陈勇强, 贺岩, 罗远, 周亮, 常鑫, 刘芳华, 焦崇淼, 郭守川, 黄宜帆, 陈卫标. 基于盖革APD阵列脉冲式三维成像激光雷达系统[J]. 中国激光, 2023, 50(2): 0210001

封面解读

       封面呈现了基于64×64盖革APD焦平面阵列的单光子成像激光雷达的工作原理。各个像元独立探测目标回波信号，同时精确测定信号飞行时间值，从而实现单次脉冲发射下多个目标点的获取。系统搭载在车载平台开展了城市区域的测绘应用，成功获取了测量区域高点密度三维点云结果，为高速运动车载平台实现高分辨率地形测绘提供了新的技术手段。

1.研究背景

       激光雷达技术作为一种主动光电探测手段，已被广泛于目标识别、大气环境遥感、海陆地形测绘及自动驾驶等领域。目前国际上已研制出多种探测模式的激光雷达系统，包括数字化全波形、离散点云及光子计数激光雷达系统。

       其中，光子计数激光雷达系统通常采用单个单光子探测器来探测微弱回波光子，具有探测距离远等优势，但需要采用单点逐像素扫描的方式来实现三维成像，成像速度较慢，不适用于移动平台成像应用。

       而基于盖革模式APD阵列的激光雷达系统各个像元可以独立准确记录回波光子到达的时间，单次脉冲下可获得多个目标点的三维信息。系统体积小、功耗低、集成度较高、可实现快速三维成像，能够更好满足车载高速移动平台高分辨率地形测绘的应用需求。

2.创新工作

       中国科学院上海光学精密机械研究所贺岩研究员团队联合中国电波传播研究所共同研制了一套基于国内自研 64×64 InGaAs Gm-APD 阵列探测器的小型化激光雷达系统样机。采用了阵列三维成像和一维机械扫描相结合的技术路线，实现车载快速移动平台的高分辨率三维成像。

       为了评估系统探测性能指导系统设计工作，建立了单光子阵列探测激光雷达系统仿真模型，综合考虑系统参数、目标几何参数、光子事件响应及环境背景噪声影响等。所设计的雷达系统主要分成以下五个模块：光纤激光器模块、阵列探测器模块、发射接收光学模块、扫描模块以及总控模块（图1）。

图1系统框图组成

       系统要搭载于车辆平台必须考虑其整体的体积、尺寸及功耗。为减小整机的功耗和体积，系统采用了高灵敏度的单光子探测器检测光子信号，从而能够以较小的激光脉冲能量及小的接收口径面积实现远距离目标的探测。收发光路采用同轴设计，接收光路中利用 45°反射镜进行光路转折，以使整体结构排布更加紧凑，进一步实现系统的小型化和轻量化（图2）。

图2 激光雷达系统整体视图

       为了评估系统探测性能，开展了静、动态性能验证实验。静态实验时，对 100 m处平面目标扫描成像，其平面测量精度为 0.12 m。动态车载实验时，将雷达样机、全景相机以及位姿测量系统整体安装至车载平台车顶，对行驶路径范围内目标进行三维成像。实验搭载平台、载荷安装及实验区域如图3所示。

图3 车载成像实验搭载平台、载荷安装及实验路线区域示意

       实验过程中车辆以60 km/h的移动速度开展地形测绘，实验历时约150 s, 成功获得了青岛白沙河特大桥周边沿江约1.5 km2目标区域的高分辨率三维点云， 实际测绘效率约为36 km2/h，平均测量点密度为 13454 pts/m2（图4）。

图4 青岛白沙河特大桥周边区域目标三维点云

       局部高分辨率三维图像中可清晰分辨出1大4小共5个半圆形沿江市民活动区、整齐分布景观树木、路旁荒地以及防潮堤坝等特征目标（图5）。

图5 局部自然景观高分辨率点云及谷歌地图对照

3.结论与展望

       实验表明，团队所设计的国产 Gm-APD 阵列激光雷达系统成像性能良好，可实现动平台高分辨率三维成像，为高速运动车载平台实现高分辨率地形测绘提供了新技术手段。未来将进一步实现系统的小型化和轻量化，以便搭载于小型无人机 UAV 平台，对车辆平台难以抵达的复杂地形区域开展空中对地快速三维成像。

课题组简介

       中科院上海光机所激光雷达课题组依托于中科院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，实验室主任陈卫标研究员，瞄准空间、大气和海洋领域的激光遥感和通信前沿技术和应用技术研究，主要研究方向有激光器、激光雷达、激光成像、光纤传感、激光通信和时频传递。

       课题组围绕多光谱高分辨对地观测、远距离目标探测等国家重大应用需求，先后承担和完成了多项国家863计划主题项目、国家重大科学仪器设备开发专项、国家自然科学基金、国防类项目等，在远距离目标探测、机载海陆激光探测、水下蓝绿激光通信、水下三维成像等方向开展了系统性研究，研究进展一直处于国际前沿水平。

通信作者简介

        贺岩，中科院上海光机所研究员，光学工程博士，主要从事激光雷达系统和应用研究。曾主持和承担国家863计划，重点研发、中科院等省部级研究项目十余项，在激光三维成像技术和机载激光测深技术方面取得重要技术和应用突破，获得上海市技术发明奖1项，参与编写国家标准1项，发表论文40余篇，授权发明专利10余项。

科学编辑 |陈勇强

编辑 |沈灵灵

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