面阵激光雷达的发展现状

随着人们对机载雷达探测的数据精度以及低成本的要求越来越高，相应的点阵扫描激光雷达测量已经不能满足人们的要求，人们开始寻找测距精度更高，经济成本更低的测量系统。最近几年，国际上已经开始研究面阵激光雷达测量系统。面阵激光雷达成像系统是采用泛光或点阵方式照射到地面，然后通过APD 面阵接收器接收地面不同地物反射回去的激光脉冲信号来确定地面目标的三维坐标信息(Scott，1990)。面阵激光雷达成像系统由于是面阵式，每次处理地面上一个面的激光脚点信息，相比点阵激光雷达来说，它能够快速大面积的获取目标三维信息，且具有测量精度高、轻小型、系统结构紧凑、适合无人机平台搭载进行低空快速作业等优点，为机载激光雷达开辟了一条新的发展道路。而且，这种激光雷达无需扫描装置能并行测量代表一个面的多点距离信息，可快速的生成一幅三维图像。在信息化的今天，无论是军用还是民用方面，如对地观测、目标探测、精确制导等领域，面阵激光雷达相比单点扫描激光雷达将具有更加广阔的应用前景。

早在1990 年，美国Sandia 国家实验室的研究工作者Scott(1990)首次提出了非扫描面阵激光雷达的概念(Scott，1990)。因其可快速成像、结构小、紧凑等突出优点，国际上如美国、法国、德国等发达国家一些先进的研究机构极力开展了面阵式三维成像激光雷达的研究，它们所研究的面阵激光雷达可以分为采用雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)探测器阵列的直接测距型和增强型光电耦合成像器件(Intensified Charge Coupled Device，ICCD)探测器的间接测距型。

美国的Sandia 国家实验室是从事间接测距型非扫描面阵激光雷达研究的杰出代表，该实验室自从1990 年提出非扫描激光雷达的概念后，便开始研制面阵激光雷达，经过几年的发展，于1993 年成功研制了第一套非扫描激光三维成像雷达(Anthes et al.，1993)。该面阵雷达利用鉴相法的间接测距原理，采用激光作为照射光源，ICCD 探测器作为光电转换器件，其激光光源和探测器的像增强器增益都经由余弦波调制。该面阵雷达的分辨率为256×256，在约30m 处进行三维成像得到了15cm 的距离分辨率。1995 年该实验室的研究工作者采用方波调制的方法研制成功另一种非扫描激光雷达，对光源的利用率得到了有效提高(Muguira et al.，1995)。之后该实验室的工作人员对研制成功的非扫描激光雷达展开了一些具体的应用，特别是在太空领域的应用，如2003 年Habbit 等(2003)研究人员应用研究成功的非扫描激光雷达指导国际空间站的对接，2006 年又将他们研究的非扫描激光雷达应用在了检测航天飞机的表面(Haag et al.，2006)。

美国麻省理工学院的林肯实验室是采用APD 阵列探测器进行直接测距型面阵激光雷达研究的典型代表。早在1998 年，林肯实验室将盖革模式的APD 阵列和CMOS 数字计时电路进行了集成研究，研制出了4×4 的APD 阵列。2001 年报道，该实验室采用APD 单元间距为100μm 的4×4 APD 阵列和16 通道的外端计时电路研发成功了第一代APD 面阵激光雷达，称为GEN-Ⅰ系统，测试时采用了中心波长为0.532μm、脉冲能量为30μJ 的微片激光器作为光源。在此期间，实验的研究人员又研发了32×32 的APD 阵列并集成有计时电路，并将其用在第二代APD 面阵激光雷达即GEN-Ⅱ系统，由于该系统的阵列规模达到了32×32，有效增强了其实用性，GEN-Ⅱ系统采用钛-蓝宝石激光器，发射的激光波长为800nm，单脉冲能量为20μJ，并计划升级到150uJ。2003 年又研制成功了第三代APD面阵激光雷达系统，称为GEN-Ⅲ系统，GEN-Ⅲ系统结构紧凑，采用集成有500MHz CMOS 数字计时电路的32×32APD 阵列作为接收探测器，激光光源工作波长0.532μm，脉宽700ps，脉冲能量33μJ，脉冲频率为4 ～10kHz。2005 年，林肯实验室运用改进型的GEN-Ⅲ系统参与了Jigsaw 计划，集成有POS 系统的APD 面阵激光雷达搭载在直升机上，在150m 处对遮蔽环境下的典型军事目标进行探测，该激光雷达系统工作时发射的激光频率为16kHz，脉冲宽度为300ps。试验结果表明其水平分辨率达到了5cm，而纵向精度只有40cm(Aull et al.，1998；Albota et al.，2002a；Heinrichs et al.，2001；Brian et al.，2002；Albota et al.，2002b；Marino et al.，2003，2005)。2008 年，林肯实验室研制了工作在1064nm 的盖革模式探测器阵列，在美国NASA 项目资助下，于2011 年报道了正在研发用于太阳系外行星任务的256×256APD 阵列探测器，并制订了长期计划，将APD 阵列提升到1024×1024 的单元数(Verghese et al.，2009；Figer et al.，2011)。

美国雷神公司与林肯实验室不同，它主要研究的是人眼安全的1.5μm 峰值响应波长的APD 阵列探测器以及相应的面阵激光雷达。2000 年报道，在美国国防预研局的资助下开发了不同阵列数的APD 探测器，到2011 年开发出了线性模式的256×256APD 阵列，其单元APD 光敏面尺寸和单元间距均为60μm，量子效率大于70%，增益为20，并研制了APD 面阵激光雷达系统，可以同时获取距离信息和强度信息(Jack et al.，2011；McKeag et al.，2011)。

美国先进科学概念公司也是较早开展APD 阵列(含PIN 阵列)探测器和非扫描激光雷达系统的研究机构，其开发的APD 阵列单元数达到了128×128 的规模，阵列探测器的峰值响应波长属于人眼安全波段，试验时采用的激光光源中心波长为1570nm，单脉冲能量最大达到了45mJ，在飞行测试系统中集成了GPS 和惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)(Stettner et al.，2005)。(www.xing528.com)

2010 年，普林斯顿光波公司公开了所研制的32×32 和32×128 的单光子APD 阵列，它们的单元APD 光敏面分别为100μm、50μm，在APD 阵列前端放置了提高填充因子的微透镜阵列，探测器响应波长从920nm 到含人眼安全激光波长区的1670nm 比较宽广的范围(Itzler et al.，2010，2011)。

2011 年，法国研究机构CEA-LETI，在其国防部基金的资助下利用自制的APD 阵列研发了三维面阵激光雷达，其研发的APD 阵列工作在6V 的偏压条件下，增益为23，单元数为320×256，APD 间距为30μm。在试验时，采用中心波长为1570nm、脉宽8ns、峰值功率为1MW 的激光器作为光源，30m 的场景深度下垂直分辨率达到15cm，最终获得了高质量的三维图像(Borniol et al.，2011)。

德国第一传感器公司也开展了APD 阵列探测器的研究，主要有5×5APD 阵列和8×8APD 阵列两种规模的探测器，峰值响应波长在880nm 左右(First sensor Inc.，2011)，但是对于面阵激光雷达系统的研究没有报道。

在国内，光电探测材料和工艺水平等支撑基础比较薄弱，加之国外对我国高性能面阵探测器产品的禁售，目前主要是基于单点扫描激光雷达的研究，而在面阵激光雷达领域的研究还是处于起步阶段，进展相对缓慢。从公开的资料显示，主要是采用ICCD 探测器开展了非扫描激光三维成像技术的研究，而基于APD 阵列的面阵激光雷达的研究极少。浙江大学严惠民团队采用ICCD 面阵探测器对非扫描激光雷达做了比较多的研究(姜燕冰，2009；姚金良，2010；周琴，2012；严惠民等，2013)，2013 年报道了所研制的面阵激光雷达在400m 处的测距精度为0.6m。2010 年，中国科学院上海技术物理研究所对其研制的3×3 光纤阵列耦合APDs 的激光雷达进行了室外试验，应用了扫描系统，使用波长为532nm、半峰脉宽为0.6ns 的激光器作为光源(Guo et al.，2010)。北京航空航天大学主要做了APD 阵列激光雷达相关的理论和仿真方面的研究，2011 年在Matlab 中用33μJ 的激光器和32×32APD 阵列对一个锥型目标进行了仿真实验，并用330μJ 的激光器和128×128的APD 阵列对典型军事目标进行了仿真实验，且分别仿真出来了三维图像(吴丽娟等，2011)，但是仿真实验与实际研制成功面阵激光雷达还有一定的距离。