单光子激光测距还可以这样玩

激光器的出现,改变了传统的测距方式。激光在大气中传播发散角小,且能量集中,抗干扰性强,因此利用激光可以实现更远距离且精度较高的测距。
根据测距原理分类,激光测距主要包括以下三种方法:飞行时间法(TOF)、干涉法和三角法。三种测距方法由于测距原理不同,导致测距性能各不相同,如测量距离、精度等。飞行时间法通常用于远距离测距,测量距离在20 km以上,三角法和干涉法多用于近距离测距,由于干涉法的测距精度高,多用于精密仪器的检测。
近年来随着激光器、探测器以及相关电子学的发展,激光测距又衍生出一种新的测距方式,即单光子激光测距法。单光子激光测距系统中光子探测器可以对光子进行响应,进而实现更远距离的测量。目前,单光子激光测距技术发展迅速,在工业生产与日常生活中占有重要地位。

1单光子激光测距关键技术

01时间相关光子计数法

由于光子探测器的灵敏度很高,需要在低背景噪声环境下才能通过光子计数法进行激光测距,然后对回波光子进行计数。
20世纪末,人们开展了关于时间相关的光子计数法的研究,充分利用目标光子的相关特性,有效地将混杂在噪声中的目标回波光子提取出来。最初是使用时间振幅转换器(TAC),将采集的时间转换为电压幅值,然后将此信息进行处理获取目标距离值。随着科技的进步,时间数字转换器(TDC)的出现进一步推进了单光子测距的发展。目前,主要有峰值法、质心法以及深度学习法三种方法处理回波光子累积直方图并提取目标的位置信息。
为探究荧光材料的寿命,科学家设计的光子计数技术在测距领域逐渐得到广泛的应用。基于单光子探测器和皮秒脉冲激光器的高分辨率激光测距系统,对遥感领域的发展有重要意义;基于时间相关光子计数法的扫描式激光测距系统,实现了地形目标和浅海水深度的测量;厘米量级的高分辨率的激光测距及成像系统实现了在白天的较大动态范围的测量,可以准确提取目标的特征信息,但是该系统的信息扫描采集速度慢。2020年,基于飞行时间法和时间相关光子计数累积处理回波数据方法的远程单光子探测系统被研制出来,有效解决了测距中存在模糊距离的问题,大大增加了测量距离。

02飞行时间法

单光子激光测距主要是通过飞行时间法对目标进行测距,即通过激光器发射激光,激光照射到目标之后,目标将激光漫反射回来,通过光学接收系统将反射信号接收到探测器靶面。通过测距系统的计时模块可以记录激光出射产生起始信号的时间,以及接收到目标反射回波产生终止信号的时间。飞行时间法主要通过激光器、光学发射系统、光学接收系统、探测系统和信号处理系统实现,如图1所示。
单光子激光测距系统示意图
图1 单光子激光测距系统示意图
传统飞行时间法激光测距主要是通过激光器发射连续的激光,在照射到目标之后,通过接收回波并计算激光在目标与探测器之间的传播时间,但是激光在空气中受到大气的扰动,导致激光衰减太快,所以测量距离越远所需要的激光发射的能量就越大;同时,大功率激光器的体积和重量都比较大,因此很多领域大功率连续激光测距系统的应用会受到限制
单光子飞行时间法激光测距系统采用了高频窄线宽脉冲激光器,结合时间相关光子计数方法,可以有效提高光子利用效率,且高频脉冲激光器的体积、重量远小于连续大能量激光器。因此单光子激光测距系统可以广泛应用于机载和星载等平台
随着飞行时间技术的发展,基于飞行时间法的单脉冲测距技术日益成熟,但是单脉冲测距系统的测程很短,只有数百米,且测量误差较大。北京石油化工学院光机电装备技术北京市重点实验室黄民双提出一种在特定距离下的误差计算方法,并通过最小二乘法拟合出误差补偿曲线,实现了对飞行时间法的单脉冲测距方法的误差补偿,提高了系统的测距精度。

2单光子探测器的类型

光子探测器作为单光子激光测距系统的核心,在单光子激光测距系统中,激光器发射脉冲激光经过往返于目标与激光器之间的大气衰减,回波能量微弱,为了能实现对单个光子的探测,以波长为1064 nm的激光为例,单个光子的能量为1.86×10-19 J,因此探测器需要很大的增益,并且噪声小。
目前可以实现光子探测的探测器主要包括以下三种:盖格模式雪崩二极管(Gm-APD)、光电倍增管(PMT)以及超导纳米线单光子探测器(SNSPD)。

01光电倍增管

光电倍增管的工作原理如图2所示。光电倍增管作为最早的光电探测器,其特点主要是增益很大,响应灵敏。但是,随着光电倍增管应用领域要求的提高,光电倍增管正逐渐朝着小型化和集成化方向发展。得益于光电倍增管制作工艺的发展与进步,光电倍增管的价格在逐渐降低,同时光电倍增管的性能也在不断提高,如受噪声的影响在不断降低、光电倍增管的稳定性的提高、受振动干扰的问题在不断优化等。
PMT工作原理图
图2 PMT工作原理图

02盖格模式雪崩二极管

盖格模式雪崩二极管(Gm-APD)主要是通过利用P-N结中载流子的碰撞进而使载流子产生雪崩效应。Gm-APD的工作原理如图3所示。
 Gm-APD工作原理图
图3 Gm-APD工作原理图
受材料特性的影响,选用不同倍增材料的探测器,其探测性能也各不相同,对于不同波段的探测效率会存在很大差异。目前市场上常见的两种APD是硅基雪崩二极管(Si-APD)和铟镓砷/铟磷雪崩二极管(InGaAs/InP-APD),分别是以硅和铟镓砷/铟磷作为倍增材料的探测器。
随着硅基雪崩二极管的普及,其开始逐渐应用于工业生产以及科学研究等领域。在2009年,德国公司研制出了Si-APD阵列式探测器,阵列式光子探测器的研制使得单光子激光测距的应用领域更加广泛,但是其击穿电压较高。我国的半导体产业起步较晚,但是仍取得令人瞩目的成果。2015年,哈尔滨工业大学团队设计了紫外增透型Si-APD探测器,主要用于对紫外光子的探测。2019年,厦门大学研究小组实现了低击穿电压的Si-APD,并可以对近红外波段实现有效探测。

03超导纳米线单光子探测器

近年来随着超导材料研究的不断深入,越来越多超导特性材料广泛应用于科学研究,而超导纳米线单光子探测器就是其中之一,工作原理图如图4所示。
SNSPD工作原理图
图4 SNSPD工作原理图
自2001年Gol'tsma等首次研制超导纳米线单光子探测器起,国外研究人员陆续研制出了基NbN的超导纳米线单光子探测器、超窄NbN纳米线单光子探测器。国内对超导纳米线光子探测器的研究发展迅速,主要是南京大学与中国科学院上海微系统与信息技术研究所对相关内容进行研究。2017年,中国科学院上海微系统与信息技术研究所基于NbN研制的SNSPD实现了对1.55 m波长的光子52.5%的探测效率。
超导纳米线单光子作为新兴的光子探测器,其优势明显,该探测器死时间极短,暗计数很小,用于单光子测距可以忽略。但是SNSPD的工作温度在2.5K左右,严格的温度要求限制了超导纳米线单光子探测器的应用。近年来,超导纳米线单光子探测器主要在激光测距领域用于地对空的探测以及量子通信等领域。

3广泛的应用领域

激光在大气中传播稳定,受干扰较小,而且光的传播速度快,因此可以实现远距离、快速测距,结合TDC可以实现高分辨率测量,这些特点使得单光子激光测距的应用领域很广泛。

01航空平台单光子激光测距系统

航空平台搭载单光子激光测距系统可以根据航空平台的类型分为:机载单光子激光测距系统和星载单光子激光测距系统。
对于机载平台,2017年,美国航空航天局利用掺铒光纤激光器和光子计数探测器,在机载平台下完成在3~13 km范围内环境中二氧化碳排放量的测量。同年,国内学者王天顺等研制了适用于机载的单光子远程激光测距系统,该系统可以实现百千米测距,且测距精度达到2 m。
星载方面的单光子激光测距国外发展较早,美国在相关领域已有数十年的研究历史。1998年,j.s.massa、g.s.buller等人首次研制出基于光子计数技术(时间相关单光子计数技术)的激光测距仪器。目前,星载激光高度计已经广泛应用于地球地形地貌的研究领域,但是传统的单点激光高度计测量速度慢,无法快速采集数据,而且传统的线性探测方式需要高能量激光器,在星载条件下能耗较大。2017年,华东师范大学研究团队研制了多光束大阵列探测器的光子计数成像系统,有效消除了传统星载高度计的弊端。2017年美国航空航天局发射的ICESat-2用532 nm的激光测高仪,配合单光子探测器完成了对冰川、冰盖高度的变化,陆地和植被高度、海平面高度等地貌特性信息的测量。

02单光子成像

自时间相关的光子计数激光测距仪诞生以来,光子计数激光测距系统时间分辨率可达到皮秒量级。国内的光子成像技术的发展越来越迅速。
2011年,中国科学院上海技术物理研究所在单点激光测距的基础上,研制了基于光子计数三维成像激光雷达系统。2020年,中国科学技术大学利用超导纳米线单光子探测器实现了对45 km远距离的3D成像实验。利用少数单光子实现远距离成像代表着基于单光子测距系统的低功耗、高分辨成像系统的进步。
利用单光子激光测距系统对目标进行3D成像技术的发展越来越迅速,该系统的发展趋势主要是:
  • 采用高重复频率、超窄脉宽和高能量激光器;
  • 对大量回波数据实现快速采集以及处理;
  • 在复杂环境下对目标进行成像,如在白天进行成像,在强背景噪声中提取目标信号以及对运动目标的成像等。

03地面对空间碎片及卫星测距

近年来,我国航天事业取得丰硕的成果,主要是针对月球的探索。随着太空中飞行器和太空碎片的不断增加,精确探测太空中飞行器以及太空碎片的位置对于成功发射卫星有着重要意义。
目前,空间探测面临着以下难题:
首先,月球距离地球380000 km,地面激光照射进入太空后,经过大气的衰减等影响,漫反射回波光子数量极少,少数回波光子被淹没于噪声中,造成目标光子的接收提取困难。
其次,由于太空中的探测目标的影响,即探测目标的运动状态、运动姿态以及目标的反射等未知因素的影响,增加了地面对太空目标的探测难度。
我国科学家针对上述难点展开了研究,通过利用SNSPD高灵敏度单光子探测器结合门控电路实现了对空间碎片的高精度探测。2020年,中国科学院云南天文台张海涛等利用阵列式超导纳米线光子探测器对轨道高度为1000 km、面积为0.045 m2的小目标进行了准确探测。实验中采用了脉宽为5.7 ns、能量为70~150 W的脉冲激光器。

结 语

随着科学技术的快速发展,激光测距的发展迅速且技术日新月异,作为新兴的激光测距方法,单光子激光测距技术已经广泛应用于机载远距离激光测距、单光子激光成像、星载单光子激光测距和地基对太空碎片探测等领域,并且取得丰硕成果。目前,单光子激光测距仍然有很大的发展前景。单光子激光测距系统的优化主要是针对激光器和单光子探测器的性能优化。
单光子激光测距要实现远距离的传播,就需要考虑大气对激光传输的影响,所以激光器波长选择在大气传输窗口,现在常用的激光器是Nd:YAG激光器出射532 nm的激光,以及经过Nd:YAG激光器倍频后波长为1064 nm的激光器。但是这两个波长会对人眼产生损伤,未来需将人眼安全波段的激光用于探测,即波长在1.5 μm以上。同时,目前激光器的出射光多为窄线宽高频脉冲激光,且脉冲激光的脉宽已经实现皮秒量级,因此未来单光子激光测距系统使用的激光器的发展方向将趋于1.5 μm以上波长的体积小、重量轻、窄线宽和高重复频率的特点。

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