综述：单光子激光雷达技术研究现状及展望

随着单光子探测器（SPD）、时间数字转换器（TDC）等器件性能的进步，采用SPD作为探测器件的单光子激光雷达系统实现了光量子级别的探测灵敏度，显著降低了接收端对信号回波的响应阈值，使得激光雷达对超远距离、低反射率目标的探测成为现实；基于时间相关单光子计数（TCSPC）技术的激光雷达具有探测灵敏度高、激光能量利用率高、时间分辨力高的特点，可以在千米级远距离探测领域充分发挥优势。

据麦姆斯咨询报道，近日，中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所的科研团队以单光子雪崩管（SPAD）单光子激光雷达为重点，从器件特性出发，介绍TCSPC探测体制基本原理，从系统和算法两方面分析单光子激光雷达的优化方法，并对单光子激光雷达的典型应用场景及研究现状展开探讨，最后对单光子激光雷达的未来发展进行展望。相关综述内容以“单光子激光雷达技术研究现状及展望”为题发表在《计测技术》期刊上。

单光子激光雷达基本探测原理

单光子激光雷达使用量子光探测手段（例如单光子探测器）提升探测性能。其发射具有一定重复频率和能量的脉冲激光，通过单光子探测器探测微弱的光子回波（即光功率为10⁻¹⁵ W量级甚至更低水平），将探测到的光子回波事件转换为对应时刻的电脉冲，随后传递给时间相关单光子计数器进行高精度时间统计、计数，再作后续处理。

时间相关单光子计数探测原理

单光子探测器的响应方式与线性探测器不同，对于到达单光子探测器的光子事件，其响应是随机且二值化的，即探测器仅能反映当前时刻是否存在光子，但不能区分光子来源于信号还是噪声，因此，仅凭单次测量无法获取目标的距离信息。相较线性探测，单光子探测对单次测量回波的信噪比没有较高要求，对激光功率要求更低。其更强调高接收灵敏度，充分利用少量光子的回波信息，提升激光能量利用率。时间相关单光子计数探测基本原理如图1所示。

图1 时间相关单光子计数探测基本原理

单光子探测器件研究现状

作为单光子激光雷达的核心部件，单光子探测器件的性能很大程度上决定了整个探测系统的性能上限。单光子探测器的主要性能参数包括光子探测效率（PDE）、死时间、后脉冲概率（AP）、时间抖动、暗计数率（DCR）。根据器件探测原理不同，单光子探测器分为光电倍增管（PMT）、超导纳米线单光子探测器（SNSPD）、盖革模式雪崩二极管（Gm-APD）。

单光子激光雷达系统硬件组成

常见的时间相关单光子成像系统主要包括脉冲信号发生器、激光源、收发光路、单光子探测器、时间相关单光子计数器以及控制与数据处理等模块，如图2所示。

图2 单光子激光雷达系统结构

单光子激光雷达系统优化研究现状

单光子探测器具有高灵敏度特性，但也更容易受噪声影响，为信号的重建带来了更大的不确定性。为了更有效地接收有用信号并从原始探测数据中筛除干扰噪声，可以针对硬件和图像重建算法进行改进。

硬件改进

单光子激光雷达系统硬件改进的常规手段主要包括空间滤波、光谱滤波以及时间滤波等。一般而言，仅采用单一类型的背景噪声抑制方法效果有限，通常需要将多种方法组合使用，以达到较好的抑制效果。

算法改进

除了高效的收发系统设计，高性能的成像算法对单光子激光雷达系统同样不可或缺。常规的中值滤波、点云空间单元阈值去噪等方法可有效滤除原始点云数据中的泊松分布噪声，但此类方法在重建图像过程中会损失边缘细节信息，忽略返回信号的时空分布规律。充分利用概率分布差异以及相关性等特性建立的重建算法具有更优良的性能。

单光子激光雷达技术应用

地基远距离目标成像

单光子激光雷达的高灵敏度特性使其具有优于一般激光雷达的远距离目标成像能力，国内外研究人员均对其进行了深入研究。2020年起，中国科学技术大学徐飞虎团队提出了一种利用超越瑞利衍射极限实现亚像素扫描的单光子探测成像系统，并持续对其深入研究；2021年，该团队设计了紧凑型共轴单光子成像系统，实现了201.5 km处山体的三维成像，整个图像的单像素平均光子回波为0.41个，实验系统结构及效果如图3所示，成像结果如图4所示。

图3 201.5 km远距离单光子探测成像实验

图4 201.5 km远距离单光子探测成像结果

单光子激光雷达在mW级激光功率下即可具备超远距离的探测能力。除了提升激光功率和增大接收口径外，采用更高探测效率的探测器、更低噪声的系统设计、更高性能的信号处理算法有望进一步提升有效探测距离。优化器件、系统、算法设计以提升在瑞利极限、远距离光束发散等物理制约因素下的探测性能，进一步限制噪声，是单光子激光雷达在远距离探测领域的发展方向。

空天遥感测绘

机载单光子激光雷达在遥感测绘领域已有较为成熟的应用。2024年，中国科学技术大学徐飞虎团队使用激光器与64 × 64的InGaAs SPAD阵列搭建机载试验装置，成像结果如图5所示。

图5 成像结果

空间探测、星载对地探测等应用面临探测距离远（100 km级以上）、大气光学吸收等问题，单光子成像系统具有高灵敏度特性，可满足上述场景下的应用需求，在星载对地测绘等领域已有一系列应用实例。星载单光子激光雷达的成功应用体现了其对微弱信号的有效探测能力，在光子回波量级与暗计数率相当甚至更低时，信号很可能会被噪声湮没。如何突破器件暗计数与光子探测效率之间的制约，从暗计数噪声中提取少数光子回波，成为该领域的一项挑战性课题。

复杂场景成像

对于普通激光雷达而言，其探测性能容易受复杂光学衰减环境的影响，雨雾、烟尘、水下环境等对主动探测光源的散射较强，目标难以被有效照射，而衰减路径中的后向散射光进入接收装置，对探测精度、动态范围等均会产生显著影响。而单光子激光雷达凭借其超高灵敏度，结合低吸收率的光波长窗口，能够有效提升最大探测距离，实现复杂、恶劣环境场景下的三维成像。2024年，厦门大学SHANGGUAN M J等人提出了一种应用单光子探测技术的紧凑型水下激光雷达（SPUL）系统，探测系统结构如图6所示。

图6 探测系统结构

对于烟雾、水下等特殊探测环境，激光能量在较短的距离内急剧衰减，后向散射更为明显，这对单光子探测的动态范围提出了更高要求。过强的光束照射易使探测器逼近饱和，甚至对光敏面造成不可逆损坏。使用双接收镜头系统有望解决上述问题。此外，通过器件、系统光路及自适应控制结构与算法的优化改进，未来有望实现更高动态范围的单光子探测。

总结与展望

单光子探测体制的出现与核心器件的发展成熟使基于飞行时间（ToF）测量法的激光雷达具有更高的探测灵敏度，在远距离成像、星载机载探测、烟雾、水下环境三维成像等领域实现了成功应用。本文介绍了单光子激光雷达系统的探测原理、核心器件与系统构成，阐述了单光子激光雷达技术性能优化相关研究进展，探讨了单光子激光雷达在不同场景下的应用情况。当前，单光子激光雷达技术仍在快速更新迭代，下面对单光子激光雷达技术未来的发展方向进行展望：（1）单光子探测器件设计与工艺水平快速发展，拓展探测器响应波段、持续优化器件设计与工艺水平、应用新结构与新材料是SPAD的重要发展趋势；（2）单光子成像算法随着系统发展快速迭代，应用更先进的成像算法实现更深层次的信息挖掘是未来的研究重点；（3）以单光子探测技术为基础，结合其他先进技术实现创新性应用，为需要微弱光信号探测的研究领域提供了新思路。

来源：MEMS