單光子三維探測技術因為在微弱信號目標的光學探測方面的獨特優勢，在空間目標探測、空中目標偵查、遠距離預警探測等方面有重要應用，近年來獲得了廣泛關注。對主動掃描成像的單光子探測系統，為擴展作用距離和提高掃描速度，接收口徑和接收視場角不斷增大；但對高集成的蓋革模式雪崩光電二極管（Gm-APD）型的單光子探測器，大接收口徑和大接收視場帶來背景噪聲光子數量的增大，這會導致探測器頻繁進入死區，給掃描圖像帶來大量盲點。為抑制死區時間對Gm-APD型單光子探測系統的影響，研究人員開始探索基于分集接收的單光子探測系統。
據麥姆斯咨詢報道，中國電子科技集團公司第54研究所的科研團隊提出利用多鏡頭分集接收和聯合單光子信息處理，實現對單光子探測器死區時間抑制，進而有效提高系統探測概率，降低掃描圖像的盲點數量，并通過仿真證明和試驗系統進行驗證。相關研究內容以“基于分集接收的單光子探測技術”為題發表在《計算機測量與控制》期刊上。
單光子探測原理
單光子探測器由利用工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管和光子計數器組成。其中，雪崩光電二極管的作用是將光信號轉化為電信號，由于對其施加了反向偏置電壓，當有光射入探測器時，二極管發生雪崩倍增。在蓋革模式下，二極管偏置電壓高于擊穿電壓，因此，雪崩光電二極管始終處于擊穿狀態，從而對信號進行無限大的放大，實現單個光子的射入也會引發雪崩效應，進而出現電流脈沖，為單光子探測技術提供探測基礎。在單光子探測器工作過程中，對探測能力存在影響的因素主要包括：暗計數、死區時間、泊松統計噪聲和脈沖堆積效應。
單光子探測技術
單光子探測技術累積過程
在單光子探測技術應用過程中，探測器回波信號如圖1所示，其中黑色脈沖為目標回波信號，白色脈沖為干擾信號，可以看出，從一個探測周期內無法將目標脈沖所含信息從全部脈沖序列中有效剝離出來。因此，在探測工作中，需要對多個周期信號進行累計處理，獲取探測結果。從圖2中可以看出，多次累積的方法可以將信號光從噪聲中提取出來，但是仍然需要確定累積次數、門限時間等條件。
圖1 一個探測周期內探測器回波信號示意圖
圖2 多個周期累積結果示意圖
單光子探測技術工作情況分類
在單光子探測計數工作過程中根據激光脈沖寬度與計時時鐘分辨率大小的關系，可以分成兩種情況：窄脈沖累積探測和寬脈沖累積探測。當激光脈沖寬度小于計時時鐘分辨率，或者兩者相等的情況下，信號光子計數分布圖分布在少數的子區間內，稱之為窄脈沖累積探測，如圖3所示。當激光脈沖寬度遠大于計時時鐘分辨率時，信號光子計數分布圖分布在很多子區間內，稱之為寬脈沖累積探測，如圖4所示。
圖3 窄脈沖探測累積檢測示意圖
圖4 暗計數率
該研究中單光子探測系統采用窄脈沖探測體制，激光脈沖寬度小于時鐘分辨率。
單光子探測技術累積概率模型
一般的光子探測而言，經漫散射目標作用的回波信號服從負二項分布，當回波信號非常小的時候，二項分布可以很好地近似為泊松分布。這對于主要用于微弱信號探測的光子探測非常容易滿足，所以采用泊松分布來描述單光子探測器光子信號響應模型。
單光子探測分集接收設計方法、仿真測試和實驗驗證
單光子探測分集接收設計方法
該研究方案設計中的視場角設計為1 mrad，理想情況下，隨著鏡頭口徑增加，噪聲光子和回波光子同比例增加。但是在實際應用過程中大口徑鏡頭的加工誤差控制和雜散光抑制難度更大，背景噪聲更高。為抑制高背景噪聲條件下死區時間對接收系統的影響，該設計中采用了分集接收方案，利用多個口徑完全一致的接收鏡頭等效替代一個接收面積相同、視場相等的大口徑接收鏡頭采集光回波信號。圖5展示了一種可行的分集接收鏡頭排布方式，如圖所示，分集接收系統中各鏡頭圍繞同一圓心均勻分布，各鏡頭中心距公用圓心距離為R。
圖5 分集接收鏡頭設計原理圖
在采用飛行時間法測量目標位置的探測系統中，由于信號回波時間具有相關性，在后續累積處理過程中，信號光子數在時間軸的固定位置上不斷累積，而背景噪聲光子具有隨機性，噪聲光子數在時間軸的隨機位置出現。分集接收方案使得系統在背景噪聲光子數總量相同的情況下，多個探測器同時進入死區時間，進而系統徹底致盲的概率大大下降。
仿真測試
針對以上理論分析，首先進行了仿真分析驗證，仿真工具選擇MathWorks MATLAB R2018b軟件，仿真條件分為噪聲環境較好和噪聲環境較惡劣兩種。仿真流程如圖6所示。掃描成像仿真中，探測圖像如圖7所示。
圖6 分集接收仿真示意圖
圖7 分集接收掃描成像仿真示意圖
在相同接收口徑條件下，無論是小背景噪聲條件還是大背景噪聲條件，分集接收可以提升系統的監測概率，并降低虛警概率。大背景噪聲條件下，分集接收的優勢更為明顯。
實驗驗證
為了驗證分集接收對抑制死區時間影響的有效性，搭建了原理樣機，并通過對遠距離目標掃描成像進行試驗驗證，實驗裝置如圖８所示，包括轉臺、發射鏡頭、接收鏡頭以及信號處理模塊和上位機，實驗裝置采用自研設備。
圖8 實驗裝置示意圖
圖9（a）為待探測目標相機攝像照片；圖9（b）顯示了第一次成像的結果，第一次成像接收鏡頭采用了單個7.07 cm鏡頭；圖9（c）顯示了第二次成像的結果，第二次成像的接收采用了2個5 cm鏡頭分集接收。單個7.07 cm鏡頭和2個5 cm鏡頭，在接收鏡頭面積上是等效的。在實驗過程中，兩次成像的時間間隔相差5 min，外部環境的變化可以忽略，發射鏡頭參數不變。圖9（b）和圖9（c）的圖像中，不同顏色代表了不同的目標距離。除天空區域外，圖像中的白色噪點為探測盲點。造成盲點的主要原因，為單光子探測器進入死區時間。對比圖9（b）和圖9（c），可以看出，在分集接收的模式下，圖像中的盲點數量明顯少于傳統單個鏡頭模式。根據數據統計結果，圖9（b）盲點數目約為圖9（c）的7倍。可以得出結論，在同等條件下，采用分集接收時，比等效的單個鏡頭，能夠明顯降低圖像盲點數量，提高對目標的探測概率。
圖9 掃描成像實驗結果比對
結束語
采用Gm-APD的單光子探測系統，由于可以跨數量級的提升探測靈敏度，并具備體積小、可常溫工作、時間分辨率高等優勢，被越來越多地應用于激光三維成像系統。但Gm-APD自身雪崩效應帶來的探測器死區時間，會降低系統的探測概率，并造成圖像盲點。該研究探索了如何在現有器件水平的條件下，通過合理的系統和光機設計，抑制死區時間對系統的不良影響。通過仿真和實驗表明，采用多鏡頭分集接收和聯合信息處理，可以有效提升系統探測概率，對由于死區時間限制所導致的成像盲點具有明顯抑制效果，對單光子探測三維成像的圖像完整性具有十分重要的意義。該研究所采用的方法，可以廣泛應用于空間目標探測、遠距離微弱目標預警等激光探測系統。
DOI: 10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2023.12.015
