據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院劉克富教授課題組開發(fā)了一套基于2×6 VCSEL陣列和32×32 MPPC陣列圖像傳感器的激光成像樣機(jī)，完成了距離標(biāo)定，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。該系統(tǒng)的幀頻可達(dá)10kHz，120m范圍內(nèi)的探測(cè)概率可達(dá)86.23%，在不同反射率下的最大漂移誤差約為0.6m。在70m左右的距離能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的3D成像，水平空間分辨率小于5cm。通過計(jì)算直方圖質(zhì)心，十次拍攝(車牌)的平均測(cè)距精度在10cm以內(nèi)。通過時(shí)間門控方法(time-gating method)可以提高探測(cè)概率。經(jīng)過多次測(cè)量，在陽光下能夠?qū)崿F(xiàn)120m透窗激光成像。

激光成像系統(tǒng)模塊圖

激光雷達(dá)(LiDAR)是一種3D成像技術(shù)，廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、汽車、機(jī)器視覺、航天器導(dǎo)航和著陸等許多領(lǐng)域。泛光照明方案是一種使用非掃描激光成像方法的閃光式激光雷達(dá)(Flash LiDAR)，可以獲取目標(biāo)場(chǎng)景的3D圖像(關(guān)鍵輸出內(nèi)容)。Flash LiDAR成像原理類似于閃光式相機(jī)，即通過測(cè)量激光到目標(biāo)表面每個(gè)像素的飛行時(shí)間來重建3D空間中的目標(biāo)圖像，激光陣列發(fā)射以在短時(shí)間內(nèi)照亮整個(gè)視場(chǎng)，然后高靈敏度陣列探測(cè)器收集回波信號(hào)以構(gòu)建3D圖像。該成像技術(shù)具有成像速度快、體積小的優(yōu)點(diǎn)，其圖像分辨率取決于探測(cè)器的像素總數(shù)，橫向分辨率取決于相鄰像素的間距。

2013年，Niclass開發(fā)了一種具有32像素的數(shù)字多像素光子計(jì)數(shù)器(digital multi-pixel photon counter，MPPC)陣列，每個(gè)像素由6×2單光子雪崩二極管(single photon avalanche diode， SPAD)組成，這是第一個(gè)專門為LiDAR應(yīng)用設(shè)計(jì)的具有背景魯棒性的陣列。通過1D掃描，其實(shí)現(xiàn)了340×90的圖像分辨率、170°×4.5°的視場(chǎng)(FoV)、0.5°×0.05°的角分辨率和10Hz的幀頻。

2017年，Perenzoni設(shè)計(jì)了一款基于64?×?64 2D陣列MPPC探測(cè)器(每個(gè)像素包含8個(gè)SPAD)的閃光式成像LiDAR，其最大成像距離為367m，測(cè)量精度為20cm，幀頻為7.7Hz。

2019年，Hutchings設(shè)計(jì)了一種256×256 SPAD陣列，可以在光子計(jì)數(shù)模式下工作，每個(gè)像素包含4×4 SPAD，其實(shí)現(xiàn)了50m的最大探測(cè)距離、1.2°×1.2°的FoV、0.02°×0.02°的角分辨率和30Hz的幀頻。

2020年，Seo使用63通道線陣MPPC探測(cè)器(每個(gè)像素包含4個(gè)SPAD)設(shè)計(jì)了一種最大探測(cè)距離為48m、探測(cè)精度為0.85cm、視場(chǎng)角為120°的1D掃描激光雷達(dá)，其角分辨率為0.05°×0.2°，圖像分辨率高達(dá)2200×36，幀頻為1.18Hz。

2021，Padmanabhan設(shè)計(jì)了一種256×128 SPAD陣列，可以在光子計(jì)數(shù)模式下工作，形成一種16×16 SPAD陣列，其探測(cè)距離為10m，視場(chǎng)角為2°×2°，角分辨率為0.16°×0.16°，最大圖像分辨率可達(dá)128×12。

2021年，Kumagai設(shè)計(jì)了一種183×600 SPAD陣列，可以在3×4或4×4聚合模式下工作，探測(cè)距離高達(dá)300m，精度為30cm，視場(chǎng)為25.2°× 9.45°，角分辨率為0.15°×0.15°，圖像分辨率最高可達(dá)168×63。其在行場(chǎng)掃描模式下工作，一次掃描一行，幀頻為20Hz。

理論上，與單點(diǎn)激光測(cè)距系統(tǒng)相比，F(xiàn)lash LiDAR激光發(fā)射能量需要增加數(shù)倍來補(bǔ)償。因?yàn)檫@種方案在像素之間的無效區(qū)域中存在不必要的激光能量損耗，可以稱為“野蠻”方案。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離3D成像，解決回波功率密度低的問題，復(fù)旦大學(xué)的研究人員從三個(gè)方面給出了提高探測(cè)概率和探測(cè)精度的方法。

首先，通過減小視場(chǎng)角，使激光發(fā)射聚焦在較小的區(qū)域，以便激光脈沖在相同功率下可以傳輸?shù)酶h(yuǎn)。通過改變焦距，激光雷達(dá)可以適應(yīng)不同的探測(cè)范圍。

其次，激光收發(fā)器采用垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列和MPPC陣列，以組成一種收發(fā)器陣列，既增加了發(fā)射功率，又增加了接收面積，因此可以在距離較遠(yuǎn)和回波信號(hào)較弱的情況下探測(cè)光子。

最后，采用時(shí)間門控方法進(jìn)一步抑制背景輻射的影響，從而最大限度地利用每次發(fā)射的激光功率，并在信號(hào)統(tǒng)計(jì)處理后延長激光探測(cè)距離。

研究人員采用的是由12個(gè)VCSEL芯片組成的2×6 VCSEL陣列模塊。每個(gè)芯片中有110個(gè)發(fā)射孔，因此發(fā)射孔總數(shù)為1320個(gè)。經(jīng)透鏡均勻化后，輸出光束形狀接近正方形。

(a)VCSEL陣列模塊;(b)VCSEL驅(qū)動(dòng)電路示意圖

MPPC陣列探測(cè)器采用日本濱松(Hamamatsu)產(chǎn)品，型號(hào)為S15013-0125NP-01，由32×32通道MPPC組成，每個(gè)MPPC包含12個(gè)SPAD，每個(gè)通道分別與時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)電路集成，分辨率為312.5ps。

(a)MPPC陣列及其評(píng)估電路;(b)評(píng)估板連接框圖

這項(xiàng)研究采用帶940nm窄帶濾光片(FWHM?=?10nm)的同軸光收發(fā)器。該收發(fā)器中的透鏡焦距可調(diào)，最大焦距達(dá)120mm，光學(xué)孔徑為46mm。由于32×32 MPPC陣列的感光面積約為4mm×4mm，根據(jù)幾何光學(xué)的基本原理，該成像系統(tǒng)在120m處的探測(cè)面積約為4m。

研究人員從以下六個(gè)方面對(duì)激光成像系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究：

1、動(dòng)態(tài)閾值對(duì)探測(cè)概率的影響

2、激光強(qiáng)度對(duì)激光成像的影響

3、回波激光強(qiáng)度對(duì)探測(cè)概率的影響

4、目標(biāo)反射率對(duì)漂移誤差的影響

5、無時(shí)間門控的車輛激光成像

6、強(qiáng)背景光下的時(shí)間門控激光成像

不同激光強(qiáng)度下TDC數(shù)據(jù)的偽彩色顯示

相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該激光成像系統(tǒng)的幀頻可以達(dá)到10kHz，通過將閾值設(shè)置為1p.e，120m距離的探測(cè)概率可以達(dá)到86.23%，在衰減比為1000×的情況下，探測(cè)概率下降到1.40%。由于多次發(fā)射激光可以提高探測(cè)能力，因此計(jì)算出系統(tǒng)的探測(cè)范圍可以達(dá)到1km，探測(cè)概率不低于1%，對(duì)于10kHz的激光重復(fù)頻率，幀頻可以達(dá)到100Hz。在不同反射率下，激光成像系統(tǒng)的漂移誤差在0.6m以內(nèi)。漂移誤差主要受激光脈沖寬度和光強(qiáng)的影響，進(jìn)一步減小激光脈沖寬度和增加激光輸出功率將有助于減少漂移誤差。在70m左右距離能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的3D成像，水平空間分辨率小于5cm，通過計(jì)算直方圖的質(zhì)心，十次拍攝(車牌)的平均測(cè)距精度在10cm以內(nèi)。使用時(shí)間門控方法可以提高探測(cè)概率。經(jīng)過多次測(cè)量，在陽光下能夠?qū)崿F(xiàn)120m的透窗激光成像。

(a)漂移誤差實(shí)驗(yàn)平臺(tái);(b)TDC數(shù)據(jù)的偽彩色顯示

(a)近距離車輛CMOS攝像機(jī)成像;(b)TDC數(shù)據(jù)的偽彩色顯示

該激光成像系統(tǒng)具有體積小、重量輕、探測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可用于自動(dòng)駕駛儀和航天器飛行控制領(lǐng)域。其高速和高靈敏度的特性還可以進(jìn)一步開發(fā)其他潛在應(yīng)用，這將有助于促進(jìn)該技術(shù)的不斷發(fā)展。

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審核編輯：湯梓紅