基于單光子激光雷達遠距離海上測距的實現

張 弛, 董光焰, 吳淦華, 王治中, 馮志軍

(1.中國電子科技集團公司第二十七研究所，鄭州市激光雷達重點實驗室，鄭州 450047； 2.南京電子技術研究所,智能感知技術重點實驗室，南京 210039)

激光雷達測量系統因體積質量小、精度高以及響應速度快等優點被廣泛應用于遠距離測量、大氣濃度檢測、激光三維成像、星地激光測距[1-2]等各個領域。隨著現代技術與裝備發展的需求，要求測距系統具有超視距和高精度的測量能力，依靠傳統高峰值發射的傳統單脈沖和多脈沖激光測距技術已不能滿足未來的要求。以量子理論為基礎的單光子激光測距技術逐漸興起，它采用超高靈敏度的單光子探測器[3](single photon detector，SPD)，將系統探測能力達到單光子量級的探測靈敏度[4]，是提高激光測距能力與精度的一個重要途徑。但在單光子測距中，易受到源自探測器視場內的背景光噪聲和探測器本身的暗計數噪聲以及大氣氣溶膠的后向散射、大氣湍流等其他因素的影響。常用的時間測量系統一般利用回波脈沖觸發計數器來測量激光飛行時間間隔，例如基于現場可編輯邏輯門陣列(field programmable fate array，FPGA)延遲線內插的時間-數字轉換電路[5]，但計數器易受到背景噪聲和多目標的干擾，觸發個數有限且容易形成誤觸發。當對室外遠距離目標進行測量時，系統的抗干擾能力弱，無法對回波數據進行全通道的數據處理。且目前大多數研究都是針對地面近距離目標進行仿真或測量[6]。為了驗證單光子激光雷達在海洋環境實際應用的可行性，針對海面遠程靜止與運動目標，使用超高速數字信號采樣方法對回波通道進行高速采樣分析研究，采用多種濾波處理方法與自適應算法進行信號處理，利用圖像信息與伺服轉臺對運動目標進行實時跟蹤測量，利用高性能數字信號處理技術實時處理并給出目標三維坐標信息。

1 工作原理

單光子激光雷達系統相對于傳統微波雷達體積小、質量輕，抗電磁干擾能力強；利用光在空間中飛行時間完成對目標進行距離解算。其工作原理框圖如圖1所示。

圖1 單光子激光雷達工作原理Fig.1 Single photon laser radar working principle diagram

激光雷達系統通過圖像信息控制伺服轉臺來實時跟蹤瞄準目標。當對目標穩定跟蹤時，控制系統發出激光發射指令，處理模塊根據命令信號控制激光器發射脈沖信號，此處使用固體激光器(diode pumped solid state laser，DPL)，該激光器可實現高重復頻率、高峰值功率且單色性好、脈寬窄等優點，有利于提高單光子系統整體性能[7]。脈沖信號經過光學天線發射向被測目標，經目標漫反射后的回波信號經光學天線接收匯聚到探測器上，常用的單光子探測器有采用超導效應的超導納米線的單光子探測器[8]。然而超導納米線單光子探測器需要工作在極低的溫度環境，需要龐大的制冷設備與溫控設備，設備體積龐大。而基于銦鎵砷材質的單光子探測器工作在蓋格模式時，以體積小、時間抖動低、制冷方便等優點得到了廣泛的應用[9]。DSP+FPGA數字信號控制高速模數轉換器(analog-to-digital converter，ADC)模塊對硅基單光子探測器(single photon avalanche detector，SPAD)的回波信號解算兩者回波距離并上傳上位機。

為了驗證單光子激光探測威力的提升，在相同的測試地點，在保持激光發射能量與接收口徑等其他參數不變的情況下，架設另外一臺使用常規雪崩光電二極管作為激光探測器的測距設備，與單光子激光雷達進行測距能力對比。

2 信號模型分析與數據處理

當對遠距離小目標進行測量時，目標表面近似為朗伯表面，系統探測威力受多種因素的影響， 單光子探測器接收的回波光子個數與系統關系為

(1)

式(1)中：Ns為激光回波在單光子探測器上產生的光電子數量；ρ為目標發射率；γ為激光雷達與目標之間的大氣雙程透過率；τt為激光發射光學效率;τr為接收光學效率;Ar為接收光學口徑有效面積；m2；Et為激光發射單脈沖能量，J；R為激光雷達與目標之間的距離，m；ηq為單光子探測器的量子效率；θt為發射光軸與目標法向夾角，rad；hv是激光波長的單光子能量，J；h為普朗克常數，v為輻射電磁波的頻率，Hz。激光在大氣中的雙程透過率受到大氣中氣溶膠粒子的吸收、散射等影響，嚴重影響了激光探測的威力和測量精度。

工作在蓋格模式的光電倍增管的噪聲源主要包括暗計數噪聲和視場內的背景光噪聲，噪聲分布為隨機過程。相較于陸地環境，海面濕度較大，激光在傳輸的過程中一部分被海面氣溶膠吸收，另一部分被粒子散射,不同顆粒大小的氣溶膠對激光能量造成不同程度的衰減影響，當入射波長λ遠遠小于被探測粒子半徑φ時,即λ?φ，粒子散射遵循Mie散射理論[10]，大氣中的氣溶膠粒子吸收一部分入射的激光能量以及向各個方向產生散射。當散射角度為180°時，光會沿著激光發射方向的反方向散射，該散射光被激光雷達系統接收并產生對應的噪聲信號，噪聲信號會惡化系統的信噪比，降低系統性能，因此主要考慮系統受到的后向散射影響。在一次散射條件下，Mie散射型激光雷達R處氣溶膠散射強度公式為

(2)

式(2)中：E為激光雷達發射能量，J；βR、aR分別為距離R處大氣氣溶膠后向散射系數與消光系數，大小與氣溶膠濃度、顆粒大小等有關。

海風吹拂海水表面形成海鹽粒子與大氣的氣溶膠粒子構成了海洋表面大氣氣溶膠。利用Mieplot軟件主要分析1 064 nm波段激光在不同海面氣溶膠粒子半徑時，激光吸收系數與散射系數的變化，如圖2所示，橫坐標為海面氣溶膠粒子半徑，圖中紅色曲線為散射系數變化曲線，黑色曲線為吸收系數曲線，可見1 064 nm激光在海面主要受到海洋氣溶膠散射的影響。

圖2 不同半徑海面粒子對激光散射系數與 吸收系數的影響Fig.2 Relationship between scattering intensity and absorption coefficient of different radius of particles

假設大氣是均勻分布的，常用于水平探測的反演方式有Collis斜率法[11]，通過反演近似得到大氣衰減系數:

(3)

根據上文分析，考慮大氣因素影響，在典型氣象條件下，針對非合作目標，不同能見度條件下，使用常規雪崩二極管探測器測距威力和使用單光子探測的探測系統威力對比如表1所示(針對大目標測量，涉及到的其他參數詳見試驗測試分析)。

表1 不同海面能見度條件下激光最遠工作距離

明顯可見，單光子激光雷達系統探測威力明顯高于傳統激光探測威力，且大氣能見度越小衰減系數越大，從而導致探測的威力也越小。由于海面容易形成濃霧，且探測器存在后脈沖效應，激光回路中的后向散射以及氣溶膠的湍流效應容易造成通道阻塞，導致無法對目標進行測量，對測量造成較大的影響。因此必須采取措施抑制海面環境下的噪聲。

首先在回波信號光輸入端采用窄帶濾光片對回波信號雜散光進行空間光譜濾波。其次采用可調光開關進行時間-距離門選通。單光子探測器的回波信號只能反映目標的有和無，無法利用回波信號的強弱大小來進行數據處理，因此采用數理統計學方法對回波通道的距離分布進行分析，同時對每一幀數據實時進行累加，最后對選通門限內的回波信號進行回波率排名，根據回波率確定目標的位置，流程如圖3所示。

圖3 單光子信號處理流程Fig.3 Single photon echo signal processing flow chart

3 試驗測試分析

課題組在青島市黃島區海岸線20 km外的孤立的靈山島進行相關測試，單光子激光測量系統采用1 064 nm脈沖激光器，峰值功率為15 MW，脈沖寬度為8 ns，發射光學效率為0.8，激光發散角為0.5 mrad，接收光學天線口徑為120 mm。常規測距機的參數與之保持不變。單光子測量系統的接收光學天線將接收光信號耦合到光纖中，光纖經過1 064 nm窄帶濾光片濾波，濾光片線寬1 nm。經過濾光片的光信號輸入到單光子探測器中，接收光學效率為0.8。單光子探測器型號為SPCMAQRH14-FC，該探測器在1 064 nm中心波長的探測效率為2%。探測器輸出的電信號輸入到高速數字處理模塊， DSP通過控制ADC采樣將數據兩級緩存：將采樣后的信號輸入一級緩存，存儲大小為128 Mbit。數據然后進入二級緩存(synchronous dynamic random access memory， SDRAM)大小為1.2 Gbit。DSP對SDRAM中的數據進行高速數字濾波處理，實時解算出目標距離信息并上傳上位機。實驗設備如圖4(a)所示，圖片中左上角為光學相機(charge-coupled device, CCD)來獲取目標圖像信息，右上為單光子接收光學天線，左下角為激光發射光學天線，右下角為常規測距接收光學天線。測試地點位于臨海的半山坡上，如圖4(b)所示。

圖4 單光子激光雷達系統與測試地點Fig.4 Single photon laser radar system and test location

4 試驗結果分析

測量目標位于測試點東北方向，距離測量點距離為40 km的樓房，通過CCD觀察并瞄準目標，在11月13日當天，相似海洋環境下分別在上午8:35與下午18:04對目標展開測試，測試目標的回波信號的直方圖分布結果如圖5所示。

圖5 不同能見度下海岸線樓房測試結果Fig.5 Coastal building test results under different visibility

采用該單光子激光雷達系統分別在上午8:35與下午18:04對同一目標進行測量(激光發射能量衰減10 dB)。上午太陽照射不強且環境溫度較低，海面濕度不高，環境溫度為14 ℃，濕度為55%，能見度約10 km；當天下午時環境溫度較高，下午環境溫度為20 ℃，環境濕度為72%，海面被太陽照射形成較大的水霧，能見度較差，能見度約5 km。對比分析可見，視場中的氣溶膠粒子造成較強的后向散射，且散射強度呈指數衰減符合激光后向散射強度分析，由于下午后向散射相較上午明顯增強，對系統測量影響更加嚴重。經過后續的數據處理，兩種條件下目標回波率分別為53%與5%，較強的后向散射造成目標回波率明顯降低。由此可見，在同一海域其他指標相同的情況下，激光后向散射對激光探測影響較為嚴重。

在較好的天氣條件下，通過增加光譜濾波以及光開關時間濾波等手段，最終實現了對53 km大山回波率高于95%的探測。而在相同海域，常規測距機最遠僅能對40 km遠的樓房進行穩定測距。單光子測量系統相較傳統測距機威力提高明顯。對遠距離目標測量時，由于近處后向散射嚴重，對激光造成較為嚴重的衰減，測量指標低于理論值分析。

通過自動跟蹤門實現了對動目標的測量。通過CCD實時跟蹤瞄準海上行駛中的漁船，如圖6(a)所示，該漁船長度5 m，高度1～2 m，通過CCD實時對漁船進行捕獲與跟蹤。圖6(b)所示為船只測量航跡，橫軸為通道采樣點，縱軸為船只距離大小。

圖6 海面38 km距離遠船只與其動態行駛航跡Fig.6 38 km far away from the vessel and dynamic driving track

通過自動跟蹤測量可知，該系統可以對海上運動目標進行動態調整視場進行時間-距離門選通測量，該測量系統可以對運動目標進行自適應處理。由于海面風浪較大，船體在海面行駛過程中晃動明顯，同時由于激光束散角較小，伺服系統在小船行駛過程中跟蹤精度有限，導致回波數據不連續，試驗測試結果符合預期。

5 結論

根據單光子探測器的對海面目標回波特性分析，得出如下結論。

(1)相對于傳統探測威力，單光子探測威力提升明顯。對比分析不同時段海面氣溶膠對系統測量的影響，相較于陸地環境，海面氣溶膠后向散射對系統影響更為嚴重。

(2)設計了適應海洋環境目標回波特性的光譜濾波、時間濾波，以及自適應濾波算法且進行初步驗證。

(3)設計高速數字信號處理平臺并對單光子脈沖信號波形進行實時采樣處理，對海岸線靜止目標與海面運動船只得到了良好的實驗測試結果。未來將開展其他平臺算法研究。