單光子激光雷達是一種基于微弱光探測的新型激光雷達（LiDAR）技術，可實現單個光子探測與計數，目前已達到了理論的探測極限，如今與弱光探測、超遠距探測、人工智能等技術領域緊密結合并共同發(fā)展，產生了諸多研究成果。不同于傳統激光雷達，單光子激光雷達通過對回波光子信號進行時間累積恢復出回波信號的離散波形，獲取目標距離與反射率信息。

據麥姆斯咨詢報道，近期，北京航空航天大學和南京大學的研究人員組成的團隊在《中國激光》期刊上發(fā)表了題為“單光子激光雷達的研究進展”的最新論文，回顧了單光子激光雷達系統和相關算法的發(fā)展歷史，重點介紹了典型的單光子激光雷達系統與圖像重建算法，討論了在遠距離探測、無人駕駛領域的技術應用和發(fā)展現狀，并對單光子激光雷達的未來發(fā)展前景進行了展望。

單光子激光雷達基本工作原理

隨著高靈敏的單光子探測器（SPD）與時間相關單光子計數（TCSPC）技術的發(fā)展，TCSPC激光雷達逐步發(fā)展形成了基于少量光子回波探測的新型激光雷達系統。TCSPC激光雷達的接收靈敏度達到了能夠響應單個光子能量的水平，則稱為“單光子激光雷達”。

單光子激光雷達核心組成

單光子激光雷達的核心組成部分主要由激光器、收發(fā)光路、單光子探測器、TCSPC模塊以及控制與數據處理端組成。單光子激光雷達的主要性能指標包括探測距離、探測精度。其中，探測精度又包含測距精度和圖像灰度精度。影響單光子激光雷達性能指標的因素主要包括大氣傳輸影響與系統硬件性能。大氣傳輸的影響主要包括自由空間中光傳輸衰減、大氣湍流以及自由空間背景噪聲等。激光在自由空間中傳輸時，大氣中的吸收、散射都會影響激光投射和接收的能量，因此需要選擇大氣窗口的波段進行激光雷達探測。大氣湍流則影響投射光束的路徑，造成光束偏轉，影響對目標成像的分辨率。自由空間中的背景噪聲對單光子激光雷達影響主要體現在信號探測信噪比上，而有效抑制背景噪聲是提升雷達信號收集效率的一項重要工作。

單光子激光雷達系統常用激光器的波段從可見光覆蓋至近紅外波段，并且正朝著中紅外波段發(fā)展。對于近紅外波段的脈沖光源主要有超短脈沖鎖模激光器、光纖激光器與調Q固體激光器等。

常見的TCSPC成像系統大致可分為共軸光路與非共軸光路兩大類。其中，共軸光路視場易于調節(jié)，且不存在視差的問題，能夠在不調節(jié)收發(fā)光軸角度的條件下保證不同距離下的成像，結構如圖1所示。

圖1 典型共軸單光子激光雷達系統的結構圖

SPD主要包括微通道板探測器、光電倍增管（PMT）和半導體雪崩二極管（APD）。PMT具有較大的光敏面，對可見光可進行有效的單光子探測，但存在暗計數高、偏置電壓高、紅外波段探測效率較低以及時間抖動高等缺點。相較于PMT，APD具有可靠性高、集成度高、偏置電壓低等諸多優(yōu)勢。APD可采用線性模式工作，具有一定增益，但此時的靈敏度遠不能達到單光子量級。為了使APD具有單光子探測靈敏度，可使其在蓋革（Geiger）模式下，以雪崩擊穿狀態(tài)工作，此時則稱為單光子雪崩二極管（SPAD）。隨著 InGaAs/InP SPAD單光子探測器的出現，單光子激光雷達系統由可見光向近紅外甚至中紅外方向發(fā)展。SPAD因具有靈敏度高、功耗低、工作頻譜范圍廣、體積小、工作電壓低等優(yōu)點，廣泛應用于TCSPC激光雷達系統。但SPAD在近紅外波段具有較高的DCR和后脈沖效應，因此部分研究機構將目光轉向超導納米線單光子探測（SNSPD）。

SNSPD具有極高的系統探測效率(System detector efficient，SDE>90%)、高計數率、低暗計數率（DCR<1kcps）、低時間抖動以及從可見光到中紅外的寬響應帶寬。SNSPD在近紅外波段的綜合性能已明顯超越傳統半導體的探測器。國內，南京大學的張蠟寶等人對SNSPD進行了探索研究，并已將 SNSPD應用于遠距離測距，獲得了百公里級測距結果并研究了SNSPD對測距的影響因素。制約SNSPD的條件主要是技術仍不夠成熟，系統復雜程度高以及需要嚴格的低溫制冷（低于4.2K），難以實現系統小型化應用。

單光子激光雷達研究進展

光子計數雷達自上世紀90年代誕生以來，世界上多個研究機構都進行了探索工作。目前，國外公開集中報道的單光子激光雷達以美國宇航局（NASA）、美國MIT林肯實驗室、英國Heriot-Watt大學等相關研究機構為主，國內包括中國科學技術大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、西安光機所等研究機構。為了更清晰的綜述單光子激光雷達的研究現狀，圖2按照時間梳理了單光子激光雷達發(fā)展過程中的代表性成果。

圖2 單光子激光雷達發(fā)展過程中的代表性成果

遠距離探測成像

本文主要探討基于飛行時間（ToF）測距原理的主動探測單光子激光雷達。2007年，NASA與SigmaSpace公司合作研發(fā)1550nm的三維單光子計數雷達系統，其出射激光重頻為22kHz，在330m的距離上具有亞厘米深度分辨率。系統的定時抖動為70ps，對應實驗的深度精度為1厘米，經過算法優(yōu)化后的深度精度可以達到4mm。并利用優(yōu)化后的系統并完成了海拔1km的實驗，進一步利用其進行海岸探測、海底地形形貌探測等研究，如圖3所示。

圖3 海拔1km地型探測實驗

2013年，McCarthy等人利用1550nm波段的InGaAs/InP SPAD實現了深度分辨率優(yōu)于1厘米的1公里級單光子計數成像。采用的SPAD單光子探測效率為26%，暗計數率為16kcps@230K。系統發(fā)射激光的平均光功率小于600μW，單像素采樣時間為0.5ms至20ms，此外，他們利用優(yōu)化了硬件數據采集的該系統在4.5km距離上，完成了三維目標的成像，系統結構以及實驗結果如圖4所示。

圖4 4.5公里單光子計數三維目標成像

2017年，Agata等人報道了一種實現了10km級三維成像的高效遠程單光子激光雷達系統。該系統中使用集成的收發(fā)共路結構，出射激光能量為 80nJ@125kKHHzz，回波光子單像素采集時間為300ms。采用了高效的RDI-TV圖像重構算法提高回波光子的利用效率，實現對10.5km的山坡目標準確成像，如圖5所示。

圖5 激光雷達系統結構圖（a）與10.5km的山坡目標成像實驗（b）

2020年，徐飛虎等人提出了超遠距單光子激光雷達，采用相應技術方案，有效地抑制后向散射以及背景噪聲。實現了45km外目標的三維信息獲取，整圖像的PPP為2.59個。在高效算法的基礎上，獲得了遠距離目標三維成像結果并與其他主流重構算法對比，深度分辨率達到了0.6m，可分辨出窗戶的輪廓，分別如圖6與圖7所示。

圖6 單光子雷達45km遠距離3D成像結果

圖7 白天和夜間對21.6公里處的遠程目標3D成像結果對比

2021年，南京大學張蠟寶等人提出一種基于SNSPD陣列的激光雷達，并利用該系統對100km外的軟目標與硬目標進行測距實驗，結果如圖8所示，SNSPD的暗計數為1kcps，探測效率為40%，實驗結果表明該系統具有全天候激光雷達的潛力。

圖8 對100km外目標的測距結果（a）白天對106km外云層的探測結果（b）夜間180km外山脈的探測結果

2021年，徐飛虎等人實現了200km的單光子激光雷達三維成像，整圖像的每像素平均回波光子（PPP）為0.41個，系統結構圖如圖9所示，100km外圖像重構結果如圖10所示。

圖9 激光雷達系統結構圖

圖10 126km外的山脈目標圖像重建結果

該激光雷達系統采用緊湊的共軸系統，有效抑制了系統的后向散射。激光器的波長為1550nm，出射激光能量為1.2μJ@500kHz，InGaAs/InP SPAD的制冷溫度為173K，單光子探測效率為19.3%，DCR為100cps，較之前研究工作中采用的SPD性能有著較大的提升。發(fā)射激光的發(fā)散角和接收視場分別為17.8μrad和11.2μrad，較以前的研究中采用的角度小一倍，且接近望遠鏡光圈的衍射極限。

大氣探測

目前，單光子激光雷達已廣泛應用于大氣探測激光雷達系統中，因其優(yōu)異的時空分辨率、較高的探測精度和連續(xù)的剖面數據采集能力，成為大氣探測的有力工具。單光子激光雷達可用來探測氣溶膠、云、大氣密度、臭氧、溫室氣體、風場、能見度等。工作在近紅外的激光雷達在大氣探測方面具有許多優(yōu)勢。首先，對于人眼來說是相對安全的。其次，與激光雷達系統中常用的可見光相比，水蒸氣、CO2等在近紅外的吸收截面很小，因此可輕松地穿透云霧，在惡劣天氣下具有出色的探測能力。另外，在近紅外波段，影響激光雷達系統信噪比的太陽背景輻射較小，可以實現晝夜連續(xù)的低噪聲探測。

2015年，Xia等人搭建了一臺基于上轉換SPD（SDE@1550nm=15%，DCR=40Hz）的單光子激光雷達，連續(xù)監(jiān)測大氣能見度超過24小時，并用商用InGaAs APD進行了對比實驗，信噪比降低了兩個數量級。盡管大氣激光雷達系統都是基于直接探測的，而相干探測激光雷達在大氣探測中也同樣扮演著重要的角色。通過深入分析相干探測激光雷達回波信號的功率譜，可以反演附加的大氣參數，如云高度和云厚度、雨速、風切變和湍流耗散率。在近紅外大氣激光雷達中，通常使用的是SPAD的單光子激光雷達。2017年，南京大學張蠟寶團隊使用基于SNSPD的單光子激光雷達探測了180公里范圍內的海霧。探測到42.3-63.5公里和53.2-74.2公里范圍內的海霧回波信號，反映了霧的濃度和移動速度。2021年，南京大學張蠟寶團隊對單光子激光雷達系統進行了優(yōu)化，并使用了具有四光子分辨率能力的多像素SNSPD，成功探測到106公里處的云層和200公里處的山脈，利用光子數分辨能力區(qū)分霧回波信號和高山回波信號。上述研究同樣表明，在遠程激光雷達系統中，極限距離主要取決于輸出信號的信噪比，受激光器發(fā)射能量的影響較大，而在探測器層面，信噪比主要由SDE和DCR決定。

空間探測

20世紀90年代以來，SPAD在衛(wèi)星激光測距中得到了廣泛的應用。與PMT相比，SPAD具有更高的計時精度，但其DCR更高，并且存在時間游走的問題（取決于光脈沖能量和設備的溫度）。1998年，Zappa等人提出并開發(fā)了具有時間游走補償版本SPAD（C-SPAD），其時序抖動約為30ps，結合優(yōu)化后的系統，實現了亞厘米精度的衛(wèi)星激光測距。隨著InGaAs SPAD和Ge SPAD的出現以及Nd：YAG納秒脈沖激光器的發(fā)展，紅外衛(wèi)星激光測距開始發(fā)展，Courde等人使用基于InGaAs SPAD以及Nd:YAG調Q脈沖激光器的單光子激光雷達進行了月球激光測距，在蓋革模式下，SPAD的量子效率約為20%，暗計數率為28kHz，最終測距精度達到3mm。雖然InGaAs SPAD在近紅外的性能優(yōu)越，但需要在DCR和SDE之間進行權衡，并且SPAD還具有顯著的后脈沖效應。

相比之下，部分研究機構初步嘗試將基于SNSPD的單光子激光雷達應用與空間探測中。Xue等人實現了基于SNSPD的1064nm單光子激光雷達激光測距，系統中的激光平均功率為40W，脈寬為662.7ps，光學系統的效率為10%，SNSPD的DCR為1kcps，探測效率為20%，他們將該系統引入中國云南天文臺，并在Cryosat、Ajisai和Glonass三顆典型的LEO/MEO衛(wèi)星上成功地進行了1600km至19500km的測距。

人們期望單光子激光雷達系統中的單光子探測器具有高效率、低暗計數、較大光敏面、低定時抖動等綜合性能。因此，經過對單光子探測器以及光學系統參數優(yōu)化的改進，單光子激光雷達有望在未來實現更高的距離精度并探測更小的空間碎片。

無人載具中的目標感知

無人駕駛汽車（Autonomous Vehicles，AV）的性能以及安全性要求其具有準確繪制地圖并實時響應周圍環(huán)境的能力。車載激光雷達則要求系統輕量小型化、實時性高、功耗低、可靠性高，而受無人駕駛的市場刺激下，誕生了Velodyne、Quanegy、IBEO、Sick等商業(yè)激光雷達公司。Velodyne公司的產品豐富，不僅包含傳統的雷達，也推出了如VLS、HDL等系列激光雷達，然而這些激光雷達的性能僅適用于低速、小范圍無人駕駛，且價格相對高昂（數十萬元人民幣）。

單光子激光雷達因探測距離遠、深度分辨率優(yōu)異等優(yōu)勢，系統采用的激光器單脈沖能量多在μJ量級，且波段為近紅外的“人眼安全”波段，是無人駕駛車輛的良好選擇。2018年，Lindell等人提出了一種可記錄25Hz瞬變圖像的成像系統，適用于無人駕駛的實時采樣。該系統采用256×1的SPAD陣列以及配套掃描振鏡，SPAD陣列的DCR為2.5kcps，光子探測效率為20%，激光器的波長為450nm，單脈沖能量為18nJ@25MHz。系統可以以每秒幾幀的速度記錄這種瞬變圖像，瞬變圖像僅有幾個PPP，如下圖11所示。

圖11 利用成像系統捕捉的瞬變圖像片段

在無人駕駛以及室外自動機器人等實際復雜環(huán)境應用中，盡管單光子激光雷達系統較傳統的線激光雷達以及單目/雙目視覺等成像系統具有更高的分辨率以及較好的響應速度，但TCSPC系統的價格高昂，不適宜大規(guī)模應用。

討論與展望

單光子成像體制的出現為TCSPC激光雷達提供了一種有效的解決方案。本文對單光子激光雷達進行了綜述，介紹了典型單光子激光雷達的基本技術原理、相關數據處理算法以及目前單光子激光雷達的主要研究方向與進展，對典型研究進行了梳理與思考。同樣介紹了在TCSPC激光雷達成像系統中如何有效保證系統的遠距離工作能力，常規(guī)的途徑是增加發(fā)射功率和光學系統的接收口徑。而提升單光子激光雷達工作距離的新途徑主要是提高光子探測效率以及壓縮采樣光子計數。但高光子效率探測意味著僅有少量光子被雷達系統接收，面臨著巨大的探測強噪聲挑戰(zhàn)。

單光子激光雷達對目標探測過程的復雜場景感知中，針對具體成像系統提出的去噪方案與重構算法仍是目前的重點研究內容。目前國內外有關單光子成像雷達的研究多在實驗室內演示成像原理和重構算法為主，在實際環(huán)境下驗證少量光子算法的效果和適應性仍需更多研究。目前相關新體制的算法層出不窮，需要以保證激光雷達工作距離為核心，在光學系統優(yōu)化與改善噪聲抑制的同時增強自身算法處理能力，推動圖像重構的研究。

綜上所述，單光子激光雷達在遠程測距、遠距離計算成像、高分辨率成像以及人工智能等領域都獲得了很大的發(fā)展，以具備單個光子探測能力的優(yōu)勢在遠距成像中更是獲得了廣泛關注與研究。隨著相關研究的不斷深入，單光子激光雷達擁有更廣闊的工程化應用前景，有望成為推動光子計數成像技術發(fā)展的新動力。

本研究獲得了國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金（61922011）、國家自然科學基金企業(yè)聯合基金重點項目（U21B2034）的支持。

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