一文解析单光子激光测距技术

单光子激光测距技术是一项较新型的探测技术，是激光测距的一个新兴分支。相较于传统的探测技术，单光子激光测距系统具有探测距离更远，灵敏度更高等优点，已广泛应用于测绘、航空航天等领域，发展前景广阔。

据麦姆斯咨询报道，陕西齐欣勘测设计有限公司和自然资源部测绘标准化研究所的科研团队介绍了单光子激光测距系统的部分关键技术及其部分具体应用，整理了目前单光子激光测距技术发展及其在实际工程中的应用现状，探讨了未来单光子技术在激光脉冲、探测器件、波长等方面的发展趋势，并对单光子激光测距技术进行了总结与展望。相关研究内容以“单光子激光测距系统简述”为题发表在《测绘技术装备》期刊上。

单光子测距关键技术

光子计数技术

由于传统的光电探测技术已无法满足日益增长的对极微弱光信号探测的需求，于是有人提出了基于数字计数的探测技术，即光子计数技术。单光子携带能量非常小，其产生的光电流小于室温下一般光电探测器本身的噪声，常规的直流检测方法无法探测该信号。目前，可以实现单光子探测的探测器主要有光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）和超导纳米线单光子探测器（SNSPD）3种。

光子计数将光电探测器的每个输出信号视为单个光子在探测器中产生的随机离散脉冲，探测器的一个输出脉冲即代表探测到一个光子。光子计数需要用甄别技术滤除探测信号中的各种噪声，保证被计数的脉冲都来自探测到的光子。光子计数技术主要有基本光子计数、扫描式光子计数和多路式光子计数等不同方案。其中，扫描式和多路式光子计数应用较多，普遍应用于荧光寿命检测和飞行时间质谱等。

在光子计数技术基础上，Bollinger、Bennett和Koechlin提出了TCSPC技术，记录了信号强度与时间的函数关系，不仅可保证探测的光子信号质量，还具有很高的时间分辨率。图1为时间相关回波光子累计直方图。MASSA等于1998年将TCSPC技术应用于激光测距，设计了如图2所示的TCSPC测距系统。目前，TCSPC技术在测距上的应用逐渐广泛，除了JOHN所在实验室，2010年，SHRESTHA等设计了基于TCSPC的扫描式激光测距系统，对地形目标和浅海水深度进行了测量，利用定量结果得出了地形和测深制图场景中特征检测的结论。

图1 时间相关回波光子累计直方图

图2 TCSPC测距系统

TOF

TOF测距利用信号在两个异步收发机之间往返的飞行时间计算节点之间的距离，通过测距系统的计时模块记录激光出射产生起始信号的时间及接收到目标反射回波产生终止信号的时间，属于双向测距技术。TOF激光测距原理简单，它有两个关键约束，一是发送设备和接收设备需始终同步，二是接收设备提供信号传输时间的长短。在基于TCSPC的TOF激光测距中，部分出射激光会通过光电二极管转化为电脉冲进入TCSPC模块，作为开始信号；其余用于测距的激光经过光束整形，在被测目标处发生反射，回波信号在单光子探测器中形成电脉冲，作为TCSPC模块的结束信号。

TOF测距法在单光子测距之前就已得到广泛应用。如传统激光测距中利用连续激光进行测距，但受制于激光在大气扰动下的迅速衰减，实际使用中很难承受远距离激光测距所需的大功率激光成本，单光子的TOF激光测距法选择了高频窄线宽脉冲激光器，大大提高了对光子的利用率。

单光子激光测距应用

单光子激光测距虽是一项较新技术，但已有广泛应用，具有激光测距稳定且快速的特点，同时可结合时间数字转换器（TDC），将采集的时间信号转换为数字信号，实现高分辨率测量。目前，较成熟的应用有空天平台单光子激光测距、单光子成像和地面对空间目标测距等。

空天平台单光子激光测距

空天平台包括航空平台和航天平台，即机载平台单光子激光测距系统和星载平台单光子激光测距系统。（1）机载平台单光子激光测距系统。（2）星载平台单光子激光测距系统。

单光子成像

时间相关单光子激光探测仪可应用于成像系统。2000年，单光子计数激光测距系统的时间分辨率达到了皮秒量级。近年来，国内光子成像技术的发展也愈发迅速。目前，利用单光子激光测距系统对目标进行3D成像技术的发展大多朝向高重复频率、超窄脉宽和高能量激光器迈进，在对大量回波数据的快速采集和处理，以及在复杂环境下对目标进行成像（如在白天进行成像，在强背景噪声中提取目标信号及对运动目标的成像等）及在超分辨率成像、非视域成像和实时成像等领域发展迅速。

地面对空间目标测距

地面对空间目标的探测对航天事业有非常重要的意义。此方面的研究主要是为了解决极远距离下激光回波衰减严重，漫反射回波光子难以从噪声中提取，以及空间目标未知的运动状态和运动姿态对回波探测的不利影响等问题。目前，我国在对空间目标的激光探测方面有了较大的进展。

激光测距是现阶段对空间目标位置测定精度最高的方法。目前，对空间目标的激光测距技术主要有高重复频率、白天测距技术和阵列单光子探测技术等。

单光子激光测距系统发展趋势

在激光脉冲方面，单光子测距需要更窄线宽与更高重复频率，集中能量使得测距更快、更远；另一方面，还需要降低单光子激光测距系统的总能耗，使系统向更小体积、更轻重量发展，以服务于航天等特殊领域。

阵列单光子探测技术正在兴起，相较目前的单光子探测器一次只接收一个激光回波，基于超导单光子的阵列探测器可以提高单次测距中微弱回波光子的探测概率，提高测距精度，有利于暗弱信号探测和目标快速搜索与跟踪。

另外，单光子测距系统将实现更低暗计数、更短死时间与连续光子探测，以保证探测的灵敏度，提高探测的时效性。在激光波长方面，单光子激光测距系统将拓宽波段范围，除常见的532 nm激光，如人眼安全的近红外波段外，还有更高的信噪比，在量子通信、激光雷达等领域已有成果。

结束语

单光子激光成像作为新兴的激光测距方法，在空天平台单光子激光测距、单光子成像及地面对空间目标测距等领域取得了实质性的进展。单光子激光测距系统，特别是激光器与单光子探测器的性能，还有进一步优化的空间，并将向着窄线宽、高重复频率与更小体积、更轻重量发展，以实现更低暗计数、更短死时间与连续光子探测。作为激光测距的新兴分支，单光子激光测距在未来会有更加重要的应用价值。