韓小純，王元慶

(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210046)

1 引言

激光雷達(dá)技術(shù)是關(guān)系到國防安全的重要研究領(lǐng)域之一，不僅如此，其在自然災(zāi)害救援和地理測(cè)繪方面也有重要應(yīng)用。目前，國際上已研制出多種體制的激光雷達(dá)，其中焦平面成像激光雷達(dá)備受關(guān)注。美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室自1996年開始研制基于GMAPD(Geiger-Mode Avalanche Photodiode)焦平面陣列的閃光激光雷達(dá)，并進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，證明其對(duì)地面?zhèn)窝b目標(biāo)和樹林中隱蔽目標(biāo)具有良好的探測(cè)力［1］。

基于GMAPD陣列閃光激光雷達(dá)較其他體制激光雷達(dá)具有如下主要優(yōu)點(diǎn)［2－3］:

(1)極高的探測(cè)靈敏度，可實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè);

(2)較高的測(cè)量精度，厘米量級(jí);

(3)較高的探測(cè)效率，采用單脈沖焦平面陣列成像方式;

(4)較低的功耗;

(5)體積小，集成度高。

由于上述優(yōu)點(diǎn)，國際上很多研究機(jī)構(gòu)和公司已投入此研究。據(jù)報(bào)道，2011年林肯實(shí)驗(yàn)室在美國空軍的支持下已完成ALIRT(Airborne Ladar Imaging Research Testbed)系統(tǒng)，并獲得當(dāng)年美國百大科技研發(fā)獎(jiǎng)(R＆D 100 Awards)，ALIRT可在9 km高空作業(yè)，工作在3 km高度時(shí)距離分辨率可達(dá)一分米［4］。

我國由于探測(cè)器發(fā)展較慢，為了更好地借鑒國外最新的研究成果，提升我國的三維成像激光雷達(dá)技術(shù)水平，本文簡(jiǎn)述了GMAPD陣列激光雷達(dá)的工作原理及其各試驗(yàn)系統(tǒng)特性，重點(diǎn)介紹了麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室在此方面的研究進(jìn)展。

2 GMAPD陣列器件簡(jiǎn)述

GMAPD陣列器件由蓋革模式APD陣列和相應(yīng)的計(jì)時(shí)集成電路陣列兩部分構(gòu)成，這兩部分都是在各自獨(dú)立的基片上按照統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范加工出來，然后利用橋接集成技術(shù)(Bridge Bonding)將兩部分集成在一起［2］。如圖1所示，這種橋接集成技術(shù)首先利用環(huán)氧樹脂將CMOS計(jì)時(shí)電路和對(duì)應(yīng)的APD陣列面對(duì)面膠合起來，在膠合的過程中兩者之間沒有任何電氣連接。膠合之后形成了上面是APD陣列基底，中間為APD陣列，下面是CMOS計(jì)時(shí)電路陣列的“三明治”結(jié)構(gòu)。然后，利用電化學(xué)刻蝕的方法將APD陣列的基底去除(APD陣列以背面照射的方式工作)。最后，在APD陣列的各單元之間刻蝕出通道，利用圖案形成的方法在通道中形成“金屬橋”以連接APD和計(jì)時(shí)讀出電路。圖2為利用橋接集成技術(shù)集成后的APD陣列顯微照片。

圖1 橋接集成技術(shù)Fig.1 bridge bonding

現(xiàn)以32×32陣列GMAPD為例來具體說明其特性。陣列像元之間的間距為150μm，APD有效區(qū)域的直徑為50μm，具有單光子探測(cè)能力。該陣列的設(shè)計(jì)目的是為了通過單激光脈來沖獲取目標(biāo)的三維信息，因此，每個(gè)像素單元都對(duì)應(yīng)著一個(gè)獨(dú)立的計(jì)時(shí)電路。光源發(fā)射的激光脈沖觸發(fā)計(jì)時(shí)電路工作，當(dāng)從目標(biāo)反射回來的脈沖到達(dá)時(shí)，計(jì)時(shí)電路停止計(jì)時(shí)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果保存供讀出。這樣焦平面上的每個(gè)像素單元都會(huì)得到由計(jì)時(shí)電路產(chǎn)生的距離信息，該計(jì)時(shí)電路的時(shí)間分辨率為0.5 ns，其對(duì)應(yīng)的距離分辨率為7.5 cm。

圖2 APD/CMOS橋接后的顯微照片F(xiàn)ig.2 photomicrograph of the same bridge-bonded APD/CMOS device

3 GMAPD焦平面成像激光雷達(dá)

2002年，林肯實(shí)驗(yàn)室相繼研發(fā)了包括GEN-I(Brassbord)、GEN-II、GEN-III 三代實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［5］，2003年和2011年分別研發(fā)了Jigsaw Ladar Sensor和ALIRT試驗(yàn)系統(tǒng)。在 GEN-I系統(tǒng)中，4×4的APD陣列被封裝成一個(gè)獨(dú)立的器件整合到印刷電路板上。每個(gè)APD單元對(duì)應(yīng)著一個(gè)脈沖放大電路，放大后的脈沖信號(hào)通過同軸電纜傳輸?shù)接?jì)時(shí)模塊。而在GEN-II系統(tǒng)中，4×4的APD陣列集成了帶有16個(gè)計(jì)時(shí)電路的CMOS芯片。GEN-III系統(tǒng)采用的則是完全將32×32APD陣列和32×32CMOS計(jì)時(shí)電路陣列相集成的傳感器，相元數(shù)目更多，集成度更高。

2003年，Richard M.Marino領(lǐng)導(dǎo)的小組研發(fā)了Jigsaw Ladar Sensor系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是能夠?qū)φ诒卧跇淙~、偽裝網(wǎng)后面的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別［3］。Richard M.Marino等人認(rèn)為，單視角的激光三維成像，對(duì)于覆蓋率為95%的目標(biāo)只能得到很稀疏的抽樣。如果能夠獲得目標(biāo)從多個(gè)角度獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)有效的綜合就可以得到目標(biāo)表面的密集抽樣，利用這種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的可靠精確識(shí)別。表1列出了Jigsaw Ladar Sensor系統(tǒng)的主要參數(shù)。

表1 Jigsaw Ladar Sensor系統(tǒng)主要參數(shù)Tab．1 Jigsaw Ladar Sensor System Parameters

Jigsaw Ladar Sensor采用的是32×32 GMAPD陣列，在150 m作用高度橫向分辨率為5 cm，距離分辨率為40 cm。其中，激光器采用了林肯實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的微片激光(Microchip Lasers)技術(shù)，是一種被動(dòng)調(diào)Q式的固態(tài)倍頻Nd∶YAG激光器，工作波長(zhǎng)為 532 nm，脈沖寬度 300 ps，脈沖頻率 16 kHz［6－7］。圖3給出了Jigsaw Ladar Sensor三維成像的一個(gè)實(shí)例，圖3(a)是從多角度獲取的目標(biāo)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合后建立的三維場(chǎng)景圖，從俯視的角度觀看只能看到樹冠而看不到隱藏在下面的軍事目標(biāo)。圖3(b)和圖3(c)是對(duì)三維場(chǎng)景的處理過程，將樹冠層削去則隱藏在樹下的坦克目標(biāo)清晰可見［8］，如圖3(d)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)偽裝目標(biāo)的精確識(shí)別。

2011年，林肯實(shí)驗(yàn)在美國空軍的支持下完成了ALIRT(Airborne Ladar Imaging Research Testbed)系統(tǒng)的研制［9］。ALIRT能夠從9 km高度對(duì)廣域地形進(jìn)行快速高分辨率三維成像，每小時(shí)可完成2000 km2區(qū)域的三維成像，其在3 km高度距離分辨率為10 cm。圖4給出了ALIRT系統(tǒng)原理框圖，ALIRT采用了32×128 GMAPD焦平面計(jì)時(shí)陣列［10］，配合角度編碼器實(shí)現(xiàn)大幅寬的快速三維成像。林肯實(shí)驗(yàn)室還為ALIRT系統(tǒng)設(shè)計(jì)了GMAPD數(shù)據(jù)讀出子系統(tǒng)，其讀出速率為160MB/s。為了將生成的3D距離圖像精確地放置在世界坐標(biāo)系中，ALIRT安裝了全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性測(cè)量裝置(IMU)用來確定飛機(jī)的位置和飛行方向。

圖3 樹冠下目標(biāo)的提取識(shí)別Fig.3 recognition of the target below the tree canopy

圖4 ALIRT系統(tǒng)原理框圖Fig.4 a system block diagram of ALIRT

圖5 是ALIRT產(chǎn)生的美國科羅拉多大峽谷三維地形圖，左上角為大峽谷的實(shí)景照片。大峽谷的高度落差接近2 km，從圖中不僅可以看出大峽谷的地形結(jié)構(gòu)，還可以看到清晰的細(xì)節(jié)，可見ALIRT系統(tǒng)的作用距離和精度都達(dá)到了很高的水平。

圖5 美國科羅拉多大峽谷的ALIRT成像Fig.5 ALIRT imagery of the Grand Canyon

4 結(jié)語

文中介紹了美國林肯實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的蓋革模式APD陣列，并給出其在激光雷達(dá)應(yīng)用方面的最新研究進(jìn)展?；贕MAPD陣列的激光雷達(dá)具有靈敏度高、距離分辨率高、作用距離遠(yuǎn)、快速高效和能對(duì)偽裝目標(biāo)精確識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)。林肯實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研制了GEN-I、GEN-II、GEN-III、Jigsaw Ladar Sensor 和ALIRT等試驗(yàn)系統(tǒng)，這些激光雷達(dá)系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的出色性能在軍事和民用方面都受到廣泛關(guān)注。隨著探測(cè)器技術(shù)的不斷發(fā)展，GMAPD陣列性能將會(huì)進(jìn)一步提升，也將在夜視系統(tǒng)、深空探測(cè)和偵察應(yīng)用等領(lǐng)域中有更加廣泛的應(yīng)用。

［1］ Wu Lijuan，Li Li，Ren Ximing．3D imaging simulation of APD arrays laser radar system based on Geigermode［J］．Infrared and Laser Engineering，2011，40(11):2180 －2186．(in Chinese)吳麗娟，李麗，任熙明．蓋革模式APD陣列激光雷達(dá)的三維成像仿真［J］．紅外與激光工程，2011，40(11):2180－2186．

［2］ Brian F Aull，Andrew H Loomis，et al．Geiger-mode avalanche photodiodes for three-dimensional imaging［J］．Lincoln Laboratory Journal，2002，13(2):335 －350．

［3］ Richard M Marino，William R Davis，Jr．Jigsaw:A Foliage-Penetrating 3D Imaging Laser Radar System［J］．Lincoln Laboratory Journal，2005，15(1):23 －36．

［4］ MIT Lincoln Laboratory．MIT lincoln laboratory wins four 2011 R＆D 100 awards［EB/OL］．http://www．ll．mit．edu/news/2011R-DAwards．html，2011 －08．

［5］ Marius A．Albota，Brian F．Aull，et al．Three-dimensional imaging laser radarswith geiger-mode avalanche photodiode arrays［J］．Lincoln Laboratory Journal，2002，13(2):351－370．

［6］ J J Zayhowski．Microchip lasers［J］．Lincoln Laboratory Journal，1990，3(3):427 － 446．

［7］ John JZayhowski．Passively Q-switched Nd:YAG microchip lasers and applications［J］．Journal of Alloys and Compounds，2000，302 －304:393 －400．

［8］ Michael EO'Brien，DanielG Fouche．Simulation of3D laser radar systems［J］．Lincoln Laboratory Journal，2005，15(1):37－60．

［9］ Robert Knowlton．Airborne ladar imaging research testbed［M］．America:Lincoln Laboratory，2011．

［10］ R＆D Magazine．Faster mapping at higher altitudes［EB/OL］．http://www．rdmag．com/award-winners/2011/08/faster-mapping-higher-altitudes，2011 －08 －14．