蓋革模式APD陣列在激光雷達技術中應用

韓小純，王元慶

(南京大學電子科學與工程學院，江蘇南京210046)

1 引言

激光雷達技術是關系到國防安全的重要研究領域之一，不僅如此，其在自然災害救援和地理測繪方面也有重要應用。目前，國際上已研制出多種體制的激光雷達，其中焦平面成像激光雷達備受關注。美國麻省理工學院林肯實驗室自1996年開始研制基于GMAPD(Geiger-Mode Avalanche Photodiode)焦平面陣列的閃光激光雷達，并進行了飛行試驗，證明其對地面?zhèn)窝b目標和樹林中隱蔽目標具有良好的探測力［1］。

基于GMAPD陣列閃光激光雷達較其他體制激光雷達具有如下主要優(yōu)點［2－3］:

(1)極高的探測靈敏度，可實現(xiàn)單光子探測;

(2)較高的測量精度，厘米量級;

(3)較高的探測效率，采用單脈沖焦平面陣列成像方式;

(4)較低的功耗;

(5)體積小，集成度高。

由于上述優(yōu)點，國際上很多研究機構和公司已投入此研究。據(jù)報道，2011年林肯實驗室在美國空軍的支持下已完成ALIRT(Airborne Ladar Imaging Research Testbed)系統(tǒng)，并獲得當年美國百大科技研發(fā)獎(R＆D 100 Awards)，ALIRT可在9 km高空作業(yè)，工作在3 km高度時距離分辨率可達一分米［4］。

我國由于探測器發(fā)展較慢，為了更好地借鑒國外最新的研究成果，提升我國的三維成像激光雷達技術水平，本文簡述了GMAPD陣列激光雷達的工作原理及其各試驗系統(tǒng)特性，重點介紹了麻省理工學院林肯實驗室在此方面的研究進展。

2 GMAPD陣列器件簡述

GMAPD陣列器件由蓋革模式APD陣列和相應的計時集成電路陣列兩部分構成，這兩部分都是在各自獨立的基片上按照統(tǒng)一的設計規(guī)范加工出來，然后利用橋接集成技術(Bridge Bonding)將兩部分集成在一起［2］。如圖1所示，這種橋接集成技術首先利用環(huán)氧樹脂將CMOS計時電路和對應的APD陣列面對面膠合起來，在膠合的過程中兩者之間沒有任何電氣連接。膠合之后形成了上面是APD陣列基底，中間為APD陣列，下面是CMOS計時電路陣列的“三明治”結構。然后，利用電化學刻蝕的方法將APD陣列的基底去除(APD陣列以背面照射的方式工作)。最后，在APD陣列的各單元之間刻蝕出通道，利用圖案形成的方法在通道中形成“金屬橋”以連接APD和計時讀出電路。圖2為利用橋接集成技術集成后的APD陣列顯微照片。

圖1 橋接集成技術Fig.1 bridge bonding

現(xiàn)以32×32陣列GMAPD為例來具體說明其特性。陣列像元之間的間距為150μm，APD有效區(qū)域的直徑為50μm，具有單光子探測能力。該陣列的設計目的是為了通過單激光脈來沖獲取目標的三維信息，因此，每個像素單元都對應著一個獨立的計時電路。光源發(fā)射的激光脈沖觸發(fā)計時電路工作，當從目標反射回來的脈沖到達時，計時電路停止計時，并將計數(shù)結果保存供讀出。這樣焦平面上的每個像素單元都會得到由計時電路產(chǎn)生的距離信息，該計時電路的時間分辨率為0.5 ns，其對應的距離分辨率為7.5 cm。

圖2 APD/CMOS橋接后的顯微照片F(xiàn)ig.2 photomicrograph of the same bridge-bonded APD/CMOS device

3 GMAPD焦平面成像激光雷達

2002年，林肯實驗室相繼研發(fā)了包括GEN-I(Brassbord)、GEN-II、GEN-III 三代實驗系統(tǒng)［5］，2003年和2011年分別研發(fā)了Jigsaw Ladar Sensor和ALIRT試驗系統(tǒng)。在 GEN-I系統(tǒng)中，4×4的APD陣列被封裝成一個獨立的器件整合到印刷電路板上。每個APD單元對應著一個脈沖放大電路，放大后的脈沖信號通過同軸電纜傳輸?shù)接嫊r模塊。而在GEN-II系統(tǒng)中，4×4的APD陣列集成了帶有16個計時電路的CMOS芯片。GEN-III系統(tǒng)采用的則是完全將32×32APD陣列和32×32CMOS計時電路陣列相集成的傳感器，相元數(shù)目更多，集成度更高。

2003年，Richard M.Marino領導的小組研發(fā)了Jigsaw Ladar Sensor系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的突出特點是能夠對遮蔽在樹葉、偽裝網(wǎng)后面的目標進行識別［3］。Richard M.Marino等人認為，單視角的激光三維成像，對于覆蓋率為95%的目標只能得到很稀疏的抽樣。如果能夠獲得目標從多個角度獲取的點云數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)有效的綜合就可以得到目標表面的密集抽樣，利用這種方法實現(xiàn)對目標的可靠精確識別。表1列出了Jigsaw Ladar Sensor系統(tǒng)的主要參數(shù)。

表1 Jigsaw Ladar Sensor系統(tǒng)主要參數(shù)Tab．1 Jigsaw Ladar Sensor System Parameters

Jigsaw Ladar Sensor采用的是32×32 GMAPD陣列，在150 m作用高度橫向分辨率為5 cm，距離分辨率為40 cm。其中，激光器采用了林肯實驗室研發(fā)的微片激光(Microchip Lasers)技術，是一種被動調(diào)Q式的固態(tài)倍頻Nd∶YAG激光器，工作波長為 532 nm，脈沖寬度 300 ps，脈沖頻率 16 kHz［6－7］。圖3給出了Jigsaw Ladar Sensor三維成像的一個實例，圖3(a)是從多角度獲取的目標原始點云數(shù)據(jù)融合后建立的三維場景圖，從俯視的角度觀看只能看到樹冠而看不到隱藏在下面的軍事目標。圖3(b)和圖3(c)是對三維場景的處理過程，將樹冠層削去則隱藏在樹下的坦克目標清晰可見［8］，如圖3(d)，從而實現(xiàn)對偽裝目標的精確識別。

2011年，林肯實驗在美國空軍的支持下完成了ALIRT(Airborne Ladar Imaging Research Testbed)系統(tǒng)的研制［9］。ALIRT能夠從9 km高度對廣域地形進行快速高分辨率三維成像，每小時可完成2000 km2區(qū)域的三維成像，其在3 km高度距離分辨率為10 cm。圖4給出了ALIRT系統(tǒng)原理框圖，ALIRT采用了32×128 GMAPD焦平面計時陣列［10］，配合角度編碼器實現(xiàn)大幅寬的快速三維成像。林肯實驗室還為ALIRT系統(tǒng)設計了GMAPD數(shù)據(jù)讀出子系統(tǒng)，其讀出速率為160MB/s。為了將生成的3D距離圖像精確地放置在世界坐標系中，ALIRT安裝了全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性測量裝置(IMU)用來確定飛機的位置和飛行方向。

圖3 樹冠下目標的提取識別Fig.3 recognition of the target below the tree canopy

圖4 ALIRT系統(tǒng)原理框圖Fig.4 a system block diagram of ALIRT

圖5 是ALIRT產(chǎn)生的美國科羅拉多大峽谷三維地形圖，左上角為大峽谷的實景照片。大峽谷的高度落差接近2 km，從圖中不僅可以看出大峽谷的地形結構，還可以看到清晰的細節(jié)，可見ALIRT系統(tǒng)的作用距離和精度都達到了很高的水平。

圖5 美國科羅拉多大峽谷的ALIRT成像Fig.5 ALIRT imagery of the Grand Canyon

4 結語

文中介紹了美國林肯實驗室研發(fā)的蓋革模式APD陣列，并給出其在激光雷達應用方面的最新研究進展。基于GMAPD陣列的激光雷達具有靈敏度高、距離分辨率高、作用距離遠、快速高效和能對偽裝目標精確識別等優(yōu)點。林肯實驗室已經(jīng)研制了GEN-I、GEN-II、GEN-III、Jigsaw Ladar Sensor 和ALIRT等試驗系統(tǒng)，這些激光雷達系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的出色性能在軍事和民用方面都受到廣泛關注。隨著探測器技術的不斷發(fā)展，GMAPD陣列性能將會進一步提升，也將在夜視系統(tǒng)、深空探測和偵察應用等領域中有更加廣泛的應用。

［1］ Wu Lijuan，Li Li，Ren Ximing．3D imaging simulation of APD arrays laser radar system based on Geigermode［J］．Infrared and Laser Engineering，2011，40(11):2180 －2186．(in Chinese)吳麗娟，李麗，任熙明．蓋革模式APD陣列激光雷達的三維成像仿真［J］．紅外與激光工程，2011，40(11):2180－2186．

［2］ Brian F Aull，Andrew H Loomis，et al．Geiger-mode avalanche photodiodes for three-dimensional imaging［J］．Lincoln Laboratory Journal，2002，13(2):335 －350．

［3］ Richard M Marino，William R Davis，Jr．Jigsaw:A Foliage-Penetrating 3D Imaging Laser Radar System［J］．Lincoln Laboratory Journal，2005，15(1):23 －36．

［4］ MIT Lincoln Laboratory．MIT lincoln laboratory wins four 2011 R＆D 100 awards［EB/OL］．http://www．ll．mit．edu/news/2011R-DAwards．html，2011 －08．

［5］ Marius A．Albota，Brian F．Aull，et al．Three-dimensional imaging laser radarswith geiger-mode avalanche photodiode arrays［J］．Lincoln Laboratory Journal，2002，13(2):351－370．

［6］ J J Zayhowski．Microchip lasers［J］．Lincoln Laboratory Journal，1990，3(3):427 － 446．

［7］ John JZayhowski．Passively Q-switched Nd:YAG microchip lasers and applications［J］．Journal of Alloys and Compounds，2000，302 －304:393 －400．

［8］ Michael EO'Brien，DanielG Fouche．Simulation of3D laser radar systems［J］．Lincoln Laboratory Journal，2005，15(1):37－60．

［9］ Robert Knowlton．Airborne ladar imaging research testbed［M］．America:Lincoln Laboratory，2011．

［10］ R＆D Magazine．Faster mapping at higher altitudes［EB/OL］．http://www．rdmag．com/award-winners/2011/08/faster-mapping-higher-altitudes，2011 －08 －14．