高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验

高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验
王遨游;陶宇亮;李旭;王春辉;彭欢;吴光;王龙;张靖涛
【摘要】In order to verify the space borne three dimensional lidar imaging technology,a ground scaled model lidar prototype is designed based on high repetition rate photon counting technique,and it has the characteristics of sub-field,non-scanning and multi-channel.The system uses two high repetition frequency,micro-pulse lasers(repetition frequency 10 kHz,single pulse energy 60 μJ),and the multi-channel detection is achieved based on large spot multi-sub-array photon
detection.Besides,the time interval and time correlation statistics for single photon response time are measured by using FPGA based time coincidence count signal processing technology.Then the target distance can be obtained according to the target response time consistency and randomness of the noise response.In the field experiment,the distance of the buildings that is more than 10 km was measured,and the ranging accuracy is better than 0.3 m,detection probability is more than 99%,and the influences of different atmospheric visibilities on ranging are compared.The system validates the feasibility of multi-sub field of view of space born lidar and fiber optic focal plane receiving scheme,and proves the ranging accuracy and adaptability of lidar based on photon counting.%为了验证星载激光三维成像雷达技术,设计研制了一种基于高重频光子计数体制的分视场、无扫描的多通道激光雷达地面原理样机.系统采用两路高重频、微脉冲激光器输出,结合大光斑多元细分阵列光子探测方式实现多通道探测,并采取基于
FPGA的时间相关符合计数信号处理技术,对单光子响应时刻进行时间间隔测量和时间相关统计,根据目标响应发生时机一致性和噪声响应的随机性提取目标距离信息.在外场试验中对水平距离大于10 km的楼宇目标进行了有效地测量,单通道的距离测量精度优于0.3 m,探测概率超过99%,并对比不同大气能见度下对测距的影响.该系统验证了星载激光雷达大光斑多元细分、光纤拼接焦面接收方案的可能性,并验证光子计数体制激光雷达测距精度及适应性.
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2017(047)007
【总页数】5页(P803-807)
【关键词】激光雷达;单光子探测;光斑细分
【作者】王遨游;陶宇亮;李旭;王春辉;彭欢;吴光;王龙;张靖涛
【作者单位】北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;华东师范大学光谱学与波谱学国家教育部重点实验室,物理系,上海 200062;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094
【正文语种】中文
【中图分类】P228.5
传统星载光学测绘测量精度依赖于地面纹理特征,对于冰原、滩涂地区测量具有局限性,并且易受云的遮挡影响,在无控制点区域高程精度较低[1]。

与之相比,星载激光
雷达测绘系统具有几点优势；第一、星载激光雷达测量精度不依赖于地面纹理,可以很好地实现对滩涂、冰原等区域的测量；第二、可穿透薄云,实现全天时工作,提升大范围区域地理空间信息的快速获取能力；第三、可获取包括云层、植被层多层次的地面空间信息；第四、实现高精度的高程信息测量,并提升全球范围控制基准数据高精度获取能力[2]。

综上所述,激光测距雷达可在星载测绘领域发挥不可替代的作用。

现阶段星载激光测绘、测距系统一般是依赖于脉冲式、直接探测结合飞行时间法测量,该系统通过发出激光脉冲、测量激光同步信号或参考信号与目标表面散射回波信号时间差来间接测定目标的距离。

R=c×t/2
传统的激光测距仪采用大能量低重频激光信号和线性探测工作模式。

该模式所需能量孔径积较大。

由于这种模式需要高能量脉冲,限制了激光器的发射重频,也很难实现很多波束、高密度的发射,而且线性探测要求有较高的阈噪比,回波光子的利用率非常低。

所以不适合多波束高采样密度的三维成像要求。

本文提出的星载高重频光子探测激光雷达将探测灵敏度提升至极限,激光回波能量只需在光子量级,避免了回波光子的浪费,降低了系统能量孔径积的要求。

同时,微脉冲的发射系统减小了对激光器本身和光学系统造成损坏[3],同时为实现多波束、高重频发射创造了条件,大大提高了卫星沿轨和穿轨方向的采样率。

该模式使得星载激光三维成像成为了可能。

本文设计搭建了一种视场分割、非扫描式、微脉冲、多通道星载激光雷达地面原理样机,系统采用高重频光子计数体制,结合时间相关符合计数技术,对多次单光子回波信号提取采集,实现了微脉冲多回波信号的探测,并在外场试验中对激光雷达测距能力进行了验证。

2.1 光子计数体制探测原理
基于光子计数体制激光雷达利用盖革模式APD单光子探测器实现了直接脉冲探测的方法,并利用时间相关符合计数(即多脉冲累计)的方法,提取微弱的有效信号,实现测距。

当激光雷达发射激光脉冲照射到郎伯目标时,单光子探测器能够对光子能量量级的回波信号进行响应。

激光脉冲将落在距离选通门某个子区间内,单光子探测模块接收激光脉冲并产生初始信号光电子数和初始噪声光电子数,初始噪声光电子数包括背景噪声和探测器的热噪声,平均分布在距离门内,光子探测模块在距离门内输出多个电平信号[4]。

利用目标距离信息的相关性和噪声信号的非相关性,通过相关累积算法,在背景噪声和暗计数中将真实的距离数据提取出来,提高探测概率和测距精度。

光子计数体制激光脉冲测距过程示意图如图1所示。

2.2 基于光子计数体制激光雷达原理样机方案设计
设计搭建基于视场分割大光斑细分实现了多通道回波信号的检测,该激光雷达样机主要发射机、接收机、管理控制组件和整机配套设备构成。

组成如图2所示。

系统管理控制组件用于激光雷达用于发射、接收等个单机的工作状态控制、时统管理、任务调度、供配电管理及状态巡检,完成与地检台的双向通讯。

发射机由两个通道组成,每通道为60 uJ、10 kHz重频激光器,波段为1064 nm,脉宽1 ns；每个发射通道发散角为0.5 mrad,两个发射通道之间的夹角为4 mrad,两台发射机独立工作,激光器的出射脉冲经各自发射镜头扩束准直后,照射到目标；在每台发射机出光口处设计主波检测电路,对发射机出射的激光经45°全透镜的残余反射进行检测,生成相应通道的主波光电脉冲,用作单光子数据处理的起始信号。

基于大光斑细分的单光子探测方案如图3所示。

接收光学系统利用光纤拼焦面实现对回波光斑的多元细分,最终实现8通道的单光子信号探测及处理。

接收机主要由接收镜头、平行光路组件和APD单光子探测器接收及信道处理通道构成,接收镜头主要由遮光罩、主镜组件、次镜组件、光阑和校正透镜组构成,完成对激光回波
信号的收集并进行像差校正；平行光路组件主要由透镜组件、窄带滤光片组成,用于形成平行光路并对接收镜头接收的激光回波进行光谱滤波,降低背景噪声光子触发单光子探测器的事件响应；每个接收通道主要由2×2 四元面阵单光子探测模块和4路完全相同的单光子信号处理电路组成。

四元阵列单光子探测模块通过共孔径多波束视场分割技术对应完成四个探测通道的回波光信号收集探测；每个四元单光子探测模块均由高压电路、猝灭电路和阈值鉴别电路组成,该模块每个面元对单个回波光子事件进行响应[5]；光子事件响应脉冲送入后续的信号处理电路,对应四元面阵中的一个像素的工作状态。

信号处理电路是基于FPGA最小系统搭建的,该电路通过三线通讯实现与管理控制组件双向数据交换,接收管理控制组件指令、同步信号、门控信息,并向其发送获得的距离和遥测信息等。

单光子响应脉冲以LVDS差分信号送入FPGA接口电路,通过信号分配电路,完成多回波信号的分解；单脉冲信号通过正交移相位法实现高精度时间间隔测量(TDC)[6]；通过累计多次单光子响应脉冲信息,应用时间相关测量技术得到回波光子分布,并用波形恢复算法获得回波直方图分布信息,并由回波分布信息获得波形质心位置,进而得到目标距离信息。

同时通过一路距离预判通道实时获得目标距离该处理方法利用回波信号中的能量(单光子级别)目标距离信息的相关性,在背景噪声和暗计数中将真实的距离数据提取出来,提高整机探测概率[7]。

3.1 激光雷达原理样机研制指标参数
原理样机参数如表1所示。

3.2 外场测试方案及结果分析
利用上述原理样机对,进行了外场测距试验。

试验地点位于科研楼顶楼,搭建的外场试验装置包括激光雷达样机、地检设备、变孔径光阑、俯仰台和方位角转台；待测目标为北京中关村一带的目标楼房。

设备搭建如图4所示。

外场试验于2015年12月15日开展测试,测试时间为15点,记录当时的大气能见
度、湿度、环境温度。

在该天气环境下,利用变孔径光阑将有效口径设为65 mm,有效信号测距景深为750 m,单光子信号相关累计次数为14次,得到的单光子信号提取及测量的探测概率优于99%。

,激光雷达8通道测量结果如表2所示,此时测距精度优于0.2 m。

测量数据点散图如图5所示。

由上述数据可以得出,在良好能见度环境下,基于无扫描多通道视场分割的激光雷达体制可以实现单光子信号的探测和单光子信号事件相应及相关处理的探测。

同样,地面检测设备对单光子回波信号事件的原始数据进行采集,发现对于不同时间下的单光子响应事件概率随外界环境的变化而变化。

所以从不同大气能见度进行了对比测量和分析。

分别对2015年12月15日、19日和20日15:00整同一时刻进行测量。

12月15日当天空气指数为优,大气能见度30 km；19日和20日大气细颗粒指数爆表,雾霾橙色预警,特别是在12月20日,大气能见度小于2 km。

分别在三天不同大气能见度条件下,利用地面原理样机(接收镜头朝向为南)在15:00对目标建筑进行测距,测试结果条件及测试结果如表3所示。

此时,测距精度和探测概率和大气能见度有关:
1) 当能见度极差时(能见度低于2 km),对10 km外目标进行探测,此时探测概率低于5%,测精度5 m；
2) 当较差能见度时(能见度低于5 km),对同样的目标进行探测,此时探测概率低于70%,测精度1.5 m；
3) 当能见度优异时(能见度优于30 km),正常工作作用距离10 km,探测概率大于99%,精度优于0.3 m。

基于高重频光子计数体制的多通道激光雷达能够实现大于10 km测程和优于0.3 m的测距精度,满足设计指标要求。

从测试结果分析:①基于光子计体制激光雷达受背景光影响较大,但通过选取适宜的窄带滤光片、发射机的线宽和距离门,可以在白
天完成回波信号的提取,实现光子计数体制测距；②该原理样机技术方案,验证了大光斑细分可行性,研制过程中务必做好杂光抑制,有效降低串扰,为了克服多通道不一致性带来的影响,需要在实验室内做探测信道的指标标定；③不同大气条件(大气透过率)、太阳与激光雷达的方位角,会对光子测距能力、探测概率、测量精度等产生严重的影响。

基于光子计数体制的激光雷达是未来激光测距、激光成像的重要测量手段。

通过该原理样机的研制和试验分析,验证了基于光子计数体制星载非扫描大光斑细分多波束激光雷达的技术方案,为后续发展奠定了技术基础。

【相关文献】
[1] LIU Jiyu.Applications of laser in observing the earth from the sky[J].Engineering of Surveying and Mapping,2001,10(2):15-19.(in Chinese) 刘基余.激光在天空对地观测中的应用[J].测绘工程,2001,10(2):15-19.
[2] WU Nan,SUN Shijun,LI Xu.Space-borne laser full-waveform ranging
technology[J].Spacecraft Recovery & Remote Sensing,2014,3:69-75.(in Chinese) 吴南,孙世君,李旭.星载激光测距仪全波形测距技术[J].航天返回与遥感,2014,3:69-75.
[3] YAN Fanjiang.Analysis and prospects of laser technology of space-borne range measurement system[J].Spacecraft Recovery & Remote Sensing,2012,33(4):70-76.(in Chinese) 颜凡江.星载激光测距系统中激光器技术分析及发展展望[J].航天返回与遥
感,2012,33(4):70-76.
[4] GAO Jiali,WANG Ke,CAO Qiuling.Design and realization of the single-photon detector based on InGaAs/InP APD[J].Optoelectronic Technology,2015,35(2):132-134.(in Chinese) 高家利,汪科,曹秋玲.基于InGaAs/InP APD的单光子探测器设计与实现[J].光电子技
术,2015,35(2):132-134.
[5] ZHU Lei,HUANG Genghua,OUYANG Junhua,et al.Studyon time interval measurement system in photon counting imaging lidar[J].Journal of Infrared and Millimeter
Waves,2008,27(6):461-464.(in Chinese) 朱磊,黄庚华,欧阳俊华,等.光子计数成像激光雷达时间间隔测量系统研究[J].红外与毫米波学报,2008,27(6):461-464.
[6] John S Massa,G S Buller.Time-of-flight optical ranging system based
onTCSPC[J].Applied Optics,1998,37(31):7298-7304.
[7] C Fav.A 17ps time-to-digital converter implemented in 65 nm FPGA technology[C].FPGA’09,2009:113-120.。