張 弛, 董光焰, 吳淦華, 王治中, 馮志軍
(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所,鄭州市激光雷達(dá)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450047; 2.南京電子技術(shù)研究所,智能感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210039)
激光雷達(dá)測量系統(tǒng)因體積質(zhì)量小、精度高以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測量、大氣濃度檢測、激光三維成像、星地激光測距[1-2]等各個(gè)領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代技術(shù)與裝備發(fā)展的需求,要求測距系統(tǒng)具有超視距和高精度的測量能力,依靠傳統(tǒng)高峰值發(fā)射的傳統(tǒng)單脈沖和多脈沖激光測距技術(shù)已不能滿足未來的要求。以量子理論為基礎(chǔ)的單光子激光測距技術(shù)逐漸興起,它采用超高靈敏度的單光子探測器[3](single photon detector,SPD),將系統(tǒng)探測能力達(dá)到單光子量級(jí)的探測靈敏度[4],是提高激光測距能力與精度的一個(gè)重要途徑。但在單光子測距中,易受到源自探測器視場內(nèi)的背景光噪聲和探測器本身的暗計(jì)數(shù)噪聲以及大氣氣溶膠的后向散射、大氣湍流等其他因素的影響。常用的時(shí)間測量系統(tǒng)一般利用回波脈沖觸發(fā)計(jì)數(shù)器來測量激光飛行時(shí)間間隔,例如基于現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列(field programmable fate array,F(xiàn)PGA)延遲線內(nèi)插的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路[5],但計(jì)數(shù)器易受到背景噪聲和多目標(biāo)的干擾,觸發(fā)個(gè)數(shù)有限且容易形成誤觸發(fā)。當(dāng)對(duì)室外遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行測量時(shí),系統(tǒng)的抗干擾能力弱,無法對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行全通道的數(shù)據(jù)處理。且目前大多數(shù)研究都是針對(duì)地面近距離目標(biāo)進(jìn)行仿真或測量[6]。為了驗(yàn)證單光子激光雷達(dá)在海洋環(huán)境實(shí)際應(yīng)用的可行性,針對(duì)海面遠(yuǎn)程靜止與運(yùn)動(dòng)目標(biāo),使用超高速數(shù)字信號(hào)采樣方法對(duì)回波通道進(jìn)行高速采樣分析研究,采用多種濾波處理方法與自適應(yīng)算法進(jìn)行信號(hào)處理,利用圖像信息與伺服轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測量,利用高性能數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)時(shí)處理并給出目標(biāo)三維坐標(biāo)信息。
單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)微波雷達(dá)體積小、質(zhì)量輕,抗電磁干擾能力強(qiáng);利用光在空間中飛行時(shí)間完成對(duì)目標(biāo)進(jìn)行距離解算。其工作原理框圖如圖1所示。
圖1 單光子激光雷達(dá)工作原理Fig.1 Single photon laser radar working principle diagram
激光雷達(dá)系統(tǒng)通過圖像信息控制伺服轉(zhuǎn)臺(tái)來實(shí)時(shí)跟蹤瞄準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)對(duì)目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤時(shí),控制系統(tǒng)發(fā)出激光發(fā)射指令,處理模塊根據(jù)命令信號(hào)控制激光器發(fā)射脈沖信號(hào),此處使用固體激光器(diode pumped solid state laser,DPL),該激光器可實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率、高峰值功率且單色性好、脈寬窄等優(yōu)點(diǎn),有利于提高單光子系統(tǒng)整體性能[7]。脈沖信號(hào)經(jīng)過光學(xué)天線發(fā)射向被測目標(biāo),經(jīng)目標(biāo)漫反射后的回波信號(hào)經(jīng)光學(xué)天線接收匯聚到探測器上,常用的單光子探測器有采用超導(dǎo)效應(yīng)的超導(dǎo)納米線的單光子探測器[8]。然而超導(dǎo)納米線單光子探測器需要工作在極低的溫度環(huán)境,需要龐大的制冷設(shè)備與溫控設(shè)備,設(shè)備體積龐大。而基于銦鎵砷材質(zhì)的單光子探測器工作在蓋格模式時(shí),以體積小、時(shí)間抖動(dòng)低、制冷方便等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[9]。DSP+FPGA數(shù)字信號(hào)控制高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)模塊對(duì)硅基單光子探測器(single photon avalanche detector,SPAD)的回波信號(hào)解算兩者回波距離并上傳上位機(jī)。
為了驗(yàn)證單光子激光探測威力的提升,在相同的測試地點(diǎn),在保持激光發(fā)射能量與接收口徑等其他參數(shù)不變的情況下,架設(shè)另外一臺(tái)使用常規(guī)雪崩光電二極管作為激光探測器的測距設(shè)備,與單光子激光雷達(dá)進(jìn)行測距能力對(duì)比。
當(dāng)對(duì)遠(yuǎn)距離小目標(biāo)進(jìn)行測量時(shí),目標(biāo)表面近似為朗伯表面,系統(tǒng)探測威力受多種因素的影響, 單光子探測器接收的回波光子個(gè)數(shù)與系統(tǒng)關(guān)系為
(1)
式(1)中:Ns為激光回波在單光子探測器上產(chǎn)生的光電子數(shù)量;ρ為目標(biāo)發(fā)射率;γ為激光雷達(dá)與目標(biāo)之間的大氣雙程透過率;τt為激光發(fā)射光學(xué)效率;τr為接收光學(xué)效率;Ar為接收光學(xué)口徑有效面積;m2;Et為激光發(fā)射單脈沖能量,J;R為激光雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離,m;ηq為單光子探測器的量子效率;θt為發(fā)射光軸與目標(biāo)法向夾角,rad;hv是激光波長的單光子能量,J;h為普朗克常數(shù),v為輻射電磁波的頻率,Hz。激光在大氣中的雙程透過率受到大氣中氣溶膠粒子的吸收、散射等影響,嚴(yán)重影響了激光探測的威力和測量精度。
工作在蓋格模式的光電倍增管的噪聲源主要包括暗計(jì)數(shù)噪聲和視場內(nèi)的背景光噪聲,噪聲分布為隨機(jī)過程。相較于陸地環(huán)境,海面濕度較大,激光在傳輸?shù)倪^程中一部分被海面氣溶膠吸收,另一部分被粒子散射,不同顆粒大小的氣溶膠對(duì)激光能量造成不同程度的衰減影響,當(dāng)入射波長λ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被探測粒子半徑φ時(shí),即λ?φ,粒子散射遵循Mie散射理論[10],大氣中的氣溶膠粒子吸收一部分入射的激光能量以及向各個(gè)方向產(chǎn)生散射。當(dāng)散射角度為180°時(shí),光會(huì)沿著激光發(fā)射方向的反方向散射,該散射光被激光雷達(dá)系統(tǒng)接收并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的噪聲信號(hào),噪聲信號(hào)會(huì)惡化系統(tǒng)的信噪比,降低系統(tǒng)性能,因此主要考慮系統(tǒng)受到的后向散射影響。在一次散射條件下,Mie散射型激光雷達(dá)R處氣溶膠散射強(qiáng)度公式為
(2)
式(2)中:E為激光雷達(dá)發(fā)射能量,J;βR、aR分別為距離R處大氣氣溶膠后向散射系數(shù)與消光系數(shù),大小與氣溶膠濃度、顆粒大小等有關(guān)。
海風(fēng)吹拂海水表面形成海鹽粒子與大氣的氣溶膠粒子構(gòu)成了海洋表面大氣氣溶膠。利用Mieplot軟件主要分析1 064 nm波段激光在不同海面氣溶膠粒子半徑時(shí),激光吸收系數(shù)與散射系數(shù)的變化,如圖2所示,橫坐標(biāo)為海面氣溶膠粒子半徑,圖中紅色曲線為散射系數(shù)變化曲線,黑色曲線為吸收系數(shù)曲線,可見1 064 nm激光在海面主要受到海洋氣溶膠散射的影響。
圖2 不同半徑海面粒子對(duì)激光散射系數(shù)與 吸收系數(shù)的影響Fig.2 Relationship between scattering intensity and absorption coefficient of different radius of particles
假設(shè)大氣是均勻分布的,常用于水平探測的反演方式有Collis斜率法[11],通過反演近似得到大氣衰減系數(shù):
(3)
根據(jù)上文分析,考慮大氣因素影響,在典型氣象條件下,針對(duì)非合作目標(biāo),不同能見度條件下,使用常規(guī)雪崩二極管探測器測距威力和使用單光子探測的探測系統(tǒng)威力對(duì)比如表1所示(針對(duì)大目標(biāo)測量,涉及到的其他參數(shù)詳見試驗(yàn)測試分析)。
表1 不同海面能見度條件下激光最遠(yuǎn)工作距離
明顯可見,單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)探測威力明顯高于傳統(tǒng)激光探測威力,且大氣能見度越小衰減系數(shù)越大,從而導(dǎo)致探測的威力也越小。由于海面容易形成濃霧,且探測器存在后脈沖效應(yīng),激光回路中的后向散射以及氣溶膠的湍流效應(yīng)容易造成通道阻塞,導(dǎo)致無法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測量,對(duì)測量造成較大的影響。因此必須采取措施抑制海面環(huán)境下的噪聲。
首先在回波信號(hào)光輸入端采用窄帶濾光片對(duì)回波信號(hào)雜散光進(jìn)行空間光譜濾波。其次采用可調(diào)光開關(guān)進(jìn)行時(shí)間-距離門選通。單光子探測器的回波信號(hào)只能反映目標(biāo)的有和無,無法利用回波信號(hào)的強(qiáng)弱大小來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,因此采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)回波通道的距離分布進(jìn)行分析,同時(shí)對(duì)每一幀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行累加,最后對(duì)選通門限內(nèi)的回波信號(hào)進(jìn)行回波率排名,根據(jù)回波率確定目標(biāo)的位置,流程如圖3所示。
圖3 單光子信號(hào)處理流程Fig.3 Single photon echo signal processing flow chart
課題組在青島市黃島區(qū)海岸線20 km外的孤立的靈山島進(jìn)行相關(guān)測試,單光子激光測量系統(tǒng)采用1 064 nm脈沖激光器,峰值功率為15 MW,脈沖寬度為8 ns,發(fā)射光學(xué)效率為0.8,激光發(fā)散角為0.5 mrad,接收光學(xué)天線口徑為120 mm。常規(guī)測距機(jī)的參數(shù)與之保持不變。單光子測量系統(tǒng)的接收光學(xué)天線將接收光信號(hào)耦合到光纖中,光纖經(jīng)過1 064 nm窄帶濾光片濾波,濾光片線寬1 nm。經(jīng)過濾光片的光信號(hào)輸入到單光子探測器中,接收光學(xué)效率為0.8。單光子探測器型號(hào)為SPCMAQRH14-FC,該探測器在1 064 nm中心波長的探測效率為2%。探測器輸出的電信號(hào)輸入到高速數(shù)字處理模塊, DSP通過控制ADC采樣將數(shù)據(jù)兩級(jí)緩存:將采樣后的信號(hào)輸入一級(jí)緩存,存儲(chǔ)大小為128 Mbit。數(shù)據(jù)然后進(jìn)入二級(jí)緩存(synchronous dynamic random access memory, SDRAM)大小為1.2 Gbit。DSP對(duì)SDRAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速數(shù)字濾波處理,實(shí)時(shí)解算出目標(biāo)距離信息并上傳上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖4(a)所示,圖片中左上角為光學(xué)相機(jī)(charge-coupled device, CCD)來獲取目標(biāo)圖像信息,右上為單光子接收光學(xué)天線,左下角為激光發(fā)射光學(xué)天線,右下角為常規(guī)測距接收光學(xué)天線。測試地點(diǎn)位于臨海的半山坡上,如圖4(b)所示。
圖4 單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)與測試地點(diǎn)Fig.4 Single photon laser radar system and test location
測量目標(biāo)位于測試點(diǎn)東北方向,距離測量點(diǎn)距離為40 km的樓房,通過CCD觀察并瞄準(zhǔn)目標(biāo),在11月13日當(dāng)天,相似海洋環(huán)境下分別在上午8:35與下午18:04對(duì)目標(biāo)展開測試,測試目標(biāo)的回波信號(hào)的直方圖分布結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同能見度下海岸線樓房測試結(jié)果Fig.5 Coastal building test results under different visibility
采用該單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)分別在上午8:35與下午18:04對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行測量(激光發(fā)射能量衰減10 dB)。上午太陽照射不強(qiáng)且環(huán)境溫度較低,海面濕度不高,環(huán)境溫度為14 ℃,濕度為55%,能見度約10 km;當(dāng)天下午時(shí)環(huán)境溫度較高,下午環(huán)境溫度為20 ℃,環(huán)境濕度為72%,海面被太陽照射形成較大的水霧,能見度較差,能見度約5 km。對(duì)比分析可見,視場中的氣溶膠粒子造成較強(qiáng)的后向散射,且散射強(qiáng)度呈指數(shù)衰減符合激光后向散射強(qiáng)度分析,由于下午后向散射相較上午明顯增強(qiáng),對(duì)系統(tǒng)測量影響更加嚴(yán)重。經(jīng)過后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,兩種條件下目標(biāo)回波率分別為53%與5%,較強(qiáng)的后向散射造成目標(biāo)回波率明顯降低。由此可見,在同一海域其他指標(biāo)相同的情況下,激光后向散射對(duì)激光探測影響較為嚴(yán)重。
在較好的天氣條件下,通過增加光譜濾波以及光開關(guān)時(shí)間濾波等手段,最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)53 km大山回波率高于95%的探測。而在相同海域,常規(guī)測距機(jī)最遠(yuǎn)僅能對(duì)40 km遠(yuǎn)的樓房進(jìn)行穩(wěn)定測距。單光子測量系統(tǒng)相較傳統(tǒng)測距機(jī)威力提高明顯。對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)測量時(shí),由于近處后向散射嚴(yán)重,對(duì)激光造成較為嚴(yán)重的衰減,測量指標(biāo)低于理論值分析。
通過自動(dòng)跟蹤門實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)目標(biāo)的測量。通過CCD實(shí)時(shí)跟蹤瞄準(zhǔn)海上行駛中的漁船,如圖6(a)所示,該漁船長度5 m,高度1~2 m,通過CCD實(shí)時(shí)對(duì)漁船進(jìn)行捕獲與跟蹤。圖6(b)所示為船只測量航跡,橫軸為通道采樣點(diǎn),縱軸為船只距離大小。
圖6 海面38 km距離遠(yuǎn)船只與其動(dòng)態(tài)行駛航跡Fig.6 38 km far away from the vessel and dynamic driving track
通過自動(dòng)跟蹤測量可知,該系統(tǒng)可以對(duì)海上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整視場進(jìn)行時(shí)間-距離門選通測量,該測量系統(tǒng)可以對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行自適應(yīng)處理。由于海面風(fēng)浪較大,船體在海面行駛過程中晃動(dòng)明顯,同時(shí)由于激光束散角較小,伺服系統(tǒng)在小船行駛過程中跟蹤精度有限,導(dǎo)致回波數(shù)據(jù)不連續(xù),試驗(yàn)測試結(jié)果符合預(yù)期。
根據(jù)單光子探測器的對(duì)海面目標(biāo)回波特性分析,得出如下結(jié)論。
(1)相對(duì)于傳統(tǒng)探測威力,單光子探測威力提升明顯。對(duì)比分析不同時(shí)段海面氣溶膠對(duì)系統(tǒng)測量的影響,相較于陸地環(huán)境,海面氣溶膠后向散射對(duì)系統(tǒng)影響更為嚴(yán)重。
(2)設(shè)計(jì)了適應(yīng)海洋環(huán)境目標(biāo)回波特性的光譜濾波、時(shí)間濾波,以及自適應(yīng)濾波算法且進(jìn)行初步驗(yàn)證。
(3)設(shè)計(jì)高速數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)并對(duì)單光子脈沖信號(hào)波形進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣處理,對(duì)海岸線靜止目標(biāo)與海面運(yùn)動(dòng)船只得到了良好的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。未來將開展其他平臺(tái)算法研究。