1 μm波段單光子探測(cè)激光雷達(dá)因大氣透過(guò)率高、背景噪聲低、紅外隱蔽性好、激光脈沖能量高，在遠(yuǎn)距離激光測(cè)距和成像方向極具發(fā)展前景。然而，傳統(tǒng)的1064 nm激光器缺少對(duì)應(yīng)的高性能的單光子探測(cè)器，成為1 μm波段單光子探測(cè)激光雷達(dá)的發(fā)展瓶頸。蓋革Si APD單光子探測(cè)器（SiSPAD）具有優(yōu)異的探測(cè)性能，但是其在1064 nm波長(zhǎng)的探測(cè)效率極低。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)”為主題的文章。該文章第一作者為楊函霖，主要從事近紅外單光子測(cè)距與成像技術(shù)方面的研究工作；通訊作者為吳光研究員，主要從事低噪聲高速單光子探測(cè)技術(shù)方面的研究工作。

針對(duì)這個(gè)激光器與探測(cè)器的矛盾，本文研究1030 nm波長(zhǎng)單光子探測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)，SiSPAD在1030 nm的探測(cè)效率是1064 nm的2.9倍，相同條件的單光子探測(cè)激光雷達(dá)探測(cè)距離提升67.8%。另外，本文搭建雙棱鏡光束掃描裝置，演示了1030 nm波長(zhǎng)的單光子三維成像。

SiSPAD在1 μm波段探測(cè)效率

SPAD的探測(cè)概率由量子效率和光生載流子觸發(fā)雪崩電流概率組成。量子效率指入射光子被APD吸收層的半導(dǎo)體材料吸收后產(chǎn)生光生載流子的概率，其中最主要的吸收形式為本征吸收。半導(dǎo)體材料對(duì)不同波長(zhǎng)入射光子的本征吸收強(qiáng)度不同，導(dǎo)致SPAD的探測(cè)效率存在差異。在1 μm波段，Si的本征吸收強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增大而降低。本文首先測(cè)量SiSPAD在1 μm波段的探測(cè)效率，從而分析比較1030 nm與1064 nm兩種波長(zhǎng)單光子探測(cè)激光雷達(dá)的性能差異。

本文采用德國(guó)Laser Components公司的Si APD器件（Sap500），發(fā)展主動(dòng)抑制電路，研制成SiSPAD，所測(cè)探測(cè)效率與其他同類產(chǎn)品存在絕對(duì)數(shù)值上的差異，但探測(cè)效率隨波長(zhǎng)的變化趨勢(shì)是一致的。在暗室中對(duì)SiSPAD探測(cè)效率標(biāo)定結(jié)果如圖１所示。從標(biāo)定結(jié)果可見，SiSPAD在1 μm附近的探測(cè)效率隨波長(zhǎng)增長(zhǎng)而快速下降，其在1064 nm波長(zhǎng)的探測(cè)效率僅1.1%，而在1030 nm波長(zhǎng)的探測(cè)效率達(dá)到3.2%，兩者存在約2.9倍差異。

圖1 SiSPAD探測(cè)效率標(biāo)定結(jié)果

使用雷達(dá)方程來(lái)計(jì)算探測(cè)效率差距對(duì)測(cè)距能力的影響。1030 nm激光雷達(dá)的探測(cè)距離比1064 nm激光雷達(dá)高出約67.8%，更高的探測(cè)距離意味著更大的應(yīng)用潛力。另一方面，激光光源的性能也與探測(cè)距離密切相關(guān)?，F(xiàn)主流的1064 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)多使用Nd：YAG激光器作為光源，該激光器技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛。相比之下，雖然使用Yb：YAG晶體的1030 nm激光器相關(guān)研究較少，但該晶體擁有量子效率高、能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換作用、無(wú)濃度猝滅現(xiàn)象，高吸收帶寬等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。已經(jīng)有許多高性能的1030 nm激光器產(chǎn)品相繼推出，解決了1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)的光源問(wèn)題。雖然1064 nm激光器輸出功率高于1030 nm激光器，但對(duì)于汽車自動(dòng)駕駛、地形測(cè)繪等需要符合人眼安全條件的應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)有1030 nm激光器已滿足功率要求。

單光子探測(cè)激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2為單光子探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖。實(shí)驗(yàn)中使用的1030 nm固態(tài)激光器輸出脈寬為1.5 ns、重復(fù)頻率為1.5 kHz，輸出光束的直徑為1.1 mm、發(fā)散角為1.2 mrad、單脈沖能量最大可調(diào)至100 μJ。1064 nm激光器的輸出脈寬為2.2 ns、重復(fù)頻率為1 kHz、光束的直徑為1 mm，發(fā)散角為3.5 mrad，單脈沖能量0.5 μJ。兩波長(zhǎng)激光器可以拆卸替換，便于開展兩個(gè)波長(zhǎng)的單光子測(cè)距對(duì)比實(shí)驗(yàn)。出射光束經(jīng)過(guò)組合濾光片衰減后，由有機(jī)玻璃板進(jìn)行分光（分光比為3.7:96.2），其中反射光束進(jìn)入PIN光電二極管產(chǎn)生同步信號(hào)，透射光束穿過(guò)50 mm直徑的打孔反射鏡（打孔孔徑10 mm）后出射。掃描裝置采用雙棱鏡設(shè)計(jì)，由一對(duì)直徑25.4 mm、頂角18.2°的楔形棱鏡組成，并使用兩個(gè)金屬傳感器反饋棱鏡的旋轉(zhuǎn)角度。1030 nm窄帶濾光片用于抑制背景噪聲。同步信號(hào)、金屬傳感器兩路方位角信號(hào)、SPAD總共4路信號(hào)輸入到TCSPC系統(tǒng)中記錄。

圖2 單光子探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)

1030 nm / 1064 nm單光子測(cè)距對(duì)比

本文分別開展1030 nm和1064 nm波長(zhǎng)的單光子測(cè)距實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證兩個(gè)波長(zhǎng)探測(cè)效率差異對(duì)單光子測(cè)距能力的影響。按照?qǐng)D2原理圖搭建單光子探測(cè)激光雷達(dá)，固定雙棱鏡的方位角使激光光束方向恒定，并通過(guò)改變?yōu)V光片調(diào)節(jié)脈沖強(qiáng)度，將兩個(gè)光源調(diào)整到單脈沖能量基本一致。同時(shí)確保探測(cè)器計(jì)數(shù)保持在平均每脈沖0.1個(gè)光子以下，以規(guī)避多光子計(jì)數(shù)的影響。經(jīng)過(guò)測(cè)試，光路中打孔反射鏡、耦合透鏡等其他光學(xué)原件在兩波長(zhǎng)處的光學(xué)損耗差異可以忽略不計(jì)。每個(gè)波長(zhǎng)均測(cè)試5次，單次累計(jì)時(shí)間t＝20 s，測(cè)距目標(biāo)為實(shí)驗(yàn)室走廊后面60 m遠(yuǎn)的白色墻壁，圖3展示了其中兩次測(cè)量的結(jié)果。

圖3 1030 nm / 1064 nm測(cè)距結(jié)果

圖3中1030 nm測(cè)距得到的信號(hào)峰在高度上明顯超過(guò)1064 nm。因?yàn)?030 nm激光器功率比1064 nm激光器更大，其初始出射光束被濾光片反射回來(lái)并散射到周圍后會(huì)對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生干擾，所以兩波長(zhǎng)的噪聲強(qiáng)度存在差異。本文在后續(xù)分析中先做了去底噪處理。兩個(gè)波長(zhǎng)測(cè)距時(shí)雷達(dá)系統(tǒng)的位置有一些變動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)距結(jié)果不一致。該差異在后續(xù)計(jì)算中已經(jīng)代入，不影響驗(yàn)證比對(duì)。使用Matlab對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)距結(jié)果進(jìn)行積分，得到信號(hào)峰內(nèi)回波信號(hào)的總和，結(jié)果如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)和測(cè)距結(jié)果

單光子三維成像實(shí)驗(yàn)

掃描裝置的性能高低是影響雷達(dá)光束在空間上指向精確與否的關(guān)鍵性因素。聲光、電光偏轉(zhuǎn)器等非機(jī)械性的掃描裝置會(huì)引發(fā)光電效應(yīng)等現(xiàn)象，因此存在通光孔徑偏小和光束傳輸質(zhì)量較差等問(wèn)題。機(jī)械性掃描裝置包括以旋轉(zhuǎn)電機(jī)為代表的云臺(tái)法、以振鏡為代表的反射法和以楔形棱鏡為代表的折射法。其中云臺(tái)法大都體積笨重，無(wú)法高精度且快速的掃描；反射法因鏡子角度改變量與光束偏轉(zhuǎn)角度為2倍關(guān)系，在機(jī)械誤差上更為敏感，面對(duì)機(jī)械震動(dòng)等外界因素時(shí)抗干擾能力不足。與上述方法相比，雙棱鏡結(jié)構(gòu)更為緊密、響應(yīng)速度快、抗干擾能力更強(qiáng)，在復(fù)雜環(huán)境的適用性上也更好。

組成掃描裝置的一對(duì)楔形棱鏡安置在金屬套筒中。套筒上安裝有傳動(dòng)輪，通過(guò)傳動(dòng)帶與步進(jìn)電機(jī)相連，最高轉(zhuǎn)速10 r/s。步進(jìn)電機(jī)上安裝了兩個(gè)不同齒數(shù)的傳動(dòng)輪用于帶動(dòng)雙棱鏡旋轉(zhuǎn)，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)由高精度信號(hào)發(fā)生器給出，雙棱鏡的方位角信息由棱鏡套筒旁的兩個(gè)金屬傳感器給出。雙棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)速度由電機(jī)轉(zhuǎn)速和各自傳動(dòng)輪齒數(shù)比共同決定，通過(guò)更換傳動(dòng)輪即可改變掃描軌跡。實(shí)驗(yàn)中的齒數(shù)比為50:47，掃描軌跡如圖4（b）所示。

為進(jìn)一步減少背景噪聲，本文在打孔反射鏡到單光子探測(cè)器的光路上用吸光材料做了遮蔽處理。配合帶寬10 nm的窄帶濾光片，背景噪聲最終被控制在10 kHz以內(nèi)。

圖4 單光子成像點(diǎn)云圖

為演示1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)的成像效果，本文在實(shí)驗(yàn)室周圍選取了一個(gè)合適的場(chǎng)景。如圖4（a）所示，整體場(chǎng)景可分為3層：距離最近的兩輛汽車和兩顆行道樹、靠中間的灌木叢、以及最外層的辦公樓外墻。掃描范圍為一個(gè)頂角36°的圓錐，從系統(tǒng)到辦公樓外墻的距離約50 m，最大掃描半徑16 m。本文將連續(xù)掃描的軌跡平均劃分為若干個(gè)像素點(diǎn)，用TCSPC技術(shù)處理單個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的所有回波信號(hào)。在多個(gè)脈沖周期累計(jì)后，背景噪聲接近平均的分布在時(shí)間軸上，而與同步信號(hào)相關(guān)性強(qiáng)的目標(biāo)信號(hào)集中累積在一處，形成計(jì)數(shù)值遠(yuǎn)超噪聲的信號(hào)峰。設(shè)定一個(gè)比較閾值去噪后對(duì)該信號(hào)峰提取質(zhì)心對(duì)應(yīng)的時(shí)間T，即可求出該像素點(diǎn)的距離D＝cT/2。

盡管在白天使用1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)也能獲得目標(biāo)場(chǎng)景的距離信息，但過(guò)高的背景計(jì)數(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比過(guò)低、運(yùn)算處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以本章實(shí)驗(yàn)在夜間進(jìn)行。設(shè)置掃描時(shí)間250 s，電機(jī)轉(zhuǎn)速為0.2 r/s，雙楔形棱鏡分別轉(zhuǎn)動(dòng)50圈和47圈。每個(gè)像素點(diǎn)的累計(jì)時(shí)間為6.6 ms，掃描軌跡被劃分為約38000個(gè)像素點(diǎn)。掃描結(jié)果如圖4（c）、（d）所示。

圖中目標(biāo)場(chǎng)景的重建效果良好。距離約25 m的藍(lán)色點(diǎn)云中，靠上部分為兩顆行道樹，靠下部分為兩輛汽車，在圖4（d）中分別“A”框和“B”框標(biāo)出。第二層灌木叢距離約35 m，用淺藍(lán)灰色點(diǎn)云顯示，在圖4（d）中用“C”框標(biāo)出。最后的辦公樓外墻距離約50 m，用橙色點(diǎn)云顯示其3層結(jié)構(gòu)。汽車和樹木的總體輪廓清晰，而辦公樓外墻在細(xì)節(jié)上效果一般。這是因?yàn)槠嚭蜆淠镜谋砻娣瓷渎瘦^高，而辦公樓外側(cè)有大量低漫反射率的玻璃窗，導(dǎo)致回波光子數(shù)量有差異。同時(shí)在雙楔形棱鏡掃描軌跡劃分的像素點(diǎn)中，中心區(qū)域的像素點(diǎn)較為密集，而邊際區(qū)域的像素點(diǎn)分布稀疏，進(jìn)而造成了外墻部分成像模糊。

結(jié)論

本文搭建了一套基于SiSPAD的1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)，采用雙棱鏡作為掃描裝置。從SiSPAD探測(cè)效率標(biāo)定數(shù)據(jù)的分析和1064 nm / 1030 nm兩個(gè)波長(zhǎng)測(cè)距比較實(shí)驗(yàn)這兩個(gè)方面驗(yàn)證，說(shuō)明1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)能夠獲得67.8％左右的探測(cè)距離提升。另外，本文還演示了50 m范圍的近距離三維成像，證明了1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)的可行性。同時(shí)，目前已經(jīng)研發(fā)出高性能的1030 nm激光器貨架產(chǎn)品，解決了激光光源的問(wèn)題。相較于傳統(tǒng)的近紅外激光雷達(dá)，這種1030 nm單光子探測(cè)激光雷達(dá)在未來(lái)汽車自動(dòng)駕駛、地形測(cè)繪等方面有很大的應(yīng)用潛力。

審核編輯：劉清