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(45 ns)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10 ns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GAPD FPA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20μm x 20μm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