國外空間目標激光三維成像雷達關鍵技術分析

宋一鑠, 杜小平, 曾朝陽

(1.裝備學院研究生管理大隊,北京101416; 2.裝備學院航天指揮系,北京101416; 3.裝備學院光電裝備系,北京101416)

國外空間目標激光三維成像雷達關鍵技術分析

宋一鑠1, 杜小平2, 曾朝陽3

(1.裝備學院研究生管理大隊,北京101416; 2.裝備學院航天指揮系,北京101416; 3.裝備學院光電裝備系,北京101416)

激光三維成像雷達可同時獲得目標的灰度像和距離像,是完成空間目標識別、交會對接和在軌服務等任務的關鍵測量設備之一。在研究其基本原理、系統組成和關鍵性能的基礎上,對不同體制激光三維成像雷達的關鍵技術實現途徑進行了分析與比較,并總結了制約其在空間中應用的技術瓶頸。

激光三維成像雷達;空間目標;探測原理;技術實現途徑

在空間目標識別、交會對接和在軌服務等任務中,目標的相對距離、速度和相對姿態信息可以通過解算空間目標上特征點的空間坐標獲得[1]。

對于空間非合作目標,由于目標上安裝的GPS接收機可能失效或非合作,因此1 km以遠距離的非合作目標主要依靠地面雷達進行測量,輔助測量設備為激光測距儀[2];在1 km以內至1 m的臨近操作和最終接近階段,激光三維成像雷達和相機類探測器具有不同的優勢,相機類探測器可以在20 m以內距離給出極高的測量精度(mm量級)和極高的空間分辨率,特別適合于控制機械臂進行精密操作,但其精度隨距離迅速惡化[3-4],不適用于臨近操作階段,相比之下,激光三維成像雷達可以在臨近操作和最終接近階段提供所需的測距精度(cm量級),因此成為各航天大國研究的熱點。本文將在介紹激光三維成像雷達原理、系統組成和關鍵性能的基礎上,對不同體制激光三維成像雷達的關鍵技術實現途徑進行分析與比較,同時總結了制約激光三維成像雷達在空間應用的技術瓶頸。

1 閃光成像雷達

1.1 基本原理與系統性能

閃光成像雷達(flash LADAR)基于脈沖飛行時間激光測距,利用1個(或幾個)脈沖通過“閃光成像”的方式一次性獲得目標的三維信息[5]。其核心器件是光電傳感器陣列以及集成在上面的激光雷達處理器,如圖1所示。

圖1 閃光成像雷達接收陣列結構圖

閃光成像雷達處理器由多個芯片單元組成,每個單元通過銦縮柱連接工藝與對應光電傳感器陣列中的探測單元相連。芯片單元的主要功能是對每個探測單元單獨計時并采集回波脈沖信號。在激光脈沖發射的同時,每個芯片單元與1個精準的斜降電壓相連,當回波脈沖幅度超過觸發門限時與斜降電壓斷開,保存得到的電壓值以及回波脈沖的峰值,并由高速讀出電路輸出后進行信號處理。通過分析其工作原理可知,采集得到的斜降電壓值與脈沖飛行時間呈線性關系。由于脈沖峰值大小會使觸發門限的時刻提前或滯后,造成距離行出現誤差,因此必須采集回波脈沖峰值以提高測距精度。

美國先進科學概念公司生產的“龍眼”閃光成像雷達[6]關鍵性能如表1所示。

表1 “龍眼”閃光成像雷達關鍵性能

1.2 關鍵技術實現途徑及瓶頸分析

APD陣列的性能決定了系統的探測性能,而讀出電路的性能則決定了系統的信號處理性能。因此APD陣列和讀出電路的研制即為關鍵技術。為減小陽光干擾和保證使用安全,選擇激光波長為1 550 nm,為此雷神公司開發了HgCd Te APD陣列[7]。它通過在P型HgCd Te上進行分子束外延生長n型HgCd Te制備,所生產的HgCd Te APD陣列在300 K環境溫度下,響應度約為15 A/W,增益可以達到100以上,過剩噪聲因子僅為2,噪聲等效功率小于1 n W,帶寬大于1 GHz。表2、表3為所實現的256像素×256像素HgCd Te APD陣列和讀出電路的關鍵參數。

表2 HgCd Te APD陣列關鍵參數

表3 讀出電路關鍵參數

雷神公司的256像素×256像素HgCd Te APD陣列及讀出電路的突出優勢：① 陣列集成度很高;②可在300 K溫度和較高的增益下實現極低的過剩噪聲;③讀出電路使用0.18μm CMOS,加工難度和集成度很高;④讀出電路噪聲很低;⑤ 時鐘計數頻率很高(等效計數頻率3 GHz)且平穩;⑥克服光學串話問題,在集成度很高情況下克服了讀出電路單元間的串擾問題。

閃光成像雷達的突出優點是成像幀速高、圖像無運動失真和抗背景光干擾能力強,適合用于為近場交會至最終接近階段提供目標的三維圖像。但是主要存在以下2個問題：① 脈沖激光峰值功率很高,當空間目標上有強反射點時,極易造成APD飽和甚至損毀,因此應提高探測器的抗飽和能力;② 較高的計時精度、較寬的信號傳輸、處理帶寬和極高的信號采樣率對讀出電路要求很高,使得系統成本很高。

2 調頻連續波激光三維成像雷達

2.1 基本原理與系統性能

該型雷達基于調頻連續波激光測距原理[8],系統由信號發射子系統、接收子系統以及信號處理子系統組成,如圖2所示。調制信號發生器產生鋸齒型調頻信號,其中一路輸入激光調制電路作為連續波激光器的調制信號,另一路輸入到接收子系統作為本振信號。激光器調制與驅動模塊將調頻信號與激光器偏置電流疊加,形成激光器驅動電流輸入激光器,使得發射激光的瞬時光功率隨調頻信號變化。光電探測器將目標反射光轉換成光電流,其中交流部分與本振信號混頻形成包含目標信息的差頻信號。差頻信號經濾波、放大和采樣后,通過解算其頻率得到目標距離。

圖2 調頻連續波激光測距系統示意圖

由美國陸軍研究實驗室開發(ARL)的“FOPEN”雷達[9]關鍵性能參數如表4所示。

表4 “FOPEN”雷達關鍵性能參數

2.2 關鍵技術實現途徑及瓶頸分析

尋找合適的光電傳感器完成光電混頻是該體制成像的關鍵技術。ARL曾使用像增強管(IIT)進行了光電混頻實驗但效果不佳,主要因為：①IIT工作電壓過高,實驗中產生的峰-峰值為20 V的寬帶調制電壓產生的增益調制深度僅為10%～15%。②當調制頻率高于500 MHz時,調制信號被嚴重吸收;ARL又使用了量子阱調制器(QWEO)進行了實驗,發現器件無法響應足夠帶寬。需要指出的是,以上這2種接收器件都需要利用高速CCD對差頻信號進行采集,從而限制了其進一步使用;此后,ARL實驗了光電混頻器(VMOD),其響應度隨偏置電壓和帶寬迅速下降[10];在2000年以后的試驗中,選用了金屬半導體金屬探測器(MSM)完成自混頻接收,MSM對直流光信號不敏感,從而改善了混頻效果。然而, MSM的響應度依然較低,僅為0.2 A/W[11-12]; ARL于2004年嘗試使用電子轟擊有源像素傳感器(EBAPS)實現自混頻接收,通過改進電路的接地方法和減少引腳電感,增大其響應帶寬至400 MHz,通過使用50 W寬帶放大器產生220 V峰-峰值的調制信號,使得調制深度達到31%[13]。2005年以后,ARL確定使用EBAPS作為該激光雷達的光電傳感器[14]。

調頻連續波激光三維成像雷達具有的突出優點是：抗背景和人為光干擾能力強、不存在測距盲區,特別是該體制不容易造成探測器飽和或損壞,因此特別適合用于臨近操作至最終接近階段的空間任務。但也主要存在以下2個問題：

1)尋找適合完成光電混頻的光電探測器陣列仍然具有挑戰性,應當進一步對APD進行光電混頻實驗,并對MSM探測器進行改進設計,提高光電混頻性能;

2)需要對差頻信號進行高速數字信號處理,以提高成像速度。

3 鑒相式激光三維成像雷達

3.1 基本原理與系統性能

該激光三維成像雷達基于鑒相式激光測距。圖3為利用像增強器實現鑒相式激光測距系統結構圖。

圖3 利用像增強器實現鑒相式激光測距系統結構圖

信號發生器產生2路同頻同相的調制信號,其中V1對激光器功率調制,V2用于微通道板(MCP)電壓調制。經過調制的激光發射信號P0照射在目標上,回波信號P1被光電陰極接收。V2經高頻線性放大器提取出交流成分V3調制MCP電壓,得到含有相位差信息的信號P2。P2信號照射在熒光屏上,用CCD相機檢測即可得到含有相位差信息的積分值P3,通過精確測量該積分值并結合在無調制下的積分值即可根據測距原理解算得到目標距離。

由桑迪亞國家實驗室(Sandia)研制的“LDRI”雷達[15]的關鍵性能參數如表5所示。

表5 “LDRI”雷達關鍵性能參數

3.2 關鍵技術實現途徑及瓶頸分析

鑒相式激光測距對激光器本身和驅動源的穩定性要求很高,這是因為如果平均發射功率不穩定會造成調制時和去調制時的平均接收信號功率不同從而引起測距誤差[16]。因此提高驅動源的穩定性是其關鍵技術之一,此外,CMOS或CCD傳感器的噪聲水平也會對測距造成較大影響。鑒相式激光三維成像雷達需要4次成像才能產生1幅三維圖像,如果在4次成像過程中目標與雷達間存在相對運動,會造成圖像運動失真。為此, Sandia曾經提出“分光器+光纖耦合”的并行成像解決方案,并研制了“SRI Quad Flash Sensor”,它將進入一個鏡頭的光分成4份并分別使用4個CCD進行處理,根據這4幅圖像生成距離像。這樣雖解決了圖像運動失真問題,但卻降低了測距精度,因為所使用的4個CCD不可能具有相同的性能,使得基于多幅圖像聯合處理的背景光/噪聲抵消性能大幅下降,從而產生較大的測距誤差[17]。

鑒相式激光三維成像雷達的突出優點是測距精度高、光電探測器成熟、信號處理簡單,適用于臨近操作至最終接近階段的空間任務,尤其適合近距離超高精度高分辨率三維成像,航天器表面探傷等場合。但是主要存在以下3個問題：① 存在嚴重的距離模糊,應當通過多調制頻率測量消除;②需要多次成像生成1幅三維圖像,因此存在圖像運動失真;③ 抗背景、人為光干擾能力較差。

4 光子計數激光三維成像雷達

4.1 基本原理與系統性能

對激光飛行時間進行統計測量[18]。激光發射時觸發計數電路計數,在多個時間段內(對應多個空間距離段)統計光子計數個數。引發計數的可能是背景光、信號和APD自身的暗計數,但背景光和暗計數具有時空平均分布的統計特性,通過設定閾值即可濾除。圖4對測量原理進行了說明。

圖4 光子計數激光測距原理示意圖

如圖4(a)所示為回波脈沖信號的光子密度隨時間分布特性?；夭ㄖ械谋尘肮夂吞綔y器噪聲可看作是隨機到來的光子,其密度隨時間的分布較為平均。探測器會響應每個接收到的光子(或噪聲)并進行計數,最后處理電路將時間分為許多個計數時間格子(1個時間格子對應1個距離格子),得到每個格子內的光子計數值。由于回波激光信號和背景光(以及探測器的暗計數)都可以觸發計數,因此對于1次脈沖測量(如圖4(b)所示)是沒有意義的,只有進行多次脈沖測量并且對計數結果進行統計才有意義,此時可更加明顯地看到由激光脈沖信號引起的光子計數結果(如圖4(c)所示)。

由麻省理工學院林肯實驗室研制的實驗樣機的關鍵性能參數[19]如表6所示。

表6 光子計數雷達關鍵性能參數

4.2 關鍵技術實現途徑及瓶頸分析

光子計數激光三維成像的關鍵技術是蓋革模式APD焦平面陣列,它需要具有單光子探測靈敏度。蓋革模式APD焦平面陣列由基于InGa As (P)/InP結構的蓋革模式APD陣列(Gm APD PDA)、微透鏡陣列(MLA)和讀出電路(ROIC)組成[20],如圖5所示。整個焦平面陣列固定在陶瓷插槽(ceramic interposer)上并通過TEC散熱。APD陣列與讀出電路靠銦縮球連接,讀出電路控制APD陣列是否工作,在工作狀態下,偏置電壓比雪崩電壓高5 V,工作持續時間(距離門時間)為幾微秒。每個探測單元都包含有偽隨機計時器、閾值檢測電路、主動淬滅電路和存儲單元,其中集成的計時器為11位分辨率,距離門時間一般為2μs,串行讀出1 024個數據時,幀速可達到186 k Hz。位于APD陣列上方的磷化鎵微透鏡陣列用于提高有效填充系數,相比APD陣列固有的填充系數(約為9%),使用微透鏡陣列后等效填充系數達到了70%以上。

圖5 焦平面陣列結構圖

光子計數激光三維成像雷達的突出優點是：可以使用很小的激光功率實現超遠距離大范圍成像。但該體制成像主要存在以下3個問題：① 需要較長的累計時間以實現統計數據采集,造成圖像運動失真;②抗背景光、人為光干擾能力不強;③對焦平面陣列性能要求很高。

5 結束語

激光三維成像雷達是完成目標識別、交會對接和在軌服務等空間任務的關鍵測量設備之一,也是當前國外工程技術研究的熱點。通過分析國外在研或使用的4種體制的激光三維成像雷達可知,其關鍵技術主要是研制適用于不同體制的高性能、高分辨率光電混合焦平面陣列,如對于閃光成像雷達和光子計數激光三維成像雷達,要求讀出電路必須具有極高的處理速度;對于調頻連續波和鑒相式激光三維成像雷達,要求光電探測器必須具有易于實現光電混頻的能力。當用于空間目標探測時,對于閃光成像雷達,其主要瓶頸是高反射率空間目標容易造成探測器飽和或損毀;對于其余3種激光三維成像雷達,主要瓶頸為成像速度較慢造成圖像運動失真。

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(編輯：孫陸青)

The Key Technology Analysis of Foreign 3D LADAR for Space Target

SONG Yishuo1, DU Xiaoping2, ZENG Zhaoyang3
(1.Department of Graduate Management,Equipment Academy,Beijing 101416,China; 2.Department of Space Command,Equipment Academy,Beijing 101416,China; 3.Department of Optical and Electronic Equipment,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

3D laser detect and ranging(LADAR)can simultaneously acquire the gray scale image and the range profile of target which makes it the key equipment in the missions such as space target reorganization,rendezvous and docking and on-orbit service.The basic working principles,system configurations and key performances are studied and the key technical approaches are analyzed and compared for LADAR with different principles;furthermore,the technical bottlenecks that confine the uses in space are also summarized.

3D laser detect and ranging(LADAR);space target;detection principles;technical approaches

TN 29

2095-3828(2014)01-0055-06

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.01.013

2013-03-19

部委級資助項目

宋一鑠(1985-),男,博士研究生.主要研究方向：空間主動光學測量.stephensong1005@sina.com.cn.杜小平,女,教授,博士生導師.