单光子三维探测技术因为在微弱信号目标的光学探测方面的独特优势，在空间目标探测、空中目标侦查、远距离预警探测等方面有重要应用，近年来获得了广泛关注。对主动扫描成像的单光子探测系统，为扩展作用距离和提高扫描速度，接收口径和接收视场角不断增大；但对高集成的盖革模式雪崩光电二极管（Gm-APD）型的单光子探测器，大接收口径和大接收视场带来背景噪声光子数量的增大，这会导致探测器频繁进入死区，给扫描图像带来大量盲点。为抑制死区时间对Gm-APD型单光子探测系统的影响，研究人员开始探索基于分集接收的单光子探测系统。
据麦姆斯咨询报道，中国电子科技集团公司第54研究所的科研团队提出利用多镜头分集接收和联合单光子信息处理，实现对单光子探测器死区时间抑制，进而有效提高系统探测概率，降低扫描图像的盲点数量，并通过仿真证明和试验系统进行验证。相关研究内容以“基于分集接收的单光子探测技术”为题发表在《计算机测量与控制》期刊上。
单光子探测原理
单光子探测器由利用工作在盖革模式下的雪崩光电二极管和光子计数器组成。其中，雪崩光电二极管的作用是将光信号转化为电信号，由于对其施加了反向偏置电压，当有光射入探测器时，二极管发生雪崩倍增。在盖革模式下，二极管偏置电压高于击穿电压，因此，雪崩光电二极管始终处于击穿状态，从而对信号进行无限大的放大，实现单个光子的射入也会引发雪崩效应，进而出现电流脉冲，为单光子探测技术提供探测基础。在单光子探测器工作过程中，对探测能力存在影响的因素主要包括：暗计数、死区时间、泊松统计噪声和脉冲堆积效应。
单光子探测技术
单光子探测技术累积过程
在单光子探测技术应用过程中，探测器回波信号如图1所示，其中黑色脉冲为目标回波信号，白色脉冲为干扰信号，可以看出，从一个探测周期内无法将目标脉冲所含信息从全部脉冲序列中有效剥离出来。因此，在探测工作中，需要对多个周期信号进行累计处理，获取探测结果。从图2中可以看出，多次累积的方法可以将信号光从噪声中提取出来，但是仍然需要确定累积次数、门限时间等条件。
图1 一个探测周期内探测器回波信号示意图
图2 多个周期累积结果示意图
单光子探测技术工作情况分类
在单光子探测计数工作过程中根据激光脉冲宽度与计时时钟分辨率大小的关系，可以分成两种情况：窄脉冲累积探测和宽脉冲累积探测。当激光脉冲宽度小于计时时钟分辨率，或者两者相等的情况下，信号光子计数分布图分布在少数的子区间内，称之为窄脉冲累积探测，如图3所示。当激光脉冲宽度远大于计时时钟分辨率时，信号光子计数分布图分布在很多子区间内，称之为宽脉冲累积探测，如图4所示。
图3 窄脉冲探测累积检测示意图
图4 暗计数率
该研究中单光子探测系统采用窄脉冲探测体制，激光脉冲宽度小于时钟分辨率。
单光子探测技术累积概率模型
一般的光子探测而言，经漫散射目标作用的回波信号服从负二项分布，当回波信号非常小的时候，二项分布可以很好地近似为泊松分布。这对于主要用于微弱信号探测的光子探测非常容易满足，所以采用泊松分布来描述单光子探测器光子信号响应模型。
单光子探测分集接收设计方法、仿真测试和实验验证
单光子探测分集接收设计方法
该研究方案设计中的视场角设计为1 mrad，理想情况下，随着镜头口径增加，噪声光子和回波光子同比例增加。但是在实际应用过程中大口径镜头的加工误差控制和杂散光抑制难度更大，背景噪声更高。为抑制高背景噪声条件下死区时间对接收系统的影响，该设计中采用了分集接收方案，利用多个口径完全一致的接收镜头等效替代一个接收面积相同、视场相等的大口径接收镜头采集光回波信号。图5展示了一种可行的分集接收镜头排布方式，如图所示，分集接收系统中各镜头围绕同一圆心均匀分布，各镜头中心距公用圆心距离为R。
图5 分集接收镜头设计原理图
在采用飞行时间法测量目标位置的探测系统中，由于信号回波时间具有相关性，在后续累积处理过程中，信号光子数在时间轴的固定位置上不断累积，而背景噪声光子具有随机性，噪声光子数在时间轴的随机位置出现。分集接收方案使得系统在背景噪声光子数总量相同的情况下，多个探测器同时进入死区时间，进而系统彻底致盲的概率大大下降。
仿真测试
针对以上理论分析，首先进行了仿真分析验证，仿真工具选择MathWorks MATLAB R2018b软件，仿真条件分为噪声环境较好和噪声环境较恶劣两种。仿真流程如图6所示。扫描成像仿真中，探测图像如图7所示。
图6 分集接收仿真示意图
图7 分集接收扫描成像仿真示意图
在相同接收口径条件下，无论是小背景噪声条件还是大背景噪声条件，分集接收可以提升系统的监测概率，并降低虚警概率。大背景噪声条件下，分集接收的优势更为明显。
实验验证
为了验证分集接收对抑制死区时间影响的有效性，搭建了原理样机，并通过对远距离目标扫描成像进行试验验证，实验装置如图８所示，包括转台、发射镜头、接收镜头以及信号处理模块和上位机，实验装置采用自研设备。
图8 实验装置示意图
图9（a）为待探测目标相机摄像照片；图9（b）显示了第一次成像的结果，第一次成像接收镜头采用了单个7.07 cm镜头；图9（c）显示了第二次成像的结果，第二次成像的接收采用了2个5 cm镜头分集接收。单个7.07 cm镜头和2个5 cm镜头，在接收镜头面积上是等效的。在实验过程中，两次成像的时间间隔相差5 min，外部环境的变化可以忽略，发射镜头参数不变。图9（b）和图9（c）的图像中，不同颜色代表了不同的目标距离。除天空区域外，图像中的白色噪点为探测盲点。造成盲点的主要原因，为单光子探测器进入死区时间。对比图9（b）和图9（c），可以看出，在分集接收的模式下，图像中的盲点数量明显少于传统单个镜头模式。根据数据统计结果，图9（b）盲点数目约为图9（c）的7倍。可以得出结论，在同等条件下，采用分集接收时，比等效的单个镜头，能够明显降低图像盲点数量，提高对目标的探测概率。
图9 扫描成像实验结果比对
结束语
采用Gm-APD的单光子探测系统，由于可以跨数量级的提升探测灵敏度，并具备体积小、可常温工作、时间分辨率高等优势，被越来越多地应用于激光三维成像系统。但Gm-APD自身雪崩效应带来的探测器死区时间，会降低系统的探测概率，并造成图像盲点。该研究探索了如何在现有器件水平的条件下，通过合理的系统和光机设计，抑制死区时间对系统的不良影响。通过仿真和实验表明，采用多镜头分集接收和联合信息处理，可以有效提升系统探测概率，对由于死区时间限制所导致的成像盲点具有明显抑制效果，对单光子探测三维成像的图像完整性具有十分重要的意义。该研究所采用的方法，可以广泛应用于空间目标探测、远距离微弱目标预警等激光探测系统。
DOI: 10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2023.12.015
