非机械性的扫描装置会引发光电效应等现象,因此存在通光孔径偏小和光束传输质量较差等问题。机械性扫描装置包括以旋转电机为代表的云台法、以振镜为代表的反射法和以楔形棱镜为代表的折射法。其中云台法大都体积笨重,无法高精度且快速的扫描;反射法因镜子角度改变量与光束偏转角度为2倍关系,在机械误差上更为敏感,面对机械震动等外界因素时抗干扰能力不足。与上述方法相比,双棱镜结构更为紧密、响应速度快、抗干扰能力更强[26],在复杂环境的适用性上也更好[27-28]。

组成扫描装置的一对楔形棱镜安置在金属套筒中。套筒上安装有传动轮,通过传动带与步进电机相连,最高转速10 r/s。步进电机上安装了两个不同齿数的传动轮用于带动双棱镜旋转,其驱动信号由高精度信号发生器给出,双棱镜的方位角信息由棱镜套筒旁的两个金属传感器给出。双棱镜的转动速度由电机转速和各自传动轮齿数比共同决定,通过更换传动轮即可改变扫描轨迹。实验中的齿数比为50∶47,扫描轨迹如图4(b)所示。激光落点的空间坐标由双棱镜的转动方程求解:

图4 单光子成像点云图

x(ω1,ω2)=(r1+rd)·sin(ω1t)+r2·sin(ω2t+Δθ)

(5a)

y(ω1,ω2)=(r1+rd)·cos(ω1t)+r2·cos(ω2t+Δθ)

(5b)

x(ω1,ω2)2+y(ω1,ω2)2+z(ω1,ω2)2=D2

(5c)

r1≈r2≈z(ω1,ω2)·tan(θ0)

(5d)

rd=C1+C2·cos(|ω1t-ω2t-Δθ|)

(5e)

x(ω1,ω2)、y(ω1,ω2)、z(ω1,ω2)分别为当前时刻激光落点的空间三维坐标,ω1、ω2为双棱镜的角速度;θ0为楔形棱镜的顶角角度;C1、C2为一个和θ0有关的已知小常量;t为当前时刻距离起始时刻经过的时间,由金属传感器信号和同步信号的差值给出;Δθ为起始时刻双棱镜之间的相位角,在组装雷达时测量给出;D为激光飞行距离,由TCSPC测量给出。对(5)式综合求解即可得到对应时间点的空间三维坐标。

为进一步减少背景噪声,本文在打孔反射镜到单光子探测器的光路上用吸光材料做了遮蔽处理。配合带宽10 nm的窄带滤光片,背景噪声最终被控制在10 kHz以内。

为演示1030 nm单光子探测激光雷达的成像效果,本文在实验室周围选取了一个合适的场景。如图4(a)所示,整体场景可分为3层:距离最近的两辆汽车和两颗行道树、靠中间的灌木丛、以及最外层的办公楼外墙。扫描范围为一个顶角36°的圆锥,从系统到办公楼外墙的距离约50 m,最大扫描半径16 m。本文将连续扫描的轨迹平均划分为若干个像素点,用TCSPC技术处理单个像素点对应时间段内的所有回波信号。在多个脉冲周期累计后,背景噪声接近平均的分布在时间轴上,而与同步信号相关性强的目标信号集中累积在一处,形成计数值远超噪声的信号峰。设定一个比较阈值去噪后对该信号峰提取质心对应的时间T,即可求出该像素点的距离D=cT/2。

尽管在白天使用1030 nm单光子探测激光雷达也能获得目标场景的距离信息,但过高的背景计数会导致系统信噪比过低、运算处理时间过长,所以本章实验在夜间进行。设置扫描时间250 s,电机转速为0.2 r/s,双楔形棱镜分别转动50圈和47圈。每个像素点的累计时间为6.6 ms,扫描轨迹被划分为约38000个像素点。扫描结果如图4(c)、(d)所示。

图中目标场景的重建效果良好。距离约25 m的蓝色点云中,靠上部分为两颗行道树,靠下部分为两辆汽车,在图4(d)中分别“A”框和“B”框标出。第二层灌木丛距离约35 m,用浅蓝灰色点云显示,在图4(d)中用“C”框标出。最后的办公楼外墙距离约50 m,用橙色点云显示其3层结构。汽车和树木的总体轮廓清晰,而办公楼外墙在细节上效果一般。这是因为汽车和树木的表面反射率较高,而办公楼外侧有大量低漫反射率的玻璃窗,导致回波光子数量有差异。同时在双楔形棱镜扫描轨迹划分的像素点中,中心区域的像素点较为密集,而边际区域的像素点分布稀疏,进而造成了外墙部分成像模糊。

6 结 论

本文搭建了一套基于SiSPAD的1030 nm单光子探测激光雷达,采用双棱镜作为扫描装置。从SiSPAD探测效率标定数据的分析和1064 nm/1030 nm两个波长测距比较实验这两个方面验证,说明1030 nm单光子探测激光雷达能够获得67.8 %左右的探测距离提升。另外,本文还演示了50 m范围的近距离三维成像,证明了1030 nm单光子探测激光雷达的可行性。同时,目前已经研发出高性能的1030 nm激光器货架产品,解决了激光光源的问题。相较于传统的近红外激光雷达,这种1030 nm单光子探测激光雷达在未来汽车自动驾驶、地形测绘等方面有很大的应用潜力。