基于面陣單光子探測器的激光三維成像

文/葛鵬 郭靜菁 尚震

1 前言

圖1：激光三維成像實驗裝置原理圖

激光雷達為主動光電探測系統，其工作波長短，相對于微波雷達能夠實現較高空間分辨率與測距精度。然而在較遠距離應用中，受發射功率、大氣傳輸損耗、接收孔徑等因素的限制，激光雷達接收的回波能量十分微弱，常規光電探測器難以有效檢測微弱信號，而單光子探測器以極高探測靈敏度，被廣泛用于微弱回波信號測量。基于單光子探測器能夠實現遠距離的探測與成像，其空間分辨率可通過逐點掃描 或探測器陣列來獲得。逐點掃描方式中，激光不斷地往返于系統與目標之間，進行大規模成像耗時嚴重。基于大規模面陣探測器，發射少數脈沖可獲得視場的高分辨率信息，具有較高成像效率，是一種較為理想成像方式。

單光子探測器主要用于脈沖法直接探測，系統發射脈沖激光，并測量返回脈沖的飛行時間來實現三維成像。單光子探測器具有單光子探測靈敏度，但無法分辨光子數，為此系統中單像元單脈沖探測的光子數往往小于1，像元對回波脈沖進行概率性探測，并通過脈沖累積來提高探測概率。光子探測過程記錄的為離散的光子數據，需要用泊松噪聲模型描述。

2 實驗裝置

該實驗裝置原理圖如圖1所示，其利用了激光泛光照明方式，激光發射和接收采用了分離的光學孔徑。高功率固體激光器產生波長1064nm、重復頻率1kHz、脈寬500ps、能量80uJ的激光脈沖。針對每個激光脈沖，通過高速光電探測器精確測量其出射時刻，用作脈沖飛行時間測量的初始值。

圖2：300米外目標照片（左）、強度成像結果（中）、基于飛行時間距離成像結果（右）

激光光束在橫截面上的光強分布為非均勻高斯分布，在光束中心光強較高，在光束邊緣光強較低。直接將光束投影到視場上用于照明時，激光照明效率較低。為此，采用了非球面鏡光束整形器，將光束由高斯分布整形為平頂分布，然后用于視場的照明。

面陣單光子探測器為64×64規模InGaAs蓋革APD焦平面陣列。APD陣列前方安裝了微透鏡陣列，將光學填充因子提高到約60%。單個APD像元在1064nm波段的量子效率約20%，暗計數率20kHz。每個APD像元后端都集成了數字計時器，實現了2ns計時精度。APD陣列最大計數幀頻為20kHz，通過CameraLink接口采集光子計數數據。在成像過程中，激光器每發射一個脈沖激光，同步觸發APD陣列探測器，探測器經過固定延時后，開啟門控來探測回波脈沖信號。

3 信號提取方法

單光子探測器實際記錄的數據為光子飛行時間，經過多次累積可以得到光子飛行時間直方圖，其中包含了信號光子、噪聲光子和暗計數等數據。信號光子在直方圖中為脈沖式分布，而噪聲光子和暗計數為隨機均勻分布，通過在時間域上的差別可以較大程度上去除噪聲。

由于發射的激光脈沖為納秒級別，寬度較窄，激光信號光子集中分布在直方圖中相鄰的幾個區間內。其分布寬度主要取決于激光脈沖寬度、測量時間精度等因素。本實驗裝置中，激光脈沖寬度為500ps，測量時間精度為2ns。直方圖時間區間寬度為探測器的時間分辨率（2ns），回波脈沖在直方圖中可能跨越多個區間。為了確定信號所在的時間區間，按照如下公式，順序累加多個相鄰區間的光子計數：

式中，ni為第i個時間區間內的光子數目，f為累加k到k+N時間區間內的光子數目。為了盡量覆蓋回波脈沖，選取N=5來計算f，將具有最大光子數目的相鄰區間作為回波脈沖區間。

在視場沒有目標的情況下，光子計數主要來自于背景光、暗計數噪聲，上述方法仍然能夠獲得回波脈沖時間區間，但是由于噪聲漲落引起的。為了解決這個問題，計算了每個時間區間的平均光子數作為閾值；如果f超過區間上平均光子數起伏的3倍，則認為其為信號區間；否則，認為區間中無回波脈沖。

4 成像結果

本實驗裝置對300m外目標的成像結果如圖2所示。為了降低噪聲的影響，在探測回波脈沖前，對探測器施加了1us時間延遲，然后開啟門控時間2us進行探測。圖2顯示了基于20000個脈沖回波數據的目標強度圖像與距離圖像，圖像分辨率與探測器像元規模一致，為64×64，空間分辨率為0.2m，成像視場為

12.8 m×12.8m。

5 結語

本文基于64×64規模的InGaAs蓋革APD陣列與高峰值功率激光器，搭建了1064nm光子計數激光三維成像平臺，進行了強度和距離成像；針對光子探測噪聲來源復雜的問題，基于信號與噪聲在時間分布上的差異，有效提取了激光回波信號，實現了室外300米外目標三維成像。