高冬陽，陳宗鎂，陳寰，史慶杰，夏團(tuán)結(jié)，陳龍江

（1 上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109）

（2 中國航天科技集團(tuán)有限公司 紅外探測技術(shù)研發(fā)中心，上海 201109）

0 引言

當(dāng)前光電探測技術(shù)逐漸往超視距、反隱身、多維感知等技術(shù)方向發(fā)展［1］。傳統(tǒng)基于化合物半導(dǎo)體P-N 結(jié)器件的紅外探測、電荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）的可見光/紫外探測等，在作用距離和光電對(duì)抗能力等方面提升空間有限［2］。國內(nèi)外近年來提出基于光子計(jì)數(shù)的激光雷達(dá)技術(shù)思路［3-7］，采用高探測靈敏度和高時(shí)間分辨率單光子探測器，以光子飛行時(shí)間測量為基本方式獲取目標(biāo)距離，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域三維距離像和立體輪廓，保障距離目標(biāo)可探測、人工干擾釋放前后的目標(biāo)識(shí)別，同時(shí)滿足高價(jià)值目標(biāo)關(guān)鍵位置點(diǎn)識(shí)別要求。該探測體制在提高作用距離和應(yīng)用效益方面具有綜合性優(yōu)勢。面向遠(yuǎn)距離、高精度探測應(yīng)用，光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)面臨最大的技術(shù)難題是在強(qiáng)背景噪聲干擾下保持對(duì)目標(biāo)距離重構(gòu)精度。噪聲來源主要包括：光源自發(fā)輻射噪聲、探測器暗計(jì)數(shù)、大氣近程激光后向散射噪聲、云層散射、太陽光散射等。單光子探測器可通過門控和光譜濾波方式抑制大部分噪聲，或通過偏振調(diào)制抑制大部分激光后向散射噪聲，但距離門內(nèi)和光譜帶寬內(nèi)仍存在太陽光散射等強(qiáng)背景噪聲，導(dǎo)致光子測距精度下降或者激光雷達(dá)“閉眼”。

本課題組前期在白天強(qiáng)背景噪聲條件下，開展了室外光子測距對(duì)比試驗(yàn)。其中弱噪聲和強(qiáng)噪聲是針對(duì)不同天頂角下太陽光噪聲而言，試驗(yàn)時(shí)激光發(fā)射功率、測距幀頻、距離門寬度、探測器偏壓/制冷溫度等系統(tǒng)性能參數(shù)均保持一致。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：弱噪聲條件下目標(biāo)回波比噪聲光子計(jì)數(shù)值大，后續(xù)可通過線性擬合、強(qiáng)度閾值等方法提取目標(biāo)正確距離信息；強(qiáng)噪聲情況下目標(biāo)回波光子計(jì)數(shù)值不發(fā)生改變，但噪聲光子計(jì)數(shù)值整體抬升，導(dǎo)致無法目標(biāo)回波被淹沒。強(qiáng)噪聲背景情況下通過提升單光子探測器和激光器的性能已無法滿足高精度測距需求。

國內(nèi)外持續(xù)開展了研究以降低背景噪聲對(duì)測距結(jié)果的影響。2008 年美國林肯實(shí)驗(yàn)室提出基于柵格空間劃分的有效信號(hào)提取算法［3］，通過計(jì)算單個(gè)柵格探測概率和虛警率，利用信號(hào)數(shù)量差異及閾值提取目標(biāo)距離，能夠在未知背景噪聲條件下檢測目標(biāo)距離。2011 年韓國科學(xué)技術(shù)學(xué)院提出一種有效減少噪聲距離虛警方法［4］，將回波信號(hào)分為兩路，采用兩個(gè)單光子探測器通過“與”邏輯判斷信號(hào)的回波和噪聲屬性，實(shí)現(xiàn)虛警概率降低3 個(gè)數(shù)量級(jí)，不足在于回波信號(hào)分光造成作用距離和探測概率下降。英國Heriot-Watt 大學(xué)在單光子激光雷達(dá)方面做了許多創(chuàng)新性工作，于2021 年提出基于層級(jí)貝葉斯模型多尺度時(shí)/空三維重構(gòu)算法［5］，借助目標(biāo)反射率在局部空間光滑特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)測量構(gòu)建背景噪聲模型，從低信噪比混合信號(hào)中提取目標(biāo)距離。

國內(nèi)蓋格模式雪崩光電二極管（Geiger-mode Avalanche Photodiode，Gm-APD）器件尤其是Gm-APD焦平面陣列（Focal Plane Array，F(xiàn)PA）器件性能與國外器件相比還存在較大差距［6-7］。單就單元蓋格器件距離重構(gòu)方法而言，國內(nèi)在強(qiáng)噪聲背景下距離重構(gòu)方面取得了一定進(jìn)展。2013 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出將信號(hào)時(shí)間相關(guān)性而噪聲隨機(jī)分布的特點(diǎn)進(jìn)一步應(yīng)用到陣列單光子三維成像中［8］。基于目標(biāo)表面局部連續(xù)特點(diǎn)，通過陣列相鄰像元測距結(jié)果相關(guān)性判別信號(hào)和噪聲。2019 年華中科技大學(xué)提出通過采集不同距離門開啟時(shí)間光子回波直方圖數(shù)據(jù)，相減處理得到計(jì)數(shù)差值直方圖，通過峰值判別法獲取強(qiáng)噪聲條件下目標(biāo)距離［9］。2020 年中科院光電技術(shù)研究所提出子脈沖編碼的噪聲抑制技術(shù)［10］，將發(fā)射激光脈沖分為多個(gè)子脈沖串，并事先知道發(fā)射子脈沖信號(hào)之間時(shí)間間隔，采用時(shí)移脈沖累加方法縮短光子計(jì)數(shù)所需累加脈沖時(shí)間，從而提高合作目標(biāo)測距系統(tǒng)信噪比。2020 年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先后使用單光子探測器在地表大氣中實(shí)現(xiàn)了8.2 km［11］、45 km［12］以及200 km［13］三維成像，驗(yàn)證了時(shí)間關(guān)聯(lián)抑制自發(fā)輻射噪聲、接收系統(tǒng)衍射極限探測空間濾波、窄帶高透過率光譜濾波、激光后向散射噪聲偏振抑制等諸多去噪濾波方法的有效性。

綜上可知，借助目標(biāo)回波和背景噪聲在時(shí)間、空間、偏振、光譜等多個(gè)維度差異，可以降低探測虛警率，實(shí)現(xiàn)一定噪聲條件下目標(biāo)準(zhǔn)確距離有效提取。此外通過改善激光功率和增大光學(xué)接收孔徑等硬件措施方式可進(jìn)一步提升激光回波率，但針對(duì)資源受限小型化平臺(tái)（機(jī)載或彈載等）應(yīng)用，該方式不具可行性。國內(nèi)單光子三維成像大多采用點(diǎn)元蓋格單光子探測器掃描成像方式實(shí)現(xiàn)三維探測，距離重構(gòu)方法也大多數(shù)集中在點(diǎn)元蓋格單光子探測器件方面。

本文基于Gm-APD PFA 搭建激光三維成像實(shí)驗(yàn)裝置，采用不同距離重構(gòu)方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)果比對(duì)，提出基于二維掃描和面陣探測相結(jié)合的激光回波信息處理方法，從理論上提高激光回波信噪比和作用距離，為小型化平臺(tái)下的遠(yuǎn)距高幀頻主動(dòng)激光成像技術(shù)提供支撐。

1 單光子探測器距離重構(gòu)方法

1.1 光子計(jì)數(shù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)方法

由時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（Time Correlation Single Photon Counting，TCSPC）原理［14］可知，當(dāng)目標(biāo)回波具有一定信噪比時(shí)，利用回波中信號(hào)占比大的特點(diǎn)，通過長時(shí)間累加與統(tǒng)計(jì)區(qū)分信號(hào)與噪聲。圖1 為TCSPC原理示意，在無背景噪聲的理想情況下，探測器在單次探測周期內(nèi)只響應(yīng)首次到達(dá)的光子，通過長時(shí)間累加與統(tǒng)計(jì)形成光子飛行時(shí)間（Time of Flight，TOF）分布曲線。常用信號(hào)提取算法為峰值—閾值法［15］，有無信號(hào)回波觸發(fā)分布直方圖區(qū)別在于信號(hào)回波處觸發(fā)頻數(shù)存在高峰，將峰值法提取觸發(fā)頻數(shù)峰值的時(shí)間位置作為目標(biāo)距離。峰值—閾值法仍有一定局限性，對(duì)于少幀數(shù)統(tǒng)計(jì)下信號(hào)及噪聲觸發(fā)次數(shù)相同時(shí)難以提取目標(biāo)距離，對(duì)于異常噪聲峰會(huì)被誤提取為目標(biāo)距離。進(jìn)一步采用均值法或質(zhì)心法［16］，在短時(shí)間統(tǒng)計(jì)情況下也會(huì)造成較大重構(gòu)誤差使得目標(biāo)三維圖像失真［17］。

圖1 無背景噪聲情況下光子計(jì)數(shù)直方圖Fig.1 Photon counting histogram without background noise

1.2 線性/指數(shù)擬合方法

針對(duì)強(qiáng)噪聲背景下探測，TCSPC 方法無法通過目標(biāo)回波觸發(fā)探測器頻數(shù)來提取目標(biāo)距離信息。提出線性擬合方法凸顯目標(biāo)回波位置信息。考慮到探測器死時(shí)間效應(yīng)會(huì)使單周期內(nèi)只響應(yīng)首個(gè)入射的光子，探測器輸出大部分脈沖信號(hào)是由噪聲引起且集中在距離門開啟時(shí)刻。采用峰值-閾值方法會(huì)得到錯(cuò)誤距離信息，這是因?yàn)閱喂庾犹綔y響應(yīng)符合泊松分布，起始時(shí)刻探測器響應(yīng)計(jì)數(shù)值遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波響應(yīng)計(jì)數(shù)值（如圖2（a）和圖3）。對(duì)統(tǒng)計(jì)的光子到達(dá)時(shí)刻曲線進(jìn)行線性/指數(shù)函數(shù)擬合（y=a·t+b，y=ax+b），將原始的光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)曲線與擬合后的函數(shù)值相減得到差值分布曲線，通過峰值—閾值方法可以較準(zhǔn)確找到差值分布曲線中目標(biāo)位置。

圖2 不同強(qiáng)度背景噪聲光子計(jì)數(shù)分布Fig.2 Distribution of photon counting based on the different background noise

圖3 擬合提取峰值示意Fig.3 Schematic of extracting peak by fitting

1.3 矩形/高斯匹配方法

激光回波脈寬往往會(huì)展寬并占據(jù)多個(gè)時(shí)間間隔，在目標(biāo)回波時(shí)間附近觸發(fā)光子計(jì)數(shù)時(shí)間較為集中。采用矩形或者高斯匹配方法對(duì)光子計(jì)數(shù)直方圖進(jìn)行平滑處理，可進(jìn)一步凸顯目標(biāo)回波和抑制異常噪聲。窗口形狀可以選擇矩形或者高斯型，窗口大小根據(jù)激光脈沖寬度Tp確定。矩形匹配窗口和高斯匹配窗口函數(shù)表達(dá)式為

矩形/高斯匹配距離重構(gòu)流程如圖4。

圖4 匹配方法示意Fig.4 Schematic of the matching method

將匹配窗口函數(shù)值視為一維數(shù)組，數(shù)組大小由激光脈沖寬度Tp所占時(shí)間間隔數(shù)n來確定，數(shù)值由窗口匹配函數(shù)式（1）確定。以光子計(jì)數(shù)分布中的某一時(shí)刻t為中心，取n個(gè)原始光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)；將兩者進(jìn)行乘積后求和，即N'=∑y·Nn，以N'作為t時(shí)刻新的光子計(jì)數(shù)值；在時(shí)間軸上將t從距離門起始時(shí)刻至距離門關(guān)閉時(shí)刻進(jìn)行遍歷，得到匹配后的新光子計(jì)數(shù)分布；采用峰值—閾值法判定目標(biāo)回波。該方法基于光子計(jì)數(shù)分布波形與激光脈沖波形的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)噪聲干擾下的目標(biāo)距離提取。

1.4 時(shí)間相關(guān)方法

TCSPC 方法需要長時(shí)間累積探測來抑制背景噪聲和提取目標(biāo)距離信息。針對(duì)強(qiáng)背景噪聲下的目標(biāo)距離信息快速獲取需求，利用時(shí)間軸上目標(biāo)回波響應(yīng)間隔集中在窄脈寬內(nèi)而噪聲響應(yīng)隨機(jī)分布特點(diǎn)，提出時(shí)間相關(guān)去噪方法。以時(shí)間軸上相鄰n個(gè)響應(yīng)為判斷最小單元，定義為n鄰域。由背景噪聲引起的探測器響應(yīng)在時(shí)間軸上隨機(jī)分布，由目標(biāo)回波信號(hào)引起的探測器響應(yīng)由于受發(fā)射激光脈沖調(diào)制，在時(shí)間軸上分布比較集中且主要集中在激光脈寬Tp時(shí)間范圍內(nèi)。如果兩個(gè)相鄰光子之間的飛行時(shí)間差小于激光脈寬，則兩個(gè)光子稱之為相關(guān)光子，并保留其作為回波信號(hào)光子，否則去除被判定為噪聲的光子事件，最后將相關(guān)光子進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)并通過峰值—閾值法提取目標(biāo)回波信息。將單像素點(diǎn)在距離門Tg內(nèi)的光子響應(yīng)時(shí)間點(diǎn)t1，t2，…，tn逐一進(jìn)行編號(hào)（如圖5），求取時(shí)間軸上n相鄰時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間差，并設(shè)定目標(biāo)回波信號(hào)響應(yīng)判定標(biāo)準(zhǔn)為

圖5 鄰域時(shí)間相關(guān)示意Fig.5 Schematic of the neighboring time-correlation

式中，n是時(shí)間軸上光子達(dá)到時(shí)刻的n鄰域，t是光子到達(dá)時(shí)刻，Tp是發(fā)射激光脈沖寬度。

如果時(shí)間軸上某響應(yīng)時(shí)刻n鄰域能夠滿足該條件，則判斷該時(shí)刻及其n鄰域響應(yīng)均為回波信號(hào)，通過n鄰域取均值方式獲得目標(biāo)距離信息，即T=（∑ti）/n。如果不滿足該判定標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)入下一時(shí)刻n鄰域再次進(jìn)行判定，直至距離門時(shí)間軸遍歷完畢。當(dāng)完成一個(gè)像素點(diǎn)距離重構(gòu)后，轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行同樣的判斷，最終獲得所有像素點(diǎn)目標(biāo)距離三維圖。該方法有利于強(qiáng)背景噪聲環(huán)境下光子測距，n鄰域均值作為目標(biāo)距離將會(huì)丟失目標(biāo)深度細(xì)節(jié)特征，同時(shí)在多距離目標(biāo)回波情況下會(huì)造成明顯測距誤差［15］。

1.5 空間相關(guān)方法

事實(shí)上大部分物體表面具備局部連續(xù)特點(diǎn)，相鄰像素視場內(nèi)探測的目標(biāo)距離差異不會(huì)太大，相鄰像素提取的目標(biāo)距離具備空間相關(guān)性。通過設(shè)置距離閾值可進(jìn)一步將偏離距離較大的像素點(diǎn)距離信息剔除。采用空間平滑約束方法，將剔除像素點(diǎn)距離用鄰域距離均值填補(bǔ)，進(jìn)一步提高目標(biāo)距離圖像質(zhì)量。

以9 鄰域?yàn)槔ㄈ鐖D6），假設(shè)像素（i，j）光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分布為Hi，j（t，N），其中t為光子到達(dá)時(shí)刻，N為對(duì)應(yīng)光子計(jì)數(shù)值。通過9 鄰域光子計(jì)數(shù)累加得到新光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分布，再根據(jù)峰值-閾值法將提取目標(biāo)回波。

圖6 9 鄰域空間相關(guān)濾波示意Fig.6 Schematic of the nine neighborhood spatial correlation filter

表1 列出了上述不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)和可能適用的應(yīng)用場景。

表1 5 種不同的方法對(duì)比Table 1 Comparison of the five different methods

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)現(xiàn)激光三維成像的兩種方式：掃描成像和凝視成像。掃描成像一般采用雙光楔、振鏡或者M(jìn)EMS、快反鏡等進(jìn)行逐點(diǎn)掃描發(fā)射激光覆蓋探測視場，采用點(diǎn)元探測器接收回波信號(hào)。單元探測器光敏面較小，且逐點(diǎn)掃描非常耗時(shí)，因此該方式成像視場難以做大，成像實(shí)時(shí)性難以提升。凝視成像一般采用大激光光斑直接照射覆蓋探測視場，采用陣列探測器接收信號(hào)，該方式具有體積小易于集成等優(yōu)點(diǎn)。激光經(jīng)過擴(kuò)束后到達(dá)目標(biāo)時(shí)激光能量密度將極大衰減，且大面陣探測器接收回波時(shí)激光功率密度將進(jìn)一步衰減，因此該方式短期內(nèi)難以滿足遠(yuǎn)距離成像需求。

搭建了細(xì)光束發(fā)射掃描與面陣探測器接收相結(jié)合的激光三維成像實(shí)驗(yàn)裝置，如圖7（a）。采用二維掃描器件實(shí)現(xiàn)激光細(xì)光束快速掃描發(fā)射（2.5°×2.5°）并覆蓋探測視場（2°×2°），細(xì)光束發(fā)射能保證到達(dá)目標(biāo)處的激光能量密度。采用面陣探測器接收激光回波信號(hào)能夠保證大視場成像探測。激光發(fā)射和接收同軸可最大限度保證視場內(nèi)激光能量利用率。二維掃描器掃描頻率達(dá)kHz 量級(jí)可最大限度提升單元視場內(nèi)激光回波率。

圖7 基于掃描發(fā)射與面陣接收相結(jié)合的激光成像實(shí)驗(yàn)Fig.7 Laser imaging experiment base on fine beam scanning and Gm-APD FPA receiving

脈沖激光器（波長1 550 nm，脈寬1 ns，單脈沖能量0.1 mJ）經(jīng)過光束整形光學(xué)系統(tǒng)后的束散射角為1 mrad，通過反射鏡和掃描器進(jìn)行二維掃描發(fā)射，空間掃描圖案可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置。采用卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)接收激光回波信號(hào)，經(jīng)過長通濾光片（帶外截止深度OD 6，透過率95%@1 064 nm）和窄帶濾光片（Δλ=2 nm，透過率90%）后匯聚至Gm-APD FPA（橫向分辨率64×64，時(shí)間分辨率1 ns，門寬9 bit）。激光器重頻與Gm-APD FPA 幀頻同步設(shè)置為20 kHz。電延遲器用于調(diào)節(jié)探測器距離門開啟時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)感興趣距離目標(biāo)探測。基于Gm-APD FPA 輸出“0”或者“1”數(shù)字化信號(hào)，以及二維掃描器方位反饋信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)距離重構(gòu)流程，如圖7（b）。

由于采用細(xì)光束掃描發(fā)射導(dǎo)致探測器單像元無法全程實(shí)時(shí)地接收目標(biāo)回波信號(hào)，有效回波僅在斷續(xù)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)，大部分時(shí)刻接收噪聲響應(yīng)。結(jié)合激光光束掃描方位信息，在探測器輸出信號(hào)時(shí)域上進(jìn)行精確間隔取樣，保證統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的目標(biāo)回波信號(hào)占大多數(shù)，降低光子計(jì)數(shù)直方圖中噪聲計(jì)數(shù)。以像元（i，j）為例（i∈［1，64］，j∈［1，64］），在單個(gè)探測器采樣周期內(nèi)，統(tǒng)計(jì)激光光束發(fā)射方位（θx，θy）處于像元（i，j）視場范圍（Δx，Δy）內(nèi)的所有時(shí)刻Tt（t∈［1，64］），其中單像素視場內(nèi)響應(yīng)目標(biāo)回波的次數(shù)是由激光掃描周期決定，最終對(duì)所有時(shí)刻Tt進(jìn)行直方圖分布統(tǒng)計(jì)，通過上述多類距離重構(gòu)方法提取目標(biāo)距離。

3 結(jié)果與分析

在室外幾百米以內(nèi)對(duì)目標(biāo)模型（大小100 mm×90 mm）開展了三維成像實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)背景為天空云層。采用光子計(jì)數(shù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)法得到2 Hz 幀頻下的目標(biāo)3D 距離像和2D 強(qiáng)度像，如圖8。通過距離重構(gòu)可以清楚看到目標(biāo)整體輪廓，但是目標(biāo)邊緣以及探測器其他視場內(nèi)存在較多噪聲，不利于后續(xù)激光三維圖像目標(biāo)特征提取與識(shí)別等應(yīng)用。目標(biāo)強(qiáng)度像不均勻主要是由目標(biāo)反射率差異、探測器響應(yīng)非均勻等因素引起的，2D 強(qiáng)度像可用輔助3D 距離像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。圖9 是選取圖8 中像素點(diǎn)（15，32）（代表目標(biāo)點(diǎn)）和像素點(diǎn)（42，42）（代表背景點(diǎn)）的2 Hz 光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖，其中目標(biāo)處具有較強(qiáng)回波光子計(jì)數(shù)，通過峰值—閾值方法較容易判定目標(biāo)距離，而背景處均是符合泊松分布特點(diǎn)的噪聲響應(yīng)。以目標(biāo)回波信號(hào)背景比值（Signal Background Ratio，SBR）作為定量比對(duì)評(píng)估參數(shù)，SBR 被定義為目標(biāo)回波處10 Bin 內(nèi)光子計(jì)數(shù)值比上10 Bin內(nèi)噪聲光子計(jì)數(shù)值，圖9（b）中目標(biāo)的SBR 為6.02。

圖8 激光雷達(dá)成像結(jié)果（2 Hz）Fig.8 The results of LiDAR imaging（2 Hz）

圖9 光子飛行時(shí)間分布（2 Hz）Fig.9 Distribution of TOF（2 Hz）

針對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)激光三維成像應(yīng)用，成像幀頻2 Hz 無法滿足應(yīng)用需求，因此需要開展少幀統(tǒng)計(jì)下目標(biāo)距離重構(gòu)方法比對(duì)。為比較不同距離重構(gòu)方法，選擇圖8 中（42，42）目標(biāo)像素點(diǎn)中的1 000 幀數(shù)據(jù)作為比對(duì)對(duì)象，如圖10。其中，圖10（a）和圖10（b）分別采用高斯匹配（σ=2 Bin）和矩形匹配（3 Bin 矩形和5 Bin 矩形）方法，獲得的新光子計(jì)數(shù)直方圖曲線更加平滑，有利于后續(xù)目標(biāo)回波信號(hào)提取。圖10（c）采用線性擬合方法后，擬合值與原始數(shù)值的差值歸一化曲線反而無法提取出目標(biāo)回波信號(hào)。圖10（d）分別采用了3 Bin、5 Bin和7 Bin 時(shí)間鄰域相關(guān)處理，時(shí)間鄰域差值曲線中仍無法提取出目標(biāo)回波信號(hào)。圖10（e）是對(duì)（42，42）像素的9 鄰域200 幀光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加處理，可以發(fā)現(xiàn)在單像素?zé)o法提取目標(biāo)回波的情況下，9 鄰域空間相關(guān)處理后更有利于提取目標(biāo)距離信息。

通過上述距離重構(gòu)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鄰域時(shí)間相關(guān)處理后反而無法提取目標(biāo)距離信息，主要原因是所使用的Gm-APD FPA 器件在時(shí)間軸上的響應(yīng)不均勻，具體表現(xiàn)在：連續(xù)1 000 幀探測中Gm-APD FPA 的（42，42）像素響應(yīng)光子數(shù)僅為201，在50 Bin～450 Bin 時(shí)間軸上只有136 個(gè)Bin 上存在光子響應(yīng)。單元Gm-APD 器件時(shí)間響應(yīng)均勻性比Gm-APD FPA 器件更好，采用單元Gm-APD 器件將會(huì)取得較好距離重構(gòu)效果［17］。

圖10（a）～（c）原始數(shù)據(jù)中SBR 為7.40，經(jīng)過高斯匹配、矩陣匹配以及線性擬合等方法處理過后，SBR 值分別變?yōu)?.41、9.40 和8.23。高斯匹配方法處理后效果不明顯，矩陣匹配和線性擬合處理方法有一定效果提升。圖10（e）原始數(shù)據(jù)中9 鄰域SBR 均值為0.50，經(jīng)過鄰域空間相關(guān)方法處理過后，SBR 值分別變?yōu)?.67，經(jīng)空間相關(guān)處理方法后SBR 有數(shù)量級(jí)提升效果。根據(jù)SBR 提升效果，選取傳統(tǒng)光子計(jì)數(shù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)方法、矩陣匹配方法和空間相關(guān)方法等三種方法進(jìn)行3D 圖像重構(gòu)。

圖10 不同幀重構(gòu)方法獲得新的光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.10 New photon counting statistical histogram obtained by different methods

圖11 為不同成像幀頻下的目標(biāo)3D 圖像重構(gòu)結(jié)果。通過三維圖像初步比較可以看出，空間相關(guān)方法在少幀（100 Hz）統(tǒng)計(jì)情況下仍具有較好的3D 圖像重構(gòu)質(zhì)量，目標(biāo)內(nèi)部空缺的距離值會(huì)得到填補(bǔ)，三維圖像較平滑，但會(huì)造成少數(shù)邊緣細(xì)節(jié)部分丟失；矩陣匹配傳統(tǒng)方法在多幀（40 Hz 和20 Hz）統(tǒng)計(jì)情況下可以取得較好的去噪效果。在實(shí)際應(yīng)用過程中去噪方法選擇與器件性能（死時(shí)間、暗計(jì)數(shù)等參數(shù)）密切相關(guān)，比如時(shí)間相關(guān)方法在單元Gm-APD 器件中具有較好去噪效果［17］，但在本文中的面陣蓋格器件中難以取得較好效果。

圖11 100 Hz、40 Hz 和20 Hz 成像幀頻下的三維圖像重構(gòu)Fig.11 3D image reconstruction under 100 Hz，40 Hz，20 Hz frame per second conditions，respectively

從本質(zhì)上來說，文中提到的空間相關(guān)方法（匹配方法、擬合方法、時(shí)間相關(guān)方法）和TCSPC 方法是同一類方法，空間相關(guān)方法是借助面陣探測器和目標(biāo)局部表面連續(xù)的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，匹配方法、擬合方法和時(shí)間相關(guān)方法是借助目標(biāo)回波聚集在同一時(shí)間附近的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。空間相關(guān)法等是一種技術(shù)層面的方法，TCSPC 方法是一種物理層面的方法。在實(shí)際應(yīng)用過程中需要根據(jù)成像系統(tǒng)的激光發(fā)射與接收特點(diǎn)、探測器件特點(diǎn)、目標(biāo)特性以及應(yīng)用場景進(jìn)行綜合考慮，尋找出最優(yōu)的解決方案。

噪聲抑制和距離重構(gòu)始終是光子計(jì)數(shù)成像算法的核心問題之一。硬件系統(tǒng)可較好濾除大部分噪聲，而高效且抗噪距離重構(gòu)算法是目標(biāo)高質(zhì)量三維成像的保障。除了設(shè)計(jì)優(yōu)化硬件系統(tǒng)與采用新型物理降噪原理［4，6］，抑噪算法可大致分為信號(hào)級(jí)（單像素回波）抑噪與圖像級(jí)（三維回波）抑噪，信號(hào)級(jí)抑噪算法有明確的物理背景與意義，圖像級(jí)抑噪算法可分析利用三維回波信息，功能擴(kuò)展性好但計(jì)算量大［9-11］。本文研究聚焦在信號(hào)級(jí)抑噪和目標(biāo)距離重構(gòu)方面，后續(xù)需要根據(jù)回波特性分析結(jié)果以及應(yīng)用需求，綜合確定最終距離重構(gòu)方法。

4 結(jié)論

分析了光子計(jì)數(shù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)、線性/指數(shù)擬合、矩陣/高斯匹配、時(shí)間相關(guān)、空間相關(guān)等方法原理與特點(diǎn)，以及對(duì)目標(biāo)距離重構(gòu)精度的影響。提出一種細(xì)光束發(fā)射掃描與面陣探測器接收相結(jié)合的激光三維成像實(shí)驗(yàn)方案，該方案兼顧提升目標(biāo)處激光能量密度和擴(kuò)大成像視場的特點(diǎn)。采用激光掃描方位信息聯(lián)合的處理方法，在回波數(shù)據(jù)處理過程中融合掃描方位提高探測信噪比。

基于面陣蓋格APD 陣列原始數(shù)據(jù)，開展了不同距離重構(gòu)方法處理結(jié)果比對(duì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)空間相關(guān)方法具備較好的面陣蓋格器件距離重構(gòu)效果，能夠提升三維成像幀頻。系統(tǒng)梳理了重構(gòu)方法并開展實(shí)驗(yàn)比對(duì)，研究結(jié)果可為強(qiáng)噪聲背景下激光三維成像高幀頻、高分辨成像探測應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)支撐。下一步將開展室外遠(yuǎn)距實(shí)驗(yàn)，探索研究基于Gm-APD PFA 器件的三維圖像目標(biāo)識(shí)別與跟蹤應(yīng)用。