基于TCSPC的激光雷達技術

    傳統的激光雷達(LIDAR,Light Detection and Ranging),采用線性探測(Linear Detection)體制,激光回波脈沖中包含數千個光子能量,依靠較高的信噪比將回波信號從背景噪聲中鑒別出來,考慮到系統的信噪比和可靠性,實際采用的激光能量還需要更大一些。高的激光發射能量一方面限制了發射激光重復頻率、數據采樣率以及探測距離的提高,另一方面造成了大量回波光子的浪費。

    為了實現更高的探測靈敏度、更遠的探測距離和更大的數據采樣率,國際上紛紛開展了對于各種新型激光測距技術研究工作,時間分辨光子計數激光測距便是其中之一。美國NASA、MIT林肯實驗室為代表的國外多家研究機構已經在時間分辨光子計數激光測距領域展開了多年的研究工作,研制出了一系列演示驗證系統,展示了時間分辨光子計數激光測距的技術優勢和應用潛力。

    時間分辨光子計數激光測距與線性探測體制一樣,都采用了直接脈沖探測的方法,通過記錄發射激光脈沖和回波光子信號的時間來實現目標距離信息的獲取。時間分辨光子計數激光測距技術采用高重頻、低能量的激光器和靈敏度極高的單光子探測器蓋革模式Si-APD,將線性探測體制下包含大量光子的回波波形探測轉換為針對單個回波光子時間的“計數”,充分利用了回波信號中能量(單光子級別),利用目標與光子飛行時間信息的相關性和光子時間累計計數,將背景噪音和暗計數中真實的光子飛行時間提取出來,提高探測概率,最大限度提高系統探測靈敏度和探測效率。時間分辨光子計數激光測距技術的優點是能夠以較低的激光脈沖能量獲取遠距離目標的光子飛行時間信息,大大簡化了激光雷達系統,降低了系統對于功耗、望遠鏡口徑等平臺資源的要求。

 

圖1 脈沖飛行時間測量原理示意圖

    激光雷達工作時,激光器發射的激光脈沖信號經過發射光學系統照射到目標表面,目標散射回來的激光信號由望遠鏡接收,利用光纖將接收到的光信號耦合至蓋革APD上。激光雷達的主波和回波信號輸出到時間相關單光子計數系統(TCSPC,TCSPC將激光光子的飛行時間記錄下來。控制和數據傳輸模塊負責控制整個激光雷達實驗系統的工作狀態,并將采集到的數據傳輸至計算機。

    星秒光電能夠提供多通道的時間相關單光子計數系統(TCSPC),可滿足各科研單位在激光測距成像方面的使用,該系統保持了單個獨立通道的優異性能,采用高精度物理延遲鏈方式,每個通道都可實現64 ps的時間分辨率、 50 ns的死時間,以及20 Mcps飽和計數率。星秒光電目前也可以為工業客戶提供多通道高度集成化的時間測量模塊,比如16、32或者64通道的集成系統(http://www.kdweth.com,該系統可適用于無人駕駛、AGV和無人機等領域激光雷達方面的高精度飛行時間測量

 

——星秒光電(SIMINICS)

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