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

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，北京航空航天大學(xué)和南京大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊在《中國激光》期刊上發(fā)表了題為“單光子激光雷達(dá)的研究進(jìn)展”的最新論文，回顧了單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)和相關(guān)算法的發(fā)展歷史，重點介紹了典型的單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)與圖像重建算法，討論了在遠(yuǎn)距離探測、無人駕駛領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀，并對單光子激光雷達(dá)的未來發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

單光子激光雷達(dá)基本工作原理

隨著高靈敏的單光子探測器（SPD）與時間相關(guān)單光子計數(shù)（TCSPC）技術(shù)的發(fā)展，TCSPC激光雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)。TCSPC激光雷達(dá)的接收靈敏度達(dá)到了能夠響應(yīng)單個光子能量的水平，則稱為“單光子激光雷達(dá)”。

單光子激光雷達(dá)核心組成

單光子激光雷達(dá)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(shù)據(jù)處理端組成。單光子激光雷達(dá)的主要性能指標(biāo)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(dá)性能指標(biāo)的因素主要包括大氣傳輸影響與系統(tǒng)硬件性能。大氣傳輸?shù)挠绊懼饕�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(jìn)行激光雷達(dá)探測。大氣湍流則影響投射光束的路徑，造成光束偏轉(zhuǎn)，影響對目標(biāo)成像的分辨率。自由空間中的背景噪聲對單光子激光雷達(dá)影響主要體現(xiàn)在信號探測信噪比上，而有效抑制背景噪聲是提升雷達(dá)信號收集效率的一項重要工作。

單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)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(diào)Q固體激光器等。

常見的TCSPC成像系統(tǒng)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(diào)節(jié)，且不存在視差的問題，能夠在不調(diào)節(jié)收發(fā)光軸角度的條件下保證不同距離下的成像，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型共軸單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

SPD主要包括微通道板探測器、光電倍增管（PMT）和半導(dǎo)體雪崩二極管（APD）。PMT具有較大的光敏面，對可見光可進(jìn)行有效的單光子探測，但存在暗計數(shù)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(yuǎn)不能達(dá)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(xiàn)，單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)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(yīng)用于TCSPC激光雷達(dá)系統(tǒng)。但SPAD在近紅外波段具有較高的DCR和后脈沖效應(yīng)，因此部分研究機構(gòu)將目光轉(zhuǎn)向超導(dǎo)納米線單光子探測（SNSPD）。

SNSPD具有極高的系統(tǒng)探測效率(System detector efficient，SDE>90%)、高計數(shù)率、低暗計數(shù)率（DCR<1kcps）、低時間抖動以及從可見光到中紅外的寬響應(yīng)帶寬。SNSPD在近紅外波段的綜合性能已明顯超越傳統(tǒng)半導(dǎo)體的探測器。國內(nèi)，南京大學(xué)的張蠟寶等人對SNSPD進(jìn)行了探索研究，并已將 SNSPD應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測距，獲得了百公里級測距結(jié)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(shù)仍不夠成熟，系統(tǒng)復(fù)雜程度高以及需要嚴(yán)格的低溫制冷（低于4.2K），難以實現(xiàn)系統(tǒng)小型化應(yīng)用。

單光子激光雷達(dá)研究進(jìn)展

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

圖2 單光子激光雷達(dá)發(fā)展過程中的代表性成果

遠(yuǎn)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(dá)。2007年，NASA與SigmaSpace公司合作研發(fā)1550nm的三維單光子計數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)，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(tǒng)的定時抖動為70ps，對應(yīng)實驗的深度精度為1厘米，經(jīng)過算法優(yōu)化后的深度精度可以達(dá)到4mm。并利用優(yōu)化后的系統(tǒng)并完成了海拔1km的實驗，進(jìn)一步利用其進(jìn)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(xiàn)了深度分辨率優(yōu)于1厘米的1公里級單光子計數(shù)成像。采用的SPAD單光子探測效率為26%，暗計數(shù)率為16kcps@230K。系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集的該系統(tǒng)在4.5km距離上，完成了三維目標(biāo)的成像，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 4.5公里單光子計數(shù)三維目標(biāo)成像

2017年，Agata等人報道了一種實現(xiàn)了10km級三維成像的高效遠(yuǎn)程單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中使用集成的收發(fā)共路結(jié)構(gòu)，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(gòu)算法提高回波光子的利用效率，實現(xiàn)對10.5km的山坡目標(biāo)準(zhǔn)確成像，如圖5所示。

圖5 激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（a）與10.5km的山坡目標(biāo)成像實驗（b）

2020年，徐飛虎等人提出了超遠(yuǎn)距單光子激光雷達(dá)，采用相應(yīng)技術(shù)方案，有效地抑制后向散射以及背景噪聲。實現(xiàn)了45km外目標(biāo)的三維信息獲取，整圖像的PPP為2.59個。在高效算法的基礎(chǔ)上，獲得了遠(yuǎn)距離目標(biāo)三維成像結(jié)果并與其他主流重構(gòu)算法對比，深度分辨率達(dá)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(dá)45km遠(yuǎn)距離3D成像結(jié)果

圖7 白天和夜間對21.6公里處的遠(yuǎn)程目標(biāo)3D成像結(jié)果對比

2021年，南京大學(xué)張蠟寶等人提出一種基于SNSPD陣列的激光雷達(dá)，并利用該系統(tǒng)對100km外的軟目標(biāo)與硬目標(biāo)進(jìn)行測距實驗，結(jié)果如圖8所示，SNSPD的暗計數(shù)為1kcps，探測效率為40%，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有全天候激光雷達(dá)的潛力。

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

2021年，徐飛虎等人實現(xiàn)了200km的單光子激光雷達(dá)三維成像，整圖像的每像素平均回波光子（PPP）為0.41個，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示，100km外圖像重構(gòu)結(jié)果如圖10所示。

圖9 激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖10 126km外的山脈目標(biāo)圖像重建結(jié)果

該激光雷達(dá)系統(tǒng)采用緊湊的共軸系統(tǒng)，有效抑制了系統(tǒng)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(yuǎn)鏡光圈的衍射極限。

大氣探測

目前，單光子激光雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于大氣探測激光雷達(dá)系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集能力，成為大氣探測的有力工具。單光子激光雷達(dá)可用來探測氣溶膠、云、大氣密度、臭氧、溫室氣體、風(fēng)場、能見度等。工作在近紅外的激光雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)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(dá)系統(tǒng)信噪比的太陽背景輻射較小，可以實現(xiàn)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(zhuǎn)換SPD（SDE@1550nm=15%，DCR=40Hz）的單光子激光雷達(dá)，連續(xù)監(jiān)測大氣能見度超過24小時，并用商用InGaAs APD進(jìn)行了對比實驗，信噪比降低了兩個數(shù)量級。盡管大氣激光雷達(dá)系統(tǒng)都是基于直接探測的，而相干探測激光雷達(dá)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(dá)回波信號的功率譜，可以反演附加的大氣參數(shù)，如云高度和云厚度、雨速、風(fēng)切變和湍流耗散率。在近紅外大氣激光雷達(dá)中，通常使用的是SPAD的單光子激光雷達(dá)。2017年，南京大學(xué)張蠟寶團(tuán)隊使用基于SNSPD的單光子激光雷達(dá)探測了180公里范圍內(nèi)的海霧。探測到42.3-63.5公里和53.2-74.2公里范圍內(nèi)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(xué)張蠟寶團(tuán)隊對單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)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(shù)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(yuǎn)程激光雷達(dá)系統(tǒng)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(jì)90年代以來，SPAD在衛(wèi)星激光測距中得到了廣泛的應(yīng)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(shè)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(jié)合優(yōu)化后的系統(tǒng)，實現(xiàn)了亞厘米精度的衛(wèi)星激光測距。隨著InGaAs SPAD和Ge SPAD的出現(xiàn)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(diào)Q脈沖激光器的單光子激光雷達(dá)進(jìn)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(shù)率為28kHz，最終測距精度達(dá)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(jìn)行權(quán)衡，并且SPAD還具有顯著的后脈沖效應(yīng)。

相比之下，部分研究機構(gòu)初步嘗試將基于SNSPD的單光子激光雷達(dá)應(yīng)用與空間探測中。Xue等人實現(xiàn)了基于SNSPD的1064nm單光子激光雷達(dá)激光測距，系統(tǒng)中的激光平均功率為40W，脈寬為662.7ps，光學(xué)系統(tǒng)的效率為10%，SNSPD的DCR為1kcps，探測效率為20%，他們將該系統(tǒng)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(jìn)行了1600km至19500km的測距。

人們期望單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)中的單光子探測器具有高效率、低暗計數(shù)、較大光敏面、低定時抖動等綜合性能。因此，經(jīng)過對單光子探測器以及光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的改進(jìn)，單光子激光雷達(dá)有望在未來實現(xiàn)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(biāo)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(zhǔn)確繪制地圖并實時響應(yīng)周圍環(huán)境的能力。車載激光雷達(dá)則要求系統(tǒng)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(dá)公司。Velodyne公司的產(chǎn)品豐富，不僅包含傳統(tǒng)的雷達(dá)，也推出了如VLS、HDL等系列激光雷達(dá)，然而這些激光雷達(dá)的性能僅適用于低速、小范圍無人駕駛，且價格相對高昂（數(shù)十萬元人民幣）。

單光子激光雷達(dá)因探測距離遠(yuǎn)、深度分辨率優(yōu)異等優(yōu)勢，系統(tǒng)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(tǒng)，適用于無人駕駛的實時采樣。該系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fù)雜環(huán)境應(yīng)用中，盡管單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)較傳統(tǒng)的線激光雷達(dá)以及單目/雙目視覺等成像系統(tǒng)具有更高的分辨率以及較好的響應(yīng)速度，但TCSPC系統(tǒng)的價格高昂，不適宜大規(guī)模應(yīng)用。

討論與展望

單光子成像體制的出現(xiàn)為TCSPC激光雷達(dá)提供了一種有效的解決方案。本文對單光子激光雷達(dá)進(jìn)行了綜述，介紹了典型單光子激光雷達(dá)的基本技術(shù)原理、相關(guān)數(shù)據(jù)處理算法以及目前單光子激光雷達(dá)的主要研究方向與進(jìn)展，對典型研究進(jìn)行了梳理與思考。同樣介紹了在TCSPC激光雷達(dá)成像系統(tǒng)中如何有效保證系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離工作能力，常規(guī)的途徑是增加發(fā)射功率和光學(xué)系統(tǒng)的接收口徑。而提升單光子激光雷達(dá)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(shù)。但高光子效率探測意味著僅有少量光子被雷達(dá)系統(tǒng)接收，面臨著巨大的探測強噪聲挑戰(zhàn)。

單光子激光雷達(dá)對目標(biāo)探測過程的復(fù)雜場景感知中，針對具體成像系統(tǒng)提出的去噪方案與重構(gòu)算法仍是目前的重點研究內(nèi)容。目前國內(nèi)外有關(guān)單光子成像雷達(dá)的研究多在實驗室內(nèi)演示成像原理和重構(gòu)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(yīng)性仍需更多研究。目前相關(guān)新體制的算法層出不窮，需要以保證激光雷達(dá)工作距離為核心，在光學(xué)系統(tǒng)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(gòu)的研究。

綜上所述，單光子激光雷達(dá)在遠(yuǎn)程測距、遠(yuǎn)距離計算成像、高分辨率成像以及人工智能等領(lǐng)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(yuǎn)距成像中更是獲得了廣泛關(guān)注與研究。隨著相關(guān)研究的不斷深入，單光子激光雷達(dá)擁有更廣闊的工程化應(yīng)用前景，有望成為推動光子計數(shù)成像技術(shù)發(fā)展的新動力。

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

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