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使用盖革模式的雪崩光电二极管来提高直接探测三维成像激光雷达系统的性能的技术

摘要

使用盖革模式的雪崩光电二极管来直接探测三维成像激光雷达系统，其研究目的在于获取远距离（超过100米）物体的三维图像。

因为盖革模式的雪崩光电二极管（后文简写为GAPD）精度极高，使用GAPD的激光雷达系统不仅在扩展远距离目标范围上有优势，在探测被障碍物挡住的目标方面也很厉害。

使用单像素GAPD的激光雷达系统和18倍像素GAPD焦平面阵列探测器都对被动地进行了建立和对比，Q-交换芯片激光器作为激光源和一个紧凑的外围组件互连系统被建立起来,这个系统包括实践数字转换器（TDC）。

随着GAPD有短空时（45ns）和TDC功能,系统在多命中模式下运营。

通过激光雷达系统做的三维图像显现出来，展示了激光脉冲有效数字的单精度和精度的依赖性。

提出了步行范围减少和自动对焦技术，并用于演示实验；他们分别提高激光雷达系统的准确性和横向空间分辨率。

关键词：

三维成像激光雷达，GAPD模式的雪崩光电二极管

1、引言

三维成像激光雷达系统最近已成为一种很重要的工具，用于远距离测量和三维图成像。

有很多方法可以用激光来测量距离（干涉法、飞行时间（TOF）和三角测量方法）。

为了获得一个更高的测距功能,直接-探测激光雷达系统,测量激光脉冲雪崩光电二极管作为检测器的飞行时间（TOFs），这种情况不仅已用于研究还用于商业化。

几个研究小组使用了一个盖革模式雪崩光电二级管（GAPD）或GAPD焦平面阵列（FPA）作为探测器的激光雷达系统,因为它具有极高的灵敏度。

在超过击穿电压的基础上被反偏置。

APD可以用盖革模式进行操作。

这个模式主要由电子吸收一个光子发起一个自我维持的雪崩的过程而生成。

雪崩过程构成一个带有锋利前沿的电流激增,它允许一个快速解决时间。

然而,GAPD作为激光雷达探测器也有一些负面的影响。

首先,由热噪声的耗尽区生成的暗计数会导致测距过程中虚警。

其次,GAPD会经历一个死区时间，在这个死区时间里，GAPD在光子被检测后便不再工作。

换句话说,GAPD在检测到信号并创建当前的激增之后，需要一些时间重置系统,,这是宣布光子到来的信号。

死区时间通常从10ns到1μs，这取决于材料和淬火电路是如何使用和设计的。

除了截止信号生成后在死区时间内产生的截止信号，为了每一个激光脉冲发射而假设一个激光脉冲重复率达到几十千赫兹,及多个截止信号,,可以由光子散射从目标、太阳能噪音,或暗计数在门的时间里生成。

在死区时间短的情况下（多命中模式）,大多数截止信号测量在门口时,只有第一个截止信号可以在生成的情况下死时间相对较长（单命中模式）。

换句话说单击系统操作模式,意味着只有第一个激光回射信号当激光被丢弃后还能被检测。

而在多击模式，多个激光的返回信号被检测到，除了在GAPD的死区时间内的信号。

具有短的死区时间和GAPD的TDC功能多站的组合收购使该系统在多打模式下运行

使用GAPD激光雷达系统的理论模型也已建立了与泊松统计和证明实验。

它提供了系统的性能的预测和一些技术来提高系统的性能。

在第2节，使用单个像素GAPD可以在任何单一或多重打击经营开发的激光雷达系统模式下进行说明。

该系统的测量性能（精密度和准确度）被展示出。

噪声图像和场景的三维图像也被展示出。

在第3节，在我们的实验室中，使用GAPDFPA的激光雷达系统建立描述并通过实验证实该系统引入的自动聚焦技术。

第4节是总结。

2、三维成像激光雷达使用的是单像素GAPD

2.1系统描述

一个二极管泵浦被动Q开关与二次谐波生成微片激光器被用作光源，包括光源的光学系统如图1所示。

通过使用一个短块Nd构成了激光：

YAG激光（增益介质）扩散接合到一块类似的Cr4+：

YAG（饱和吸收体）。

泵侧面是808nm的涂覆传输泵浦光和1064nm的反射激光。

输出光束的高强度允许其频率增加一倍当一小片KTP被放置在靠近它的输出面。

在900ps的半最值（FWHM）处有全带宽的波长为532纳米的激光，6mrad的光束发散，以及9μJ能量的全带宽脉冲由一个取决于泵浦光的光功率，在2到20千赫之间变化重复频率激发，因为发射激光是被动地由Q开关控制。

图1使用一个单像素GAPD的激光雷达系统的光学系统

由于激光的单一极化特性，半波片（HWPS）位于所述偏振前分束器（PBS）之前，以控制这两个在PBS的传输和激光脉冲之间的反射。

开始信号不能由激光本身产生，因为激光是由被动Q开关控制。

因此，激光脉冲的S-偏振在PBS1被反射到快速光电二极管（PD），以便产生电启动信号，并且启动信号启动贸发局。

用于起动信号的快速PD为14ns的上升/下降时间和硅检测器的0.35nA的暗电流。

PBS1之后，激光脉冲的能量是由HWP2控制。

所传输的激光脉冲通过一个二轴检流计扫描器被引导到目标上的瞄准点，然后被分散。

两轴扫描扫描器，通过10mm的孔径反射镜来控制该波束指向。

两个反光镜被控制着旋转±1°，使得激光雷达系统的方面域（FOR）是为4°×4°。

散射激光脉冲和连续背景光在系统的视场被收集到GAPD，这是通过2轴扫描仪，四分之一波片（QWP），PBS2，光学带通滤波器（OBF），和具有5厘米-焦距的聚焦透镜实现的。

由于系统光源的缘故，二极管泵浦被动Q开关控制的微芯片激光器的光源（具有窄的光谱线宽和温度稳定性），一个集中在532nm的波长的OBF（具有一个10nm且具有65.91％的最大传输特性的带宽（FWHM））,都被用于光谱滤波.

GAPD具有40ps的的定时分辨率（FWHM），3％的后脉冲概率，10ns的输出脉冲宽度，一个45ns的死区时间，35％的在500nm波长的光子探测概率和低于1Hz的暗计数率。

考虑到GAPD的有效面积为20μmx20μm和聚焦透镜的焦距，激光雷达系统的对视场角为0.023°。

45ns的相对短的死区时间是使激光雷达系统在多击模式下运行的因素之一。

低的暗计数率提高了激光雷达的目标检测概率制度。

在FOV的光学系统连续中，由来自于目标和大气的散射太阳光构成了连续背景光。

这种背景光及GAPD的暗计数扰乱激光脉冲的检测并引起虚警。

为了得到高的SNR，覆盖GAPD的盒子目的在于阻止背景光子和所有的镜子，是用电介质涂层做的，可以减少穿过OBF的背景光子。

GAPD同时接收从目标散射而来的激光脉冲，以及噪声，并产生一个停止电信号。

电荷耦合器件（CCD）照相机具有结构紧凑的固定焦距镜头，它的焦距是75毫米，用作安装在该激光雷达系统的瞄准光轴的相机，以拍摄目标。

CCD摄象机的视场是5°X3.5°，使得作比较用的激光雷达系统符合CCD摄像机视场。

有一个50ps的定时分辨率和10ms的距离门的上止点（TDC），同时接收电启动和停止信号并测量它们之间的时间间隔。

这个TDC是一个紧凑的外围组件互连（cPCI的）模块，可在单一或多重打击模式下测量TOF值。

一个cPCI的系统，包括TDC，一个中央处理单元（CPU）板，配备有2.2GHz的双核处理器，和一个任意波形发生器，用于控制2轴电流计扫描器建立并用于数据采集和信号处理。

为了将由系统获得的TOF数据转换成静音立体输出，算法执行一系列的功能性步骤。

接收激光脉冲后，该系统提供了一个二维的深度图像，包含进行软件处理的角对角度范围数据和三维图像可视化的数据。

首先，TOF数据被转换成直角的位置。

这里，有可能通过扫描角度和每个像素的距离信息而获得XYZ点的直角坐标。

使用XYZ点，图像的可视化可以有两种方式执行，即点云方案和体素计划。

在点云方案中，每个被接收数据的XYZ坐标被简单地绘制在三维笛卡尔坐标。

由于我们处理大量TOF数据，包括对象和噪声的信息的量，它往往是从点簇的场面难以分辨的对象。

另一方面，在体素方案中，XYZ点分配到体素中，即感兴趣的特定体积内。

通过绘制立方体的每一个XYZ点，三维空间景像变得更几何且提供比用点簇成像更好的三维图像视图。

然而，绘制立方体于感兴趣的特定体积内的体素计划，，相比于简单的点绘制，在三维坐标中会造成时间延迟。

对于进一步处理图像，获得一个无声的场景，我们的软件从连续到离散转换坐标，它使三维信息被存储在带有距离信息的表中，它提供了一个具有直接连系的三维信息整数指数，表示该表中的元素的位置。

在一定数目的激光脉冲被发送和接收之后，在3维空间通过展示所有非空的体素而形成单一的立体图像。

为了轻松呈现距离信息，我们想到用一种颜色涂法，就是使用HSV（色调，饱和度和值）颜色坐标，它能呈现依赖于现场距离变化而产生的颜色变化。

颜色范围从红色到紫罗兰色是用来表明，从最小的范围内的三维图像的场景到最大范围的三维图像的场景。

最后，在阈值处理阶段，三维图像是由修剪清理，它包含少量计数，其中很有可能对噪声做出了响应。

通过设置一定的阈值（/计数体积），我们可以得到一个无噪声的三维激光雷达图像，提供清晰目标的信息。

2.2性能（精密度和准确度）

精度误差是由多个来源引起的。

首先，在激光脉冲宽度范围内的光子检测定时是其中一个来源。

换句话说，激光脉冲宽度的范围内的每个点的检测是可能的。

这个事实也涉及到了系统的准确性。

第二，在GAPD中光电子需要一个有限​​的时间漂移​​，从最初它产生的地方到雪崩开始处的高场层。

第三，在时间上的统计变化是关于在GAPD中雪崩电流增长到它的电阻值限制。

第四，由于GAPD电阻的热噪声导致定时抖动。

此外，TDC和启动信号的定时抖动可在测量激光脉冲的飞行时间中造成精度误差。

在本文中，单次精度误差定义为大量的激光脉冲的标准偏差而N个激光脉冲的精度误差被定义为几个有代表性范围的标准偏差（σ），这个范围由N激光脉冲得来。

为获得单次精度误差和N个激光脉冲的精度误差，执行了下面描述的实验。

为指定N个激光脉冲的精度误差，非协作靶位于约11米的距离，并阻碍了激光雷达系统的FOV。

所发射的激光脉冲的能量通过旋转HWP2和插入中性密度滤光片来控制。

它的能量是通过激光脉冲的重复率测光功率来测量的。

数以百计的代表N个激光脉冲的范围在每个能量情况下被测量（用N=10,000，1,000，100，10和1），其精度误差（σ）示于图2中。

结果表明，该精度误差既取决于激光返回脉冲的能量又取决于激光脉冲的有效数，其中，有效数是激光脉冲在目标箱中的总计数。

考虑到每个能量或目标探测概率的情况，当激光脉冲数习惯增加时，精度误差降低，而且几乎遵循的精度误差规律是激光脉冲的提高可以有1/N的因素，当与单次测量结果相比。

有趣的事是高能量的激光脉冲趋向于具有小单次精度，这表示激光的能量脉冲足够高，足以使GAPD来让激光脉冲的前尾巴被触发。

其中之一的原因是，在高能量的激光脉冲的情况下，大多数检测的激光脉冲发生在峰值周围。

另一个原因是该检测概率高，从而使激光的有效脉冲数增加。

在240nJ-和130nJ-的情况下，有效数字激光脉冲的大致是70和147，分别为1cm的精度误差。

根据图2的结果，我们可以大致指定N个激光脉冲的精确度误差（σ），这N个脉冲作为带有超过150个有效的激光脉冲和单次精度误差（σ）的1厘米是小于10cm。

精度误差

脉冲激光数量

图2精度误差与激光脉冲数量的对应关系

（EP是所发射的激光脉冲的能量；PD是目标检测概率）

精度包括该装置的非线性，长时间的漂移，而步行范围误差。

步行范围误差与测量距离变化有关。

因为波形和激光能量函数由目标反应。

忽略了波形的变化，从目标反射来的激光脉冲的能量在很宽的范围内变化，作为目标距离和反射率的函数。

由步行范围误差造成的精度误差在本文中得到考虑，因为不像线性模式APD，在GAPD中没有非线性，在实际使用中，远距离测量所花实践不超过1秒。

从图2的实验结果知，由100,000激光脉冲得来的代表范围，也表示在图3中，结果表明，当所发射的激光脉冲的能量在90nJ和690nJ之间变化时，该系统的准确度被指定为12厘米。

这可以通过一种技术，降低步行范围误差并且结果得到改善。

应用本技术表明，该系统的准确度可由12厘米改善到4厘米。

范围

发射激光脉冲能量

图3步行范围与发射激光脉冲能量的对应关系

【质心的测量范围（黑色）；校正质心范围（红色）】

2.3噪声和场景的三维图像

图4显示出了中午该场景的二维强度图像和由成像激光雷达系统获取其噪声三维图像。

如图4-（a）中，场景是由在屋顶的建筑物（135米距离）和天线接收器（375米距离）组成。

噪音是由光栅扫描该场景来测量，采用了32ⅹ32像素并带有阻塞发射的激光脉冲在图1中的PBS1之后，在单次击中模式测定40000对每个像素。

它表明，噪音的测量速率，Npe场景，是在80kHz和1MHz之间;天空中会产生比建筑物的屋顶更多的噪音光子。

三维图像在多击模式下获取，该模式是512×512像素的扫描配置，在每一行上收集20页头和一个FOR，视线为44×oo。

图5显示出在场景中的对象的三维图像。

图5-（a）和（b）显示出的三维图像在建筑的屋顶上的130米距离的前端和顶部视图;它们代表了体素的方法，其中一个体素大小为18公分×18公分×18公分。

它表明，当这很难在一个二维强度图像中进行测量时，如图4​​-（a）所示，建筑物的屋顶的倾斜角可以在图5中测量。

而图5-（c）和（d）显示出了前面，和在一个375米距离的顶视图，所述三维图像分别由接收机天线组成;它们代表了体素的方法，其中一个体素大小为30公分×30公分×30公分。

由于天空中的高Npe值，所以难以通过阈值处理其余的接收机天线的三维图像。

图4（a）两维强度图像（b）噪声图像

图5阈值后的三维图像

建筑屋顶的前视图（b）建筑屋顶的俯视图（c）接收天线的前视图（d）接收天线的俯视图

3、使用GAPDFPA的激光雷达的三维成像

3.1系统描述

图6显示了使用GAPDFPA三维成像激光雷达。

二极管泵浦被动调Q开关与二次谐波生成的微片激光器被用作光源。

532纳米波长的激光脉冲，尽显半最值宽度900ps，而1μJ的能量是在重复频率2到20kHz之间变化时发射，重复频率取决于泵浦光的光功率。

激光束由透镜L1和L2准直。

由于单偏振激光，HWPSPBS前定位，以控制激光的两个透射和在PBS的反射脉冲。

S-偏振的激光脉冲被反射至在PBS1的PD，产生电启动信号，而这些信号开始启动TDC。

PBS1之后，激光脉冲的能量是由HWP2控制。

该激光脉冲的直径是1毫米，那么，由光束扩展器扩展（BE）和针孔（PH）的控制直径技术来进行自动对焦小直径的激光脉冲。

所发射的激光脉冲被引导到不合作朗伯靶为矩形形状位于离试验装置和movablealongx轴，垂直于光轴的方向和平行于光轴的表中，在电动平移台15米处。

在该系统的视场角的散射光被收集到平行于光学平台上的GAPDFPA通过QWP，PBS2，OBF和商业单镜头反光（SLR）的镜头，其中带有5.6F-数的有效焦距为200mm，反过来。

该GmAPD中1ⅹ8像素的FPA，有40PS的定时分辨率和平均暗计数率，相比于八通道3.5kHz;每个像素具有40μmⅹ40μm的有源区。

这两个TDC是以具有每六个通道TDCs和50ps的定时分辨率，接收来自GAPD的八个像素电器停止信号。

图6实验装置的自动对焦技术的可行性试验

L：

镜头;HWP：

半波片;PBS：

偏振分光分路器;BE：

扩束器;PH：

针孔;QWP：

四分之一波片;OBF：

光带通滤波器;帕金森病，光电二极管;GmAPD-FPA：

盖革模式雪崩光电二极管焦平面阵列

3.2自动对焦技术

所提出的技术是通过激光脉冲照射该小直径的目标，并完成在GAPDFPA的光子成像分布的测量。

而在GAPDFPA上成像的空间光子分布的宽度将会在失焦的情况下变大，会在聚焦的情况下被最小化。

尽管具有极高的灵敏度，GAPD失去了激光回波脉冲能量的信息，以至于它是不可能测量在GAPDFPA用激光脉冲成像的光子的分布。

与多个激光脉冲，TCSPC被执行，目标检测概率，DP被获得，通过将目标由激光脉冲的总数在TOF直方图区间积累。

对一个粗略的目标，该目标检测概率的情况下遵循泊松噪声负二项式信号;它接近泊松检测概率时，接收到的光子比散斑多样性要少得多。

泊松检测概率，用激光返回脉冲产生的初始电子总数目，PEtot秒，由下式给出

Qη为量子效率，h是普朗克常数，ν是光的频率，returnE是能量激光返回脉冲照射到GAPD，PEN是噪声的速率函数的预期值，τ是时间偏置探测器进入盖革模式和激光之间的光子的到来。

特定PEÑτ，PEtot秒-严格增加1对1功能DP。

因此，在GAPDFPA的空间分布的光子可以通过以下方式估计，测量目标检测概率的GAPD焦平面的每一个像素，并计算标准量化偏差，σpixel。

其中N是GAPDFPA的像素的总数，PD_i是i-像素上的目标检测概率，以及光子分布的质量中心，iCM是

像素σ值被最小化的位置将是最佳的聚焦位置，以至于像素σ的值被用作用于查找与所述光学系统的最佳聚焦位置，从而可以控制光束直径和反馈信号的激光脉冲的能量。

由于PD的变化是比较大的，当SPEtot

在0.1〜10范围内变化的时候，在此范围内的工作实际上是很方便的。

为了找到最佳聚焦位置，目标位于光轴上以覆盖视场角，并通过小直径激光脉冲被照亮。

然后，GAPDFPA沿光轴在焦点位置周围被扫描，其工序的是250微米一步。

使用10,000能量被适当地控制地得以满足条件0.1≤SPE−tot≤10的激光脉冲，在每个扫描步骤被捕获的八个像素目标检测概率和在GAPD上分布的光子用这些值来估计。

图7表示出了标准的实验结果偏差，σpixel在方程中，在每个扫描步骤中的光子的分布。

可以看出，当目标位于达15米，为了最佳焦点，该GAPDFPA的位置会位于8.75毫米距离和σpixel值周围的最佳焦点位置对称地分布。

为了检查多少横向空间分辨率，可以通过自动聚焦技术，提高该GAPDFPA（A），（B）和（C）的三位置进行检查，如图7所示，其中有1MM的间隔。

该靶中的矩形形状，沿着x轴进行1mm的步子，类似于一个刀口法的扫描。

目标的每个像素的检测概率在卸下PH值后在每个扫描步光学系统中测量1万激光脉冲。

其结果如图8所示。

GmAPDFPA的8个像素的目标检测概率根据目标的（A），（B）和（C）三种情况下的位移作为图的顶部的代表。

他们的衍生工具按图8中的底部表示。

，σpixel像素

位移mm

图7在GAPDFPA中光子分布的标准偏差,σpixel与GAPDFPA在光轴位移的对应关系

（A）、（B）和（C）颜色分别用红色由8.75毫米,7.75毫米,6.75毫米代表,

当目标的边缘，像素1的FOV传递给像素800的FOV，反过来，该目标探测

每个像素的概率预期将一个接一个增加。

当系统的整个视场角被覆盖时，8像素的目标检测概率比其它像素低，这些像素由于激光脉冲的能量在目标的位置的空间分布的非均匀性，包括目标在内。

在图8-（a）所示的情况下，最佳聚焦的情况表明，在每个像素上很好地分离由4.8毫米衍生物通过阈值化获得2.5％/月的平均水平这样的价值。

4.8毫米分离值，密切符合GAPD的中心到FPA的中心的间距的间隔值4.5毫米和单反的有效焦距60微米。

在图8-（b）所示的情况表明，每个象素的另一个重叠部分，平均每个占地7.4毫米。

在图8-（c）所示的情况表明该系统几乎是散焦，以及每个像素占用11.4毫米的平均水平。

考虑GAPD的中心到FPA的中心的间距和单反的有效焦距，焦点深度的计算公式为633μm到15米距离的高斯透镜公式;

这大约相当于实验结果。

采用实际焦距单反公式的，最佳聚焦大致从系统中推导出202.7毫米，当目标位于15米的距离。

这意味着，GAPDFPA所需的最佳焦点的位移对应于2.7毫米;该最佳聚焦位置可以通过使用σpixel值而被发现。

这也可以通过调节有效实施的光学系统的焦距反馈来控制σpixel值。

目标探测概率[%]

目标位移mm

dp/dx[%/mm]

目标位移mm

（a）

目标探测概率[%]

目标位移mm

dp/dx[%/mm]

目标位移mm

（b）

目标探测概率[%]

目标位移mm

dp/dx[%/mm]

目标位移mm

（c）

图8目标探测概率和目标位移的对应关系（上）及其衍生品与目标位移的对应关系（下）

（a）、（b）和（c）分表表示GAPDFPA在图7中（A）（B）（C）处的对应位置