激光三维成像中光电混频技术的研究进展 
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1 引言
随着激光技术的不断发展,激光雷达在国内外得到了迅速发展,其中三维成像激光雷达作为一种新型的成像技术,在20世纪90年代末就已被提出,当前正处于快速发展阶段[1]。该技术具有成像精度高,探测距离远,三维图像获取速度快等优点,在军用和民用领域具有广泛应用[2]。其中无扫描调频连续波(FMCW)激光三维成像凭借杰出的环境适应性、目标适应性和抗干扰能力,适用于复杂光照和干扰条件下空间目标的三维成像,同时不易使探测器饱和甚至损毁,无需多次累积探测和双相机接收,无测距盲区和距离模糊问题,具有测距精度高、距离解算方法简单等优点[3]。
美国陆军实验室、美国海军和英国宇航系统公司,以及国内的航天工程大学、中国科学院西安光学精密机械研究所、西南技术物理研究所等多家单位持续深入地研究了FMCW激光三维成像系统的关键技术,并研制出了原理样机。研究结果表明:如何高效地实现高分辨率、高灵敏度、超宽带外差接收是该技术走向实用的瓶颈,而光电混频正是突破这一技术瓶颈最有效的途径之一。为此,国内外多家单位先后系统研究了基于线性模式雪崩光电二极管(LM-APD)、金属半导体金属(MSM)、盖革模式雪崩光电二极管(GM-APD)、像增强电荷耦合器(ICCD)、电子轰击有源像素传感器(EBAPS)的光电混频技术。本文整理了多种光电器件的国内外相关研究工作,追踪并归纳了其研究进展。
2 光电混频基本原理及研究现状
光电混频技术的基本模型如
根据文献[
5-34],实现光电混频的器件有很多,光电混频技术分类如
2.1 基于独立光电器件的光电混频
2.1.1 线性模式雪崩光电二极管
1970年,英国萨利大学的Davis等[5-6]验证了APD光电混频的可行性,并进行了相关理论和实验研究。在此基础上,Seeds等[7]分段建立了LM-APD光电混频的数学模型,其混频效率的研究结果在趋势上与之前的报道基本一致。此后,Castagnet[8]和Moutaye等[9]构建了不同光电流下LM-APD增益特性模型,并研究了混频效率与本振信号的关系,得到了光电流对混频效率和信噪比的影响规律。2014年,航天工程大学的Song等[10]从APD倍增过程中空间电荷动态分布入手进行分析,揭示了空间电荷效应对光电混频性能的影响规律。至此,基于LM-APD的光电混频理论研究已较为完备。
在器件方面,雷神公司于2011年研制出了256×256的碲镉汞(HgCdTe) LM-APDs阵列,其示意图如
图 3. 美国DRS公司生产的HgCdTe LM-APDs示意图[11]。 (a)截面图;(b)俯视图
Fig. 3. Schematic of HgCdTe LM-APDs produced by DRS company in USA[11]. (a) Cross-section; (b) top view
2012年,法国CEA-LETI与以色列的Sofradir公司合作,研制了一种基于HgCdTe的LM-APDs,探测器的像素规模为320×256[13]。2013年,George M. Williams团队对砷化铟镓(InGaAs) LM-APD进行研究,研制的基于InGaAs的LM-APD的结构如
国内方面,2011年东南大学设计了LM-APD主/被动红外成像读出电路[15],阵列的验证规模为64×64。2013年,中国电子科技集团公司第四十四研究所设计并分析了64×64 氮化铝镓(AlGaN) APD焦平面阵列的读出电路[16],利用等效电路模型推导得到积分电容为70 pF,放大增益可达到300。2014年,中国科学院上海技术物理研究所设计了一种用于门控激光成像雷达的制冷型数字化混成式HgCdTe LM-APDs焦平面阵列的读出电路,其正常工作温度为77 K,阵列规模为128×128[17]。
2.1.2 金属半导体金属(MSM)
美国陆军研宄实验室(ARL)对MSM光电混频开展了深入研究。Shen等[18-19]首先基于MSM物理模型建立了电压-电流响应特性曲线,而后根据光电混频原理建立了MSM光电混频模型。通过实验发现,实际MSM的饱和电流和光生电流不完全相等,造成了电压-电流响应关于0 V电压不对称,这会使得混频电流中存在较大的直流(DC)成分,从而引起自混乱效应现象。研究人员还发现混频效率随调制频率增大而逐渐减小,随入射光功率增大而增大。
ARL的Aliberti等[20]改进了InGaAs MSM的结构,使其在调制带宽为800 MHz、入射光功率为1 μW量级时,实现混频响应最高达到0.17 A·W-1,混频效率达到35%。为了更进一步提高响应度,ARL引入了高能隙晶格匹配磷化铟/砷化铟铝(InP/InAlAs)肖特基势垒增强层,响应度提高一倍约达到0.43 A·W-1,暗电流为1 nA。
2011年,中国科学院西安光学精密机械研究所张立臣等[21]根据ARL提出的理论,研制出了响应度较高的32×32 砷化镓(GaAs) MSM阵列芯片,暗电流更大,稳定性不高,有待进一步优化。2015年,该机构重新设计了MSM探测器的外延材料结构和叉指电极结构,采用LP-MOCVD完成了对外延材料的生长,制备了叉指电极,完成了单元探测器的初步封装,经过测试暗电流密度为0.6~0.8 pA·μm-2,1550 nm波段响应度能达到0.554 A·W-1,量子相率为88.7%。但探测器面积仅有(100×100) μm2,还未做成面阵型。西南技术物理研究所余明权等[22]也利用该32×32 GaAs MSM阵列开展了光电混频实验,发现存在频谱分裂现象,限制了MSM光电混频的实际应用。
2.1.3 盖革模式雪崩光电二极管(GM-APD)
ARL的Redman等[23]首次提出并通过实验验证了盖革APD光电混频。实验中,他们实现了接近散粒噪声极限的高灵敏度接收,灵敏度约为MSM光电混频的10000倍。在此基础上,哈尔滨工业大学张子静等[24]沿着ARL思路,对GM-APD实现光电混频并进行了理论研究和仿真分析,采用不同的算法提取了遮蔽目标信息。2013年,该团队又提出了一种基于GM-APD探测器预混频的方法[25],提高了系统的信号带宽,并且消除了探测器死区时间的影响。
2012年,美国雷神(Raytheon)公司研制了基于HgCdTe GM-APDs探测器的成像激光雷达,目前可做到256×256规格的阵列,主要应用于航天器导航和登月飞行器自主着陆[26]。2014年,美国Princeton Lightwave公司对规格为32×32和128×32的InGaAs GM-APD进行研究,其生产的32×32 InGaAs GM-APD的结构如
国内资料显示,对于GM-APDs阵列,目前只有中国电子科技集团公司第四十四研究所研制出了32×32的InGaAs GM-APDs探测器阵列,但其性能与国外存在较大差距,还未达到三维成像的应用标准[28]。其他研究团队目前仅开展了理论研究和仿真分析,还未研制出相关样品。
图 5. 美国Princeton Lightwave公司生产的32×32 InGaAs GM-APD的结构[27]
Fig. 5. Structural diagram of 32×32 InGaAs GM-APD produced by Princeton Lightwave company in USA[27]
2.2 基于组合光电器件的光电混频
2.2.1 像增强电荷耦合器(ICCD)
ICCD由像增强管(IIT)和电荷耦合器件(CCD)通过中继元件组合而成,其结构示意图如
我国微光技术起步较晚,像增强器主要通过引进仿制,价格昂贵。国外已经研制出高性能第4代像增强管,我国已经研制出了第3代IIT的样品,其光电阴极灵敏度基本达到国外水准,技术瓶颈在于中继元件耦合问题,器件的稳定性和可靠性不足[30-31]。
2.2.2 电子轰击有源像素传感器(EBAPS)
EBAPS结构与ICCD相比,省去了结构复杂的IIT以及中继元件,减少了光损耗;相比电子倍增电荷耦合器件(EMCCD),具有更小的增益过剩噪声[32]。EBAPS凭借其良好的性能有望替代ICCD和EMCCD的下一代高性能弱光成像探测器。美国Intevac公司生产的EBAPS探测器芯片如
图 7. 美国Intevac公司生产的EBAPS探测器芯片[32]
Fig. 7. EBAPS detector chip produced by Intevac company in USA[32]
表 1. EBAPS的性能参数
Table 1. Performance parameters of EBAPS
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Stann研究团队对EBAPS的光电混频性能进行了实验研究,实验证明EBAPS响应度为150 A·W-1,增益可达300,器件调制效率高,极低的过剩噪声可以有效提高信噪比。然而在实验中,为了实现30%的混频效率,需要对EBAPS偏置电压加载峰峰值为440 V的电信号,功率消耗巨大[33],并且其成像帧频不到40 frame·s-1,需要降低分辨率来提高成像帧速。
宋德等[34]对P型基底均匀掺杂条件下EBAPS电荷收集效率开展了模拟研究,但该研究处于理论研究和模拟仿真阶段,未见产品的相关报道。由于探测器发展较慢,在国内尚无基于EBAPS成像探测系统的研究报道。
2.3 存在问题
研究现状表明,光电混频技术按照基于独立光电器件和基于组合光电器件两种实现途径不断发展,对无扫描FMCW激光三维成像性能有了不同程度的改善,但是现有光电器件存在调制信号功耗较大、混频带宽不足、混频噪声水平较高、探测器阵列像素规模较小等缺点,因此现有光电混频技术都难以实现高分辨率、高灵敏度超宽带外差接收,从而阻碍了无扫描FMCW激光三维成像的实用化进程。特别对于国内而言,该技术的发展面临两大难题:一是国内半导体产业技术水平落后,短时间内无法研制出大面积、高性能的探测器阵列;二是国外对相关器件严格禁运,对我国实行技术封锁,切断了外部技术的支持。为了突破这一瓶颈问题,一方面要继续提高国内半导体产业技术水平,研制出具有高性能探测器阵列;另一方面,从中频信号混频解调的原理入手,并结合当前较为成熟的光电探测技术,开辟一条高效且易于工程实现的混频解调新路径。
3 解决方案及优势
近年来,研究人员将微波技术与光子学相结合,提出了一门新型的交叉学科——微波光子学(MWP)。微波光子变频技术是将射频信号用电光调制器调制到光波上,在光域内运用光信号处理方法对信号进行变换,使得光电探测器输出的电信号频率发生变化的技术。
ARL的Gopalakrishnan等[35-36]首先系统地研究了波导结构铌酸锂电光调制器的微波光子混频技术。他们利用两个马赫-曾德尔(MZ)干涉型电光强度调制器串联构建了一种新型微波光电混频器,其结构框图如
图 8. 新型微波光电混频器的结构框图[35-36]
Fig. 8. Structural diagram of novel microwave photoelectric mixer[35-36]
在国内,西安电子科技大学、北京邮电大学、南京邮电大学等单位深入研究了微波光子变频技术,得到以下结论[37-39]:
1) 链路变频增益与入射光功率呈正比,当工作于最佳线性偏置点时,可提高链路增益和线性动态范围;
2) 变频信噪比与入射光功率呈正比,当工作于最佳线性偏置点时,能有效降低链路噪声系数;
3) 下变频增益与调制电压幅度的平方呈反比。
微波光子变频技术与光电混频技术原理相同,均是将本振信号和射频信号相乘产生中频信号,并且要实现的功能也相同,这对光电混频技术的发展方向具有极大的参考价值。微波光子变频技术采用波导型电光调制器实现频率变化,在光纤通信、MWP领域应用广泛。但波导型电光调制器的通光孔径较小、传输的光功率较低,极大地限制了其在目标成像领域的应用。
根据文献报道,近年来,国内外一些研究机构开始探究体型电光调制器在目标探测、空间光通信等领域的应用前景。美国TetraVue公司利用多个体电光调制器以及现有的CCD和CMOS设计了一种基于偏振调制技术的高分辨率三维成像系统,并在实验环境下获得了运动目标的三维图像[40-41]。航天工程大学对体型电光调制器成像系统从原理上进行分析推导,进一步研究了调制信号形态对系统性能的影响[42]。中国科学院光电技术研究所刘博等[43-44]在美国TetraVue公司的技术原理基础上,利用两个体型电光调制器和EMCCD进行探测实验。长春理工大学设计加工了体型电光调制器,并通过空间激光通信演示实验验证了采用体型电光调制器使光通信中光传输系统具有大容量、大功率、高速率优点的结论[45-46]。目前美国Fast Pulse Technology公司生产的体型电光调制器口径尺寸能达到50 mm,其生产的大口径晶体如
图 9. 美国Fast Pulse Technology公司生产的大口径晶体
Fig. 9. Large diameter crystals produced by Fast Pulse Technology company in USA
针对目前光电混频技术存在的诸多问题,根据微波光子下变频技术原理以及体型电光调制器的研究现状,提出了基于体型电光调制器的光电混频技术,即利用体型电光调制器在光学层面混频解调出中频信号,技术优势具体如下:
1) 体型电光调制器具有大口径优势,后端可采用高分辨率、低成本、成熟的图像传感器进行接收探测,从而可解除三维成像应用中三维传感器对图像分辨率的限制;
2) 电光调制器在光学层面进行混频解调,相比于光电混频探测器省去了多重“光-电”“电-光”转换过程,减小了能量损失,提高了利用率,减小了电学噪声,提高了信噪比;
3) 体型电光调制器的调制带宽能达到几百兆,可满足光电混频带宽需求,后端探测器满足中频信号带宽即可,因此降低了对后端探测器响应带宽的要求。
4) 通过选择不同晶体材料、晶体结构设计等方式降低了体型电光调制器半波电压,可有效降低系统功耗。
4 结束语
针对当前光电混频技术存在调制功耗较大、混频带宽不足、噪声水平较高、探测器阵列像素规模较小等问题,受相关领域技术启发并结合当下研究热点,明确了利用体型电光调制器实现光电混频的优势所在,既具有可实现高分辨率、高能量利用率、高信噪比、降低探测器带宽要求等技术优势,又具有良好的应用前景,对光电混频技术发展具有重要意义。
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