基于TCSPC的激光雷达技术

    传统的激光雷达(LIDAR,Light Detection and Ranging),采用线性探测(Linear Detection)体制,激光回波脉冲中包含数千个光子能量,依靠较高的信噪比将回波信号从背景噪声中鉴别出来,考虑到系统的信噪比和可靠性,实际采用的激光能量还需要更大一些。高的激光发射能量一方面限制了发射激光重复频率、数据采样率以及探测距离的提高,另一方面造成了大量回波光子的浪费。

    为了实现更高的探测灵敏度、更远的探测距离和更大的数据采样率,国际上纷纷开展了对于各种新型激光测距技术研究工作,时间分辨光子计数激光测距便是其中之一。美国NASA、MIT林肯实验室为代表的国外多家研究机构已经在时间分辨光子计数激光测距领域展开了多年的研究工作,研制出了一系列演示验证系统,展示了时间分辨光子计数激光测距的技术优势和应用潜力。

    时间分辨光子计数激光测距与线性探测体制一样,都采用了直接脉冲探测的方法,通过记录发射激光脉冲和回波光子信号的时间来实现目标距离信息的获取。时间分辨光子计数激光测距技术采用高重频、低能量的激光器和灵敏度极高的单光子探测器盖革模式Si-APD,将线性探测体制下包含大量光子的回波波形探测转换为针对单个回波光子时间的“计数”,充分利用了回波信号中能量(单光子级别),利用目标与光子飞行时间信息的相关性和光子时间累计计数,将背景噪音和暗计数中真实的光子飞行时间提取出来,提高探测概率,最大限度提高系统探测灵敏度和探测效率。时间分辨光子计数激光测距技术的优点是能够以较低的激光脉冲能量获取远距离目标的光子飞行时间信息,大大简化了激光雷达系统,降低了系统对于功耗、望远镜口径等平台资源的要求。

 

图1 脉冲飞行时间测量原理示意图

    激光雷达工作时,激光器发射的激光脉冲信号经过发射光学系统照射到目标表面,目标散射回来的激光信号由望远镜接收,利用光纤将接收到的光信号耦合至盖革APD上。激光雷达的主波和回波信号输出到时间相关单光子计数系统(TCSPC,TCSPC将激光光子的飞行时间记录下来。控制和数据传输模块负责控制整个激光雷达实验系统的工作状态,并将采集到的数据传输至计算机。

    星秒光电能够提供多通道的时间相关单光子计数系统(TCSPC),可满足各科研单位在激光测距成像方面的使用,该系统保持了单个独立通道的优异性能,采用高精度物理延迟链方式,每个通道都可实现64 ps的时间分辨率、 50 ns的死时间,以及20 Mcps饱和计数率。星秒光电目前也可以为工业客户提供多通道高度集成化的时间测量模块,比如16、32或者64通道的集成系统(http://www.kdweth.com,该系统可适用于无人驾驶、AGV和无人机等领域激光雷达方面的高精度飞行时间测量

 

——星秒光电(SIMINICS)

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