單光子激光雷達(dá)（又稱為光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)）具有單光子量級(jí)的探測(cè)靈敏度，相比于傳統(tǒng)的線性探測(cè)激光雷達(dá)，能夠獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，已經(jīng)成為激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的前沿和發(fā)展趨勢(shì)。然而，極高的探測(cè)靈敏度也使單光子激光雷達(dá)在探測(cè)中極易受到背景噪聲光子的干擾，這在很大程度上降低了其在白天工作的性能，也極大地限制了其適用范圍。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院空間光電精密測(cè)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“全天時(shí)單光子激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)展與系統(tǒng)評(píng)價(jià)”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為劉博研究員，主要從事激光雷達(dá)探測(cè)與激光通信方面方面的研究工作。

該文從單光子激光雷達(dá)的探測(cè)原理出發(fā)，簡(jiǎn)要回顧了其技術(shù)發(fā)展，分析了全天時(shí)工作對(duì)單光子激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的需求，在此基礎(chǔ)上，采用一種新型的光譜濾波技術(shù)，極大地提升了單光子激光雷達(dá)在白天的探測(cè)性能。同時(shí)，還提出了一種普適性的評(píng)價(jià)模型，能夠極為直觀地對(duì)各種激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

單光子激光雷達(dá)探測(cè)原理

對(duì)于激光雷達(dá)探測(cè)，通用的雷達(dá)方程為：

實(shí)際探測(cè)時(shí)，單光子探測(cè)器輸出脈沖中既包含有信號(hào)光子的響應(yīng)脈沖，也包含有噪聲光子的響應(yīng)脈沖，它們混雜在一起，僅通過(guò)單次探測(cè)無(wú)法區(qū)分出信號(hào)光子脈沖?？紤]到每次信號(hào)光子脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻一致（目標(biāo)距離不變），而噪聲光子脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻具有隨機(jī)性，因此TCSPC的統(tǒng)計(jì)方法被用于單光子探測(cè)中，通過(guò)多脈沖累積來(lái)提取出淹沒(méi)在噪聲中的回波光子信號(hào)。

單光子激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展

1969年，Richard I. Abbot等利用光子計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)了地球和月球之間的激光測(cè)距，之后，多個(gè)研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了相關(guān)研究工作。隨著單光子探測(cè)器件以及激光器技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，單光子探測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)也得到了蓬勃發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。從合作目標(biāo)激光測(cè)距到遠(yuǎn)距離非合作目標(biāo)探測(cè)，從單點(diǎn)探測(cè)到掃描三維成像以及陣列式三維成像，探測(cè)精度和分辨率不斷提高，探測(cè)距離不斷增大。單光子探測(cè)器件也從早期的PMT發(fā)展到GM-APD、SNSPD、硅光電倍增管（SiPM）也被稱為MPPC，以及最新的HgCdTe APD，探測(cè)性能不斷提升。

2002年，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室首先完成了第一代4×4 APD陣列的單光子激光雷達(dá)，隨后發(fā)展成為32×32陣列的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)，目前已經(jīng)完成領(lǐng)先的256×256陣列的激光雷達(dá)。2003年，Richard Heinrichs和R M Marino完成了DARPA資助的Jigsaw計(jì)劃外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)激光波長(zhǎng)為532 nm，單脈沖能量為4 μJ，接收光學(xué)系統(tǒng)孔徑為75 mm，在150 m的距離上實(shí)現(xiàn)了空間分辨率為5 cm、距離分辨率為40 cm的光子計(jì)數(shù)激光三維成像。2012~2013年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）使用多波束測(cè)高試驗(yàn)激光雷達(dá)（MABEL）搭載ER-2飛機(jī)在20 km高空進(jìn)行光子計(jì)數(shù)推掃測(cè)量試驗(yàn)，波長(zhǎng)為532 nm和1064 nm，單脈沖能量為3~5 μJ，獲取了高精度的地表連續(xù)高程剖面數(shù)據(jù)，高精度的云與氣溶膠數(shù)據(jù)以及植被覆蓋區(qū)域的地物、地表高程模型。2018年，NASA發(fā)射了IceSat-2衛(wèi)星，采用光子計(jì)數(shù)體制實(shí)現(xiàn)的多波束星載激光雷達(dá)ATLAS作為其主載荷，同時(shí)發(fā)射了三對(duì)六束激光，波長(zhǎng)為532 nm，每對(duì)間隔3.3 km，沿軌光斑間隔70 cm，測(cè)量地形高度變化小于4 mm，脈沖寬度1 ns，激光重復(fù)頻率10 kHz，單脈沖能量為25~90 μJ可調(diào)。同時(shí)期，英國(guó)赫瑞·瓦特大學(xué)在最遠(yuǎn)至10.5 km的距離上獲取了目標(biāo)的高分辨率三維圖像。

國(guó)內(nèi)也有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在單光子激光雷達(dá)探測(cè)方面開(kāi)展了卓有成效的研究工作。華東師范大學(xué)吳光團(tuán)隊(duì)一直致力于各種單光子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展；中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)李語(yǔ)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在碎片等空間目標(biāo)的單光子探測(cè)方面工作突出；中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在目標(biāo)探測(cè)、海洋測(cè)深等單光子探測(cè)應(yīng)用方面開(kāi)展了大量工作；中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所對(duì)于單光子線陣掃描激光雷達(dá)及信號(hào)處理做了相關(guān)研究；青島海洋大學(xué)吳松華團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了單光子大氣探測(cè)方面的研究；中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所筆者團(tuán)隊(duì)在單光子編碼探測(cè)技術(shù)以及遠(yuǎn)距離單光子目標(biāo)探測(cè)等方面進(jìn)行了應(yīng)用探索；中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心、西安理工大學(xué)等在單光子成像與探測(cè)技術(shù)方面開(kāi)展了各有特色的研究工作。中國(guó)科技大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)也開(kāi)展了單光子探測(cè)技術(shù)的研究：2020年在新疆完成了最遠(yuǎn)202 km的超遠(yuǎn)距離單光子三維成像，以單像素189 ms的采集的時(shí)間，在夜間最終得到了512 pixel×320 pixel分辨率的圖像，整個(gè)掃描時(shí)間約為8.6 h，這是目前公開(kāi)報(bào)道的最遠(yuǎn)距離的單光子三維成像實(shí)驗(yàn)。另外，北京航空航天大學(xué)張漢熠等對(duì)于單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)及相關(guān)算法等做了較為詳細(xì)的綜述。

隨著單光子激光雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，全天時(shí)工作能力成為必然的需求?；谝陨蠁喂庾犹綔y(cè)原理的分析，系統(tǒng)的探測(cè)性能主要取決于背景噪聲的抑制能力，具體來(lái)說(shuō)就是降低探測(cè)器本身的暗計(jì)數(shù)以及減少除信號(hào)光子外的噪聲光子計(jì)數(shù)。對(duì)于探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)，目前幾種主流的單光子探測(cè)器都能做到比較低的水平，比如GM-APD一般為幾十赫茲到千赫茲，SNSPD甚至可以達(dá)到幾赫茲，相對(duì)于白天日光引起的背景噪聲計(jì)數(shù)率（一般為MHz量級(jí)）來(lái)說(shuō)已經(jīng)可以忽略不計(jì)。因此，單光子激光雷達(dá)白天探測(cè)性能的提升主要取決于對(duì)日光引起的背景噪聲的抑制水平。

目前，單光子激光雷達(dá)一般采用532 nm、1064 nm或1550 nm這三個(gè)探測(cè)波長(zhǎng)，相應(yīng)的單光子探測(cè)器有PMT、Si APD、InGaAs APD、SNSPD幾種選擇，表1給出了幾種探測(cè)器的典型參數(shù)。

激光雷達(dá)系統(tǒng)常用的背景噪聲抑制技術(shù)包括空間濾波、時(shí)間濾波以及光譜濾波?？臻g濾波主要是在雷達(dá)的光學(xué)接收系統(tǒng)中采用有效的視場(chǎng)光闌，盡可能地減小系統(tǒng)的光學(xué)視場(chǎng)（FOV），但要注意與發(fā)射光束相匹配。時(shí)間濾波主要是根據(jù)目標(biāo)大致距離，采用盡可能精確的時(shí)間門控，摒棄時(shí)間門寬之外的光子信號(hào)，而實(shí)際上TCSPC本身就是一種十分有效的時(shí)間濾波技術(shù)。光譜濾波是指以發(fā)射激光波長(zhǎng)為中心，設(shè)置盡可能窄的光譜透過(guò)帶寬，從而濾除接收視場(chǎng)內(nèi)除信號(hào)波長(zhǎng)外的其他波長(zhǎng)成分，以此到達(dá)抑制背景的目的。

單光子激光雷達(dá)全天時(shí)探測(cè)能力分析

光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的噪聲來(lái)源主要是背景光噪聲以及探測(cè)器本身的暗計(jì)數(shù)噪聲，由于暗計(jì)數(shù)噪聲是由器件本身的暗電流產(chǎn)生的，與器件性能有關(guān)，這里不作分析。背景光噪聲的主要來(lái)源是太陽(yáng)輻射，因此需要對(duì)由太陽(yáng)輻射引起的、最終到達(dá)單光子探測(cè)器的噪聲光子進(jìn)行分析。

為了簡(jiǎn)化處理，可以將太陽(yáng)視作一個(gè)溫度為5778 K的標(biāo)準(zhǔn)黑體，利用黑體輻射公式可以準(zhǔn)確得到某一波段太陽(yáng)光譜的輻射能量。得到常用的太陽(yáng)輻射光譜照度圖如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)輻射光譜照度

依據(jù)黑體輻射公式和太陽(yáng)輻射光譜，可以得到某一波長(zhǎng)的太陽(yáng)常數(shù)，即日地距離上，大氣層頂垂直于太陽(yáng)光線的單位面積在每秒接收到的太陽(yáng)輻射功率，其隨波長(zhǎng)不同而變化。在確定激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)波長(zhǎng)后，根據(jù)系統(tǒng)的光譜濾波帶寬以及該波長(zhǎng)太陽(yáng)常數(shù)即可計(jì)算出該波段范圍內(nèi)的太陽(yáng)光譜輻射功率。位于雷達(dá)和目標(biāo)之間路徑上的大氣也會(huì)對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行散射，整個(gè)路徑上的大氣散射被雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)接收也會(huì)成為噪聲光子，這部分輻射的計(jì)算十分復(fù)雜，與太陽(yáng)高度角、目標(biāo)方位角、路徑大氣消光系數(shù)分布等探測(cè)時(shí)的具體太陽(yáng)與大氣參數(shù)密切相關(guān)，難以精確計(jì)算。

對(duì)于激光雷達(dá)用的單光子探測(cè)器的選擇，由表1可見(jiàn)，SNSPD探測(cè)器在可見(jiàn)到近紅外波段的綜合探測(cè)性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)，制約SNSPD的條件主要是其系統(tǒng)需要極低制冷溫度（低于4 K），難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。另外，目前其使用成本過(guò)于昂貴，價(jià)格約為半導(dǎo)體探測(cè)器的10倍以上。不考慮以上因素時(shí)，選用SNSPD探測(cè)器將顯著提升雷達(dá)探測(cè)性能，下文不再將其列入對(duì)比分析。此外，對(duì)于532 nm探測(cè)，由于PMT量子效率高且無(wú)死時(shí)間效應(yīng)，在不考慮其他因素的情況下也應(yīng)優(yōu)先選用，下文也不再將其列入對(duì)比分析。

表1 單光子探測(cè)器的典型參數(shù)（基于主流商用探測(cè)器參數(shù)，來(lái)源廠商包括Hamamatsu、Excelitas、PicoQuant、Laser Components、ID Quantique、Aurea、Scontel、Becker & Hickl等）

為了進(jìn)行探測(cè)性能對(duì)比分析，選定10 km距離的擴(kuò)展目標(biāo)，按照表2中參數(shù)計(jì)算不同光譜濾波帶寬時(shí)不同波長(zhǎng)和探測(cè)器的探測(cè)概率。

表2 對(duì)比分析用雷達(dá)參數(shù)表

計(jì)算中大氣輻射采用LOWTRAN軟件，夏季中緯度地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)大氣模式，光譜濾波帶寬分別選擇0.5、1、1.5、2 nm，結(jié)果如圖2所示。圖2（a）為單次探測(cè)概率，圖2（b）為脈沖累積100次、鑒別閾值為10時(shí)的探測(cè)概率，圖2（a）中還給出了12 km能見(jiàn)度時(shí)，10 km距離不同波長(zhǎng)的雙程大氣透過(guò)率。由圖可見(jiàn)，無(wú)論對(duì)于哪種波長(zhǎng)，光譜濾波帶寬都極為重要，帶寬2 nm以上白天探測(cè)概率急劇下降。雖然532 nm的探測(cè)器效率很高，但由于大氣衰減以及日光背景較強(qiáng)的影響，其探測(cè)性能并不好。而InGaAs探測(cè)器由于其死時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致在強(qiáng)噪聲環(huán)境下探測(cè)性能不佳，因此，雖然1550 nm波長(zhǎng)的大氣衰減最弱，日光背景最低，但其探測(cè)性能仍然不佳。綜合來(lái)看，白天探測(cè)時(shí)采用1064 nm波長(zhǎng)，Si APD探測(cè)器的性能最好，同時(shí)光譜濾波帶寬需小于2 nm。

圖2 10 km目標(biāo)不同光譜濾波帶寬時(shí)不同波長(zhǎng)和探測(cè)器的探測(cè)概率

圖3（a）所示為1 nm濾波帶寬，1064 nm波長(zhǎng)不同探測(cè)距離時(shí)，單次探測(cè)接收到的目標(biāo)激光回波光子數(shù)（紅色）、目標(biāo)散射日光噪聲光子數(shù)（藍(lán)色）和路徑大氣散射日光噪聲光子數(shù)（綠色）。圖3（b）所示為幾種波長(zhǎng)和探測(cè)器在不同探測(cè)距離上的單次探測(cè)概率，紅色點(diǎn)線為1064 nm、Si APD探測(cè)器在夜晚無(wú)日光背景下的探測(cè)概率。由圖可見(jiàn)，白天受到日光背景噪聲的影響，目標(biāo)的探測(cè)概率并不是隨距離增大直接降低的，對(duì)于擴(kuò)展目標(biāo)，在近距離上目標(biāo)散射的日光噪聲為主要影響，甚至?xí)欢ǔ潭壬蠈?dǎo)致距離越近，目標(biāo)探測(cè)概率越低，該影響會(huì)隨距離的增加而降低，而路徑大氣散射的日光噪聲會(huì)隨距離的增加而增加，并逐漸成為主要噪聲源。

圖3 1 nm濾波帶寬時(shí)不同距離單次探測(cè)的噪聲信號(hào)與探測(cè)概率

圖4為夜間無(wú)日光背景影響時(shí)，不同波長(zhǎng)和探測(cè)器在對(duì)不同距離目標(biāo)的探測(cè)概率。由圖可見(jiàn)，在無(wú)日光背景噪聲影響時(shí)，探測(cè)距離主要受到傳輸路徑大氣衰減的影響，1550 nm波長(zhǎng)由于大氣衰減最弱，可以達(dá)到最遠(yuǎn)的探測(cè)距離，1064 nm波長(zhǎng)采用InGaAs探測(cè)器時(shí)量子效率相對(duì)Si APD探測(cè)器較高，所以探測(cè)距離較遠(yuǎn)。

圖4 夜間不同波長(zhǎng)和探測(cè)器在對(duì)不同距離目標(biāo)的探測(cè)概率

基于新型濾波器的單光子激光雷達(dá)

背景光噪聲抑制技術(shù)是提升激光雷達(dá)全天時(shí)工作能力的關(guān)鍵。目前激光雷達(dá)系統(tǒng)中采用的光譜濾波技術(shù)主要包括窄帶干涉濾光片、法布里-珀羅（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具、光柵濾波器件、原子濾光器等方法。為了達(dá)到更好的背景抑制效果，光譜濾波器件的濾波帶寬越窄越好，帶外的抑制能力越高越好，同時(shí)為了不影響信號(hào)光的接收，其中心波長(zhǎng)的透過(guò)率越高越好。窄帶干涉濾光片是目前激光雷達(dá)中應(yīng)用最為廣泛的光譜濾波器件，多數(shù)窄帶干涉濾光片的濾波帶寬為0.5~10 nm，透過(guò)率為70%~90%，帶寬更窄的干涉濾光片制備困難，且透過(guò)率會(huì)急劇下降；F-P標(biāo)準(zhǔn)具雖然能夠達(dá)到幾十皮米量級(jí)的濾波帶寬，但是由于其工作原理的限制，導(dǎo)致其對(duì)于溫度變化和外界震動(dòng)異常敏感，需要復(fù)雜精密的控制，并且其自由光譜范圍較小，須與干涉濾光片結(jié)合使用，這些都限制了F-P標(biāo)準(zhǔn)具的實(shí)際應(yīng)用；光柵濾波器件在衍射效率及濾波帶寬上存在矛盾，且其帶外抑制能力不足。原子濾光器一般只能針對(duì)特定波長(zhǎng)的入射光產(chǎn)生共振從而透過(guò)，同時(shí)需要外加溫度控制以及磁場(chǎng)，使用時(shí)有諸多不便。

為了實(shí)現(xiàn)更好的光譜濾波，筆者采用反射式布拉格光柵作為核心濾波器件，搭建了一個(gè)超窄帶光譜濾波系統(tǒng)（UNSFS），該系統(tǒng)濾波帶寬約為50 pm，透過(guò)率約為85%，中心波長(zhǎng)為1029 nm。同時(shí)，采用波長(zhǎng)為1029 nm的Yb:YAG窄線寬脈沖激光器作為激光雷達(dá)光源。1029 nm與1064 nm同處于1 μm波段，大氣衰減和日光背景輻射水平相當(dāng)，但對(duì)于硅基單光子探測(cè)器，在1029 nm處的量子效率約為1064 nm處的三倍（8%）。UNSFS與激光器的光譜匹配關(guān)系如圖5所示。

圖5 UNSFS與激光器的光譜匹配關(guān)系

圖5中，藍(lán)線為濾波器的透過(guò)率曲線，F(xiàn)WHM 約為50 pm，中心透過(guò)率超過(guò)85%，中心波長(zhǎng)為1029.07 nm；紅線為激光器的光譜功率，其FWHM約為25 pm，兩者可以有效配合。

基于該UNSFS搭建了一個(gè)單光子激光雷達(dá)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。激光重復(fù)頻率為1.6 kHz，單脈沖能量為20 μJ，脈沖寬度為2 ns，發(fā)射束直徑為1 mm，發(fā)散角為1.08 mrad，光學(xué)接收徑為25 mm，接收視場(chǎng)為1.3 mrad。透鏡收集的光線通過(guò)針孔后進(jìn)入U(xiǎn)NSFS，濾波后透射光線耦合到芯徑為100 μm的多模光纖中，然后進(jìn)入單光子探測(cè)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(cè)器作為發(fā)射脈沖同步信號(hào)源。

圖6 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，首先進(jìn)行了單點(diǎn)測(cè)距實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)選擇為實(shí)驗(yàn)室所能觀測(cè)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25 km。實(shí)驗(yàn)時(shí)天氣晴朗，能見(jiàn)度約22 km。從上午10點(diǎn)到晚上10點(diǎn)，每小時(shí)進(jìn)行一次探測(cè)，檢測(cè)積累時(shí)間為1 s （1600次），時(shí)間門寬度為16 ns，結(jié)果如圖7所示。

圖7 （a）激光雷達(dá)回波光子計(jì)數(shù)距離直方圖；（b）背景噪聲計(jì)數(shù)率

圖7(a)為激光雷達(dá)回波光子計(jì)數(shù)距離直方圖，圖7（b）為每次探測(cè)的背景噪聲計(jì)數(shù)率（BNCR）統(tǒng)計(jì)。由圖可見(jiàn)，目標(biāo)實(shí)測(cè)距離為24.35 km，目標(biāo)回波信號(hào)累積光子計(jì)數(shù)為16，此時(shí)背景光條件下的平均噪聲計(jì)數(shù)（ANC）為3.06，噪聲計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.54。

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，該系統(tǒng)在全天最大的背景噪聲計(jì)數(shù)率僅為119 kHz，遠(yuǎn)低于其他的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)（一般為幾MHz量級(jí)或者更多）。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明采用新型UNSFS激光雷達(dá)系統(tǒng)擁有良好的日間工作能力。在完成了遠(yuǎn)距離測(cè)距實(shí)驗(yàn)后，利用一個(gè)可二維角度調(diào)節(jié)的反射鏡完成了對(duì)城市區(qū)域的快速掃描三維成像實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示。

圖8 單光子激光雷達(dá)及掃描系統(tǒng)實(shí)物圖

掃描的目標(biāo)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(shí)間選擇在下午4點(diǎn)陽(yáng)光強(qiáng)烈的時(shí)刻，當(dāng)天能見(jiàn)度約為10 km，整個(gè)掃描視場(chǎng)為1°×1°，掃描的圖像分辨率為100×141。得益于該系統(tǒng)優(yōu)異的背景噪聲抑制能力，使得整個(gè)探測(cè)掃描的時(shí)間大為縮短，這對(duì)于遠(yuǎn)距離三維成像來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。整個(gè)掃描時(shí)間為85 s，單點(diǎn)累加時(shí)間約為6 ms。掃描結(jié)果如圖9所示。

圖9 快速掃描三維成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9（a）為在實(shí)驗(yàn)室由光學(xué)相機(jī)拍攝到的目標(biāo)照片，紅色線框?yàn)榧す饫走_(dá)掃描區(qū)域；圖9（b）為掃描全景三維點(diǎn)云圖像；圖9（c）為單個(gè)像素在6 ms累加時(shí)間下的光子計(jì)數(shù)直方圖；圖9（d）為7.1~7.7 km遠(yuǎn)景三維點(diǎn)云圖；圖9（e）為3.5~4.2 km近景三維點(diǎn)云圖；圖9（f）和圖9（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(gè)點(diǎn)云圖分布在3.5~7.7 km范圍，能夠非常精細(xì)地展示出雙子塔的表面輪廓（細(xì)節(jié)處有穿透成像），同時(shí)前方建筑群的細(xì)節(jié)也能夠得到有效的展現(xiàn)，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。

激光雷達(dá)系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型

在完成了激光雷達(dá)的系統(tǒng)搭建和測(cè)試實(shí)驗(yàn)后，考慮對(duì)其探測(cè)性能進(jìn)行評(píng)估。人們一般習(xí)慣用最大探測(cè)距離來(lái)評(píng)價(jià)，然而對(duì)于激光雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單地增加接收光學(xué)孔徑和發(fā)射激光功率總是可以獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，但這不可避免地會(huì)帶來(lái)對(duì)系統(tǒng)資源的更多需求，給雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難。這里引入經(jīng)濟(jì)學(xué)的概念，體積、質(zhì)量、功耗等系統(tǒng)資源對(duì)于一臺(tái)激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)可以認(rèn)為是各種“投資”，而“回報(bào)”就是最大探測(cè)距離。在經(jīng)濟(jì)學(xué)上，人們追求更高的投資回報(bào)率（ROI），對(duì)于激光雷達(dá)系統(tǒng)同樣也應(yīng)如此。為此，文中提出了一種激光雷達(dá)性能評(píng)估模型，該模型將激光雷達(dá)系統(tǒng)的“投資”參數(shù)進(jìn)行歸一化，以此來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)是否更經(jīng)濟(jì)，即投入更少的系統(tǒng)資源能否獲取更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。

對(duì)于一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)而言，其光學(xué)接收面積和激光發(fā)射功率無(wú)疑都屬于“投資”，而且探測(cè)時(shí)間也是應(yīng)考慮的一種時(shí)間“投資”。對(duì)于激光雷達(dá)探測(cè)的“回報(bào)”，通常習(xí)慣以最大探測(cè)距離作為評(píng)價(jià)，并且考慮到距離項(xiàng)在激光雷達(dá)方程中是以平方形式給出的，因此，將最大探測(cè)距離的平方作為激光雷達(dá)系統(tǒng)的“回報(bào)”。除了上述參數(shù)外，激光雷達(dá)的最大探測(cè)距離還與傳輸路徑的衰減和目標(biāo)的有效散射截面有關(guān)，但它們都屬于外部影響因素，而這里只對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)本身進(jìn)行評(píng)估，在此評(píng)估模型中不對(duì)它們進(jìn)行考慮。

由此，可以通過(guò)在單位接收面積、單位發(fā)射功率和單位探測(cè)時(shí)間情況下系統(tǒng)的最大探測(cè)距離平方來(lái)得到激光雷達(dá)的ROI指數(shù)。ROI指數(shù)越高，激光雷達(dá)的探測(cè)效率就越高，或者說(shuō)激光雷達(dá)探測(cè)更為“經(jīng)濟(jì)”。

需要指出的是，對(duì)于N×M面陣探測(cè)激光雷達(dá)，其單像素探測(cè)時(shí)間為T/(N×M)，而T是其單幀的探測(cè)時(shí)間?？梢?jiàn)，對(duì)于面陣探測(cè)激光雷達(dá)，通過(guò)一次探測(cè)即可同時(shí)獲得N×M個(gè)像素點(diǎn)的距離值，從而縮短了探測(cè)時(shí)間。然而，為了保證N×M個(gè)像素的同時(shí)探測(cè)，它必將以更高的發(fā)射總功率或更大的接收面積為代價(jià)。同樣，對(duì)于單點(diǎn)激光雷達(dá)，它減少了對(duì)發(fā)射功率或接收面積的需求，但同時(shí)付出的是需要掃描N×M個(gè)點(diǎn)才能完成三維成像的時(shí)間代價(jià)。

另外，線性探測(cè)激光雷達(dá)可以用一個(gè)脈沖即完成測(cè)量，而光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)要積累一定數(shù)量的脈沖才能識(shí)別目標(biāo)獲得測(cè)量值，這也可以看作是對(duì)探測(cè)時(shí)間上不同的“投資”。

為了展示ROI指數(shù)的評(píng)估效果，這里除了上文提出的新型單光子激光雷達(dá)外，還選擇了四個(gè)具有代表性的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)作為參考進(jìn)行評(píng)估。表3中，系統(tǒng)1是英國(guó)赫瑞·瓦特大學(xué)的遠(yuǎn)距離單光子掃描成像系統(tǒng)，能夠在800 m~10.5 km （夜間工作）的范圍內(nèi)獲取3D圖像。系統(tǒng)2是NASA ATLAS系統(tǒng)，部署在ICESat-2衛(wèi)星上，軌道高度500 km，用于對(duì)地觀測(cè)，它可以晝夜工作。系統(tǒng)3是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的單光子3D成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在夜間獲得了202 km距離的掃描3D成像，并在21.6 km處進(jìn)行了白天3D成像實(shí)驗(yàn)（系統(tǒng)4）。系統(tǒng)5是上文提出的新型單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)。

需要指出的是，對(duì)于上文提出的新型單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)，在以上評(píng)估中使用的探測(cè)距離值僅僅是一個(gè)實(shí)際探測(cè)實(shí)驗(yàn)中的距離值，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是該激光雷達(dá)的最大可探測(cè)距離。此外，表3中使用的數(shù)據(jù)都來(lái)自公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)，并不代表這些激光雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際最大可探測(cè)距離。因此，表3中計(jì)算的ROI指數(shù)僅供參考，并不表示這些系統(tǒng)所能達(dá)到的實(shí)際指數(shù)。

表3 不同激光雷達(dá)系統(tǒng)ROI指數(shù)對(duì)比

另外，對(duì)于三維成像激光雷達(dá)，利用基于目標(biāo)空間關(guān)聯(lián)性的各種算法可以有效減少單像素的累積時(shí)間，從而提高系統(tǒng)的ROI指數(shù)。對(duì)于圖9中的3D成像，由于每個(gè)單像素的探測(cè)信噪比已經(jīng)足夠好，沒(méi)有應(yīng)用任何其他關(guān)聯(lián)算法。

結(jié)論

文中從單光子激光雷達(dá)的探測(cè)原理出發(fā)，分析了全天時(shí)工作對(duì)單光子激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的需求，尤其是白天探測(cè)時(shí)所面臨的背景噪聲水平，對(duì)比了幾種采用主流探測(cè)波長(zhǎng)和探測(cè)器時(shí)激光雷達(dá)的探測(cè)性能。條件允許時(shí)，超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器會(huì)有較大優(yōu)勢(shì)，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1 μm波段作為探測(cè)波長(zhǎng)和硅基的單光子探測(cè)器，會(huì)帶來(lái)更好的全天時(shí)探測(cè)性能。

在此基礎(chǔ)上，文中采用反射式布拉格光柵作為核心濾波器件，研制了一個(gè)超窄帶激光雷達(dá)光譜濾波系統(tǒng)（50 pm帶寬），配合使用窄線寬1029 nm脈沖激光器（25 pm線寬）作為光源，搭建了一套新型的全天時(shí)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24.35 km的測(cè)距與全天時(shí)噪聲水平的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。隨后完成了3.2~7.7 km的高動(dòng)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地完成探測(cè)任務(wù)，能夠極大地提升單光子激光雷達(dá)的全天時(shí)探測(cè)能力，為白天工作的激光雷達(dá)提供了一種全新的實(shí)用解決方案。

此外，為了對(duì)實(shí)際激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，類比經(jīng)濟(jì)學(xué)中的“投資回報(bào)率”概念，提出了一種激光雷達(dá)評(píng)價(jià)模型，即ROI指數(shù)，該指數(shù)能夠十分直觀地對(duì)各種激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，可作為一種通用的激光雷達(dá)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。所提出的新型單光子激光雷達(dá)的ROI指數(shù)為6.03×101?，是一個(gè)相當(dāng)高的分?jǐn)?shù)。

審核編輯：劉清