一、概述

單光子激光雷達(dá)具有極高的探測靈敏度，但也極易受到背景噪聲光子的干擾，這在很大程度上降低了其白天的探測性能，限制了其適用范圍。本文對全天時單光子激光雷達(dá)探測性能進(jìn)行了分析，提出了一種新型的激光雷達(dá)背景噪聲抑制技術(shù)，能夠極大的提升單光子激光雷達(dá)在白天的探測性能。同時，本文還提出了一種普適性的ROI評價指數(shù)，能夠極為直觀的對各種激光雷達(dá)系統(tǒng)探測性能進(jìn)行評價。

二、研究背景和意義

激光雷達(dá)作為一種高精度，高時間分辨率的主動探測技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于遙感、空間目標(biāo)探測、高分辨率三維成像等諸多領(lǐng)域。而單光子激光雷達(dá)（又稱光子計數(shù)激光雷達(dá)）以時間相關(guān)單光子計數(shù)（Time-Correlated Single-PhotonCounting, TCSPC）機(jī)制，結(jié)合具有單光子級靈敏度的探測器件，能夠?qū)O微弱的回波信號進(jìn)行探測，從而獲得更遠(yuǎn)的探測距離，成為了激光雷達(dá)探測技術(shù)的前沿和發(fā)展趨勢。然而，受限于探測器的死時間效應(yīng)及其本身的概率檢測機(jī)制，單光子探測極易受到噪聲光子的干擾，尤其是白天工作時，除了信號回波外，由太陽輻射引起的散射的光子，不可避免的進(jìn)入系統(tǒng)的接收視場內(nèi)，成為背景噪聲，進(jìn)而使其探測性能急劇下降。因此，對全天時單光子探測性能進(jìn)行分析，提高其白天探測能力對于拓展單光子探測技術(shù)的適用范圍具有十分迫切的需求和極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

另外，為了能夠更為直觀的對同等系統(tǒng)資源需求下激光雷達(dá)探測性能進(jìn)行評價，本文還提出了一種普適性的評價模型，即激光雷達(dá)系統(tǒng)的“投資回報率”ROI指數(shù)(Return On Investment)。該指數(shù)將激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，以此來評價一個激光雷達(dá)系統(tǒng)探測是否更為“經(jīng)濟(jì)”，能夠極為直觀的對激光雷達(dá)探測性能進(jìn)行評估。

三、全天時單光子激光雷達(dá)探測

背景光噪聲抑制技術(shù)是提升激光雷達(dá)全天時工作能力的關(guān)鍵，為了實(shí)現(xiàn)更好的光譜濾波，我們采用反射式布拉格光柵作為核心濾波器件，搭建了一個超窄帶光譜濾波系統(tǒng)(Ultra-narrowband Spectral Filtering System，UNSFS)，該系統(tǒng)的濾波帶寬約為50pm，透過率約為85%，中心波長 1029nm。同時，采用波長為 1029nm的 Yb:YAG 窄線寬脈沖激光器作為激光雷達(dá)光源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光重復(fù)頻率為1.6kHz，單脈沖能量為20μJ，發(fā)射束直徑為1mm。光學(xué)接收孔徑為25mm，接收視場為1.3mrad。透鏡收集的光線通過針孔后進(jìn)入UNSFS，濾波后透射光線耦合到芯徑為100μm的多模光纖中，然后進(jìn)入單光子探測器。激光的發(fā)射和接收光束由帶有中心孔的反射鏡進(jìn)行空間合束，在中心孔旁邊放置PIN探測器，作為發(fā)射脈沖同步信號源。

圖1單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

完成雷達(dá)系統(tǒng)搭建后，我們首先進(jìn)行了單點(diǎn)測距實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)選擇為實(shí)驗(yàn)室所能觀測到最遠(yuǎn)的目標(biāo)，成都市東側(cè)的龍泉山脈，從地圖上得知該山脈距離實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的直線距離約為25km。實(shí)驗(yàn)時天氣晴朗，能見度約22km。從上午10點(diǎn)到晚上10點(diǎn)，每小時進(jìn)行一次探測，探測積累時間為1s（1600次），時間門寬度為16ns，結(jié)果見圖2。

圖2單點(diǎn)測距實(shí)驗(yàn)結(jié)果（a 為下午3點(diǎn)激光雷達(dá)回波光子計數(shù)距離直方圖；b 為全天背景噪聲計數(shù)率統(tǒng)計）

由圖可見，在強(qiáng)烈背景光條件下，激光雷達(dá)系統(tǒng)也擁有非常高的信噪比，全天最大的背景噪聲計數(shù)率僅為119kHz，遠(yuǎn)低于其他的光子計數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)（一般為幾兆Hz量級或者更多），系統(tǒng)擁有良好的日間工作能力。我們還進(jìn)行了對城市區(qū)域的快速掃描三維成像實(shí)驗(yàn)，掃描的目標(biāo)我們選擇了成都市的地標(biāo)建筑，成都金融城雙子塔，該建筑有著較為明顯的幾何特征。實(shí)驗(yàn)時間選擇在下午四點(diǎn)陽光強(qiáng)烈的時刻，當(dāng)天能見度約為10km，整個掃描視場為1°×1°,掃描的圖像分辨率為100×141。得益于本系統(tǒng)優(yōu)異的背景噪聲抑制能力，使得整個探測掃描的時間大為縮短，這對于遠(yuǎn)距離三維成像來說至關(guān)重要。整個掃描時間為85s，單點(diǎn)累加時間約為6ms。掃描結(jié)果如圖3所示。

圖3快速掃描三維成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖中（a）為在實(shí)驗(yàn)室由光學(xué)相機(jī)拍攝得到的目標(biāo)照片，紅色線框?yàn)榧す饫走_(dá)掃描區(qū)域；（b）為掃描全景三維點(diǎn)云圖像；（c）為單個像素在 6ms 累加時間下的光子計數(shù)直方圖；（d）為7.1-7.7km 遠(yuǎn)景三維點(diǎn)云圖；（e）為3.5-4.2km 近景三維點(diǎn)云圖；（f）和（g）分別為近景和遠(yuǎn)景區(qū)域頂視圖。從結(jié)果中可以看出，整個點(diǎn)云圖分布在3.5-7.7km 范圍，能夠非常精細(xì)的展示出雙子塔的表面輪廓（細(xì)節(jié)處有穿透成像），同時前方建筑群的細(xì)節(jié)也能夠得到有效的展現(xiàn)。這證明了該系統(tǒng)能夠出色完成日間強(qiáng)烈背景光條件下的快速三維成像。

四、激光雷達(dá)系統(tǒng)評價

對于激光雷達(dá)系統(tǒng)來說，增加接收光學(xué)孔徑和發(fā)射激光功率總是可以獲得更遠(yuǎn)的探測距離，但這不可避免地會帶來對系統(tǒng)資源的更多需求，給雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用帶來困難。這里我們引入經(jīng)濟(jì)學(xué)的概念。體積、重量、功耗等系統(tǒng)資源對于一臺激光雷達(dá)來說，可以認(rèn)為是各種“投資”，而“回報”就是最大探測距離。在經(jīng)濟(jì)學(xué)上，人們追求更高的投資回報率(Return On Investment，ROI)，對于激光雷達(dá)系統(tǒng)，同樣也應(yīng)如此。由此，我們可以通過在單位接收面積、單位發(fā)射功率和單位探測時間下的系統(tǒng)最大探測距離平方來得到激光雷達(dá)的 ROI 指數(shù)，以如下形式給出：

式中Z是激光雷達(dá)的最大探測距離，AR是系統(tǒng)有效光學(xué)接收面積，P是激光發(fā)射的平均功率，T是單像素的探測累積時間（對于N×M面陣探測激光雷達(dá)，其單像素探測時間為T/(N×M)），ET是激光單脈沖能量，N為每個像素的脈沖累積次數(shù)（對于線性探測激光雷達(dá)，N=1）該指數(shù)可以認(rèn)為是激光雷達(dá)系統(tǒng)的“投資回報率”。顯然，ROI指數(shù)越高，激光雷達(dá)的探測效率就越高，或者說激光雷達(dá)探測更為“經(jīng)濟(jì)”。上文提出的新型單光子激光雷達(dá)的 ROI指數(shù)為6.03E14，是一個相當(dāng)高的分?jǐn)?shù)。

五、結(jié)論

對于全天時工作的單光子激光雷達(dá)，條件允許時，超導(dǎo)納米線單光子探測器會有較大優(yōu)勢，除此之外，綜合考慮目前的器件水平以及日光輻射、大氣散射等影響，采用1μm波段作為探測波長和硅基的單光子探測器，會帶來更好的探測性能。

本文采用一種新型的超窄帶光譜濾波技術(shù)搭建了一套新型的全天時單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)。利用該激光雷達(dá)在城市復(fù)雜大氣環(huán)境中完成了24.35km的測距與全天時噪聲水平的測試實(shí)驗(yàn)。隨后完成了 3.2-7.7km的高動態(tài)快速三維掃描成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠在強(qiáng)烈背景光條件下出色的完成探測任務(wù)，能夠極大的提升單光子激光雷達(dá)的全天時探測能力，為白天工作的激光雷達(dá)提供了一種新的實(shí)用解決方案。

此外，為了對實(shí)際激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評價，類比經(jīng)濟(jì)學(xué)中的“投資回報率”概念，本文提出了一種激光雷達(dá)評價模型，即ROI指數(shù)，該指數(shù)能夠十分直觀的對各種激光雷達(dá)系統(tǒng)探測性能進(jìn)行評價，可作為一種通用的激光雷達(dá)性能評價標(biāo)準(zhǔn)。本文提出的新型單光子激光雷達(dá)的ROI指數(shù)為6.03E14，是一個相當(dāng)高的分?jǐn)?shù)。

作者簡介

第一作者：劉博，研究員，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院“百人計劃”A 類海外引進(jìn)人才，四川省“千人計劃”特聘專家，中國科學(xué)院空間光電精密測量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中國科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院教學(xué)委員會委員、主講教授。主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)探測與通信，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)并完成多項(xiàng)國家重大科研項(xiàng)目，在激光探測研究領(lǐng)域取得多項(xiàng)顯示度成果。

審核編輯：郭婷