近期，合肥固達(dá)科技(GUDATEK)與復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院劉克富教授課題組聯(lián)合開發(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L(zhǎng)iDAR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(zhǎng)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
（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
論文地址：
https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-13-23734&id=477000
https://www.mdpi.com/2304-6732/9/1/24/htm