基于距离门控技术和大型SPAD阵列激光雷达系统的高速3D成像技术

《Optics and Lasers in Engineering》：High-speed 3D-imaging based on a range-gated and large SPAD array lidar system

单光子LiDAR系统实现动态目标三维成像，采用512×512硅基SPAD阵列提升时空分辨率，改进第一光子成像算法结合大视场角校正，在0.625ms积分时间下达成51.3fps帧率，有效抑制背散射噪声并实现乒乓球、风车等动态目标的精准重构。

　　

摘要

在这项工作中，我们提出了一种基于范围门控的单光子激光雷达系统，用于静态和移动物体的三维成像。该系统采用了一个512 × 512像素的硅基单光子雪崩二极管（SPAD）阵列探测器，具有高时间分辨率和小像素间距。我们提出了一种针对门控阵列系统优化的第一光子成像算法。该算法利用相邻像素位置之间的强反射相关性进行图像去噪，然后通过检测每个像素的光子来重建深度信息。与传统算法相比，我们提出的方法在图像采集速度上提高了6倍，并且平均绝对误差（MAE）较低。最终，我们实现了43° × 43°的大视场（FOV），能够以0.625毫秒的积分时间对各种移动物体（如乒乓球、风车和水雾）进行高分辨率的三维成像，成像帧率可达51.3帧/秒。

引言

自激光雷达问世以来，由于其高检测速度、高精度和强大的抗干扰性能，它已被广泛应用于各个领域[[1], [2], [3]]。激光雷达通常使用飞行时间（ToF）技术通过精确的时间数据来获取距离信息。随着单光子探测器的发展，激光雷达具备了单光子灵敏度，显著提升了其性能[4]。即使在极低光照条件下，它也能捕获单个光子，使激光雷达在复杂和具有挑战性的环境中保持高效的检测能力。2013年，A. Kirmani等人提出了第一光子成像技术[5]，该技术利用光子检测前的脉冲数量作为反射率的间接测量，从而重建场景的3D图像，这表明仅通过检测一个光子可以获得的信息量具有极限。2021年，Xu团队提出了一种紧凑型同轴单光子激光雷达系统和算法[6]，实现了201.5公里范围内的远距离3D成像。

通常有两种主要的方法来获取距离信息[7]。第一种是时间相关单光子计数（TCSPC）技术[8]，该技术在卫星地形测绘[9]、超远距离成像[10]、移动目标成像[11]和荧光寿命显微镜成像[12]等各种研究和应用中取得了显著进展。第二种是范围门控技术[13]，该技术通过控制光源的发射和检测系统的工作时间窗口，在特定时间窗口内选择性地收集返回的光信号，从而过滤掉其他不相关时间段的光，仅捕获目标的反射信号。与TCSPC系统相比，范围门控成像能够顺序成像不同深度的目标，有效减轻了后向散射噪声的不利影响，从而提高了信噪比（SNR）。其特性使其特别适合用于背景抑制和3D成像中的时间分辨测距，并在复杂环境（如水下和雾天场景）中的实验中表现出色[[14], [15], [16]]。

高质量3D成像的实现取决于成像分辨率和成像速度之间的优化与平衡[18]。例如，2024年，Ye等人使用振镜扫描仪将单个SPAD探测器扩展为88 × 91像素的阵列，以重建目标的深度和强度图像[17]。然而，这种逐点扫描系统通常需要较长的采集时间[18,19]，不适合检测移动目标。随着CMOS技术的进步和SPAD阵列技术的快速发展，完全并行的图像采集方法变得可行[20,21]，这使得快速采集大视场3D图像并以更高帧率展示成为可能。因此，基于阵列的单光子激光雷达系统近年来逐渐成为新的研究热点。2020年，K. Morimoto等人利用1兆像素的SPAD相机实现了2D/3D场景的快速捕获，并将其应用扩展到空间重叠的多目标检测[22]。2022年，Liu等人使用64 × 64像素的阵列实现了高速（25帧/秒）移动目标的超分辨率重建和位置预测，提高了动态场景中的准确性和实时跟踪能力[11]。

在这项工作中，我们提出了一种基于范围门控技术的512 × 512大格式单光子激光雷达成像系统，具有高时间分辨率和小像素间距。我们讨论了范围门控成像模式下单光子激光雷达的观测模型，分析了大视场引起的畸变，并使用3D坐标进行了校准。我们提出了一种适用于门控阵列探测器的改进型第一光子算法，将其成像性能与传统质心方法进行了比较，结果表明我们提出的算法在保证高成像质量的同时减少了所需的采集时间。最终，我们实现了大视场和高分辨率的多种移动目标（如乒乓球、风车、水雾）的3D成像。这项工作为用于大视场3D成像的移动目标的单光子激光雷达提供了新的解决方案，扩展了其在动态目标成像领域的应用范围，并为开发高效的动态环境感知系统提供了新的技术途径。

系统组件

系统组件

实验使用了NPI LASERS公司的Rainbow 532 HP脉冲光纤激光器作为光源，其输出激光中心波长为532纳米，重复频率为30 MHz±0.5 MHz，脉冲宽度为7.170皮秒，输出功率稳定性为RMS<0.5%。使用地面玻璃扩散器作为光束扩展器以实现泛光照明。所使用的探测器是Swiss Pi Imaging Technology公司的SPAD512²硅基单光子雪崩二极管阵列探测器，具有512 × 512像素。

系统设置

为了评估所提出系统和方法的实际成像性能，配置了如图2所示的实验装置。该系统使用脉冲激光器，在光束扩展后对目标场景进行大面积泛光照明。激光器发出的同步信号触发SPAD阵列探测器。来自目标的反射光子通过包含滤光片和透镜的光路被SPAD阵列收集。检测到光子后，SPAD阵列进行处理。

结论

本文展示了基于范围门控的单光子激光雷达的三维成像技术，适用于静止和移动物体。数据是在极低光通量下使用SPAD512²硅基SPAD阵列探测器收集的，该探测器具有18.9皮秒的高时间分辨率。探测器的视场为43° × 43°，大视场引起的畸变通过三维坐标进行了分析和校准。

资助

本工作得到了国家重点研发计划（批准编号：2023YFE0207700、2023YFF0616203、2024YFF0618000）的支持。

CRediT作者贡献声明

Tian Hu：撰写——原始草案、软件、方法论、研究。 Jiafeng Sun：撰写——原始草案、方法论、研究。 Rui Xu：撰写——审阅与编辑、方法论。 Zhixiang Mao：项目管理、方法论。 Liang Chen：撰写——审阅与编辑。 Yan Shi：撰写——审阅与编辑、方法论。 Shijie Liu：撰写——审阅与编辑、监督。 Weiwei Liu：监督、软件。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。