第一作者：趙浴陽(yáng)

通信作者：朱精果

概述

在三維成像探測(cè)領(lǐng)域，主動(dòng)式激光雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于航空航天、自動(dòng)駕駛、三維建模和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。然而，激光在傳輸介質(zhì)中的散射與衰減效應(yīng)導(dǎo)致常用的線性探測(cè)模式激光雷達(dá)在遠(yuǎn)距離、高效率應(yīng)用中的探測(cè)能力受到限制，如何在復(fù)雜環(huán)境中保持高探測(cè)靈敏度、高探測(cè)精度和強(qiáng)抗干擾能力成為激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展中面臨的一大挑戰(zhàn)。

單光子探測(cè)器件具有光子級(jí)靈敏度、0/1輸出和易于陣列化等特性，從根本上提高了對(duì)光信號(hào)的利用率并改變了數(shù)據(jù)處理方式，在激光探測(cè)方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為激光探測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。基于單光子探測(cè)器的激光雷達(dá)，通過(guò)時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)，顯著地降低了成像系統(tǒng)對(duì)激光光源功率和大口徑接收光學(xué)系統(tǒng)的依賴，并為微弱信號(hào)下高精度三維重建提供了全新解決方案，突破了傳統(tǒng)激光雷達(dá)在探測(cè)距離、探測(cè)精度、探測(cè)效率和系統(tǒng)尺寸等方面的局限，成為新一代激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。然而，噪聲干擾、距離模糊等問(wèn)題始終困擾著單光子激光雷達(dá)，使其難以兼顧探測(cè)距離、探測(cè)效率、成像質(zhì)量和識(shí)別能力等指標(biāo)。因此如何進(jìn)一步提升單光子成像系統(tǒng)性能，推動(dòng)其拓展更多的應(yīng)用場(chǎng)景，已成為該領(lǐng)域的重要研究課題。

關(guān)鍵進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院微電子研究所朱精果研究員團(tuán)隊(duì)在《光電工程》激光雷達(dá)創(chuàng)新與應(yīng)用專題上發(fā)表了題為“單光子激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)”的特邀綜述文章，系統(tǒng)介紹了單光子激光雷達(dá)技術(shù)的基本原理、探測(cè)器件、成像算法和應(yīng)用實(shí)例。文章以基于單光子雪崩光電二極管（SPAD）的探測(cè)技術(shù)為代表，從單光子器件的特性出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有單光子成像技術(shù)進(jìn)行解讀，梳理了單光子激光雷達(dá)的研究脈絡(luò)，進(jìn)而對(duì)該技術(shù)的共性問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了討論。論文被選為該專題的封面文章。

由于單光子器件具備光子級(jí)靈敏度，其易受噪聲干擾，因此如何從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面提高信噪比，成為單光子探測(cè)技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容。英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)Buller團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款采用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)的超短脈沖單光子探測(cè)系統(tǒng)，隨后實(shí)現(xiàn)了對(duì)330 m處目標(biāo)的三維成像，展現(xiàn)了脈沖計(jì)數(shù)技術(shù)的可靠性。但由于脈沖累積方案存在距離模糊問(wèn)題，因此中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所劉博團(tuán)隊(duì)利用SPAD探測(cè)器作為真隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器，開發(fā)了一種基于真隨機(jī)編碼的單光子探測(cè)技術(shù)，解決了距離模糊問(wèn)題。此后，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所朱精果團(tuán)隊(duì)將混沌光源引入單光子成像領(lǐng)域，進(jìn)一步提高了編碼調(diào)制方案的信噪比。而為了抑制環(huán)境噪聲，美國(guó)麻省理工學(xué)院Luu等人提出光外差啁啾調(diào)制單光子激光雷達(dá)，首次將調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)設(shè)計(jì)方案引入到單光子成像領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)不同原理方案的剖析和重要研究成果的梳理，文章從設(shè)計(jì)難度、測(cè)距精度、距離模糊和抗干擾能力等方面分析了不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足。

圖1 單光子激光雷達(dá)探測(cè)原理。（a）脈沖累積技術(shù)；（b）混沌編碼調(diào)制技術(shù)；（c）啁啾調(diào)制技術(shù)

除了原理方案的改進(jìn)，探測(cè)器件的快速發(fā)展同樣推動(dòng)了單光子激光雷達(dá)性能的不斷進(jìn)步。近年來(lái)，隨著CMOS工藝在SPAD制造領(lǐng)域的成功運(yùn)用，基于Si材料和InGaAs/InP材料的SPAD器件得到了快速發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)層出不窮。一方面，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Lee等人提出的圓形p+/深n阱結(jié)構(gòu)和英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)Vines等人設(shè)計(jì)的Ge-on-Si探測(cè)器，有效提高了光子探測(cè)效率、拓寬了SPAD響應(yīng)波段；另一方面，重慶光電技術(shù)研究所崔大健團(tuán)隊(duì)研制的256×64規(guī)模InGaAs/InP SPAD陣列探測(cè)器和佳能等機(jī)構(gòu)推出的1024×1000規(guī)模Si SPAD陣列探測(cè)器，也展現(xiàn)了大規(guī)模SPAD焦平面陣列的發(fā)展現(xiàn)狀。

圖2 單光子探測(cè)器件研究進(jìn)展。（a）Si SPAD原理與光子探測(cè)效率（b）圓形p+/深n阱結(jié)構(gòu)；（c）Ge-on-Si探測(cè)器；（d）InGaAs/InP SPAD陣列；（e）Si SPAD陣列

面向單光子輸出特性的數(shù)據(jù)處理算法和成像研究，成為提高系統(tǒng)性能的另一關(guān)鍵。通過(guò)分析信號(hào)與噪聲的聯(lián)合分布并利用像素間關(guān)聯(lián)關(guān)系，成像算法可以雜亂的噪聲中準(zhǔn)確恢復(fù)微弱信號(hào)，顯著提高了系統(tǒng)探測(cè)性能。美國(guó)麻省理工學(xué)院Kirmani等人的首光子和美國(guó)波士頓大學(xué)Rapp等人的UA（Unmixing Algorithm）等基于數(shù)學(xué)建模的算法通過(guò)利用單光子數(shù)據(jù)中的時(shí)空關(guān)聯(lián)特征，實(shí)現(xiàn)了在極低信噪比環(huán)境中對(duì)場(chǎng)景的高精度三維重建；而基于美國(guó)斯坦福大學(xué)Lindell等人提出的U型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐飛虎團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的非局部相關(guān)性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也展現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)在該領(lǐng)域的可行性，體現(xiàn)了高性能算法對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)指標(biāo)的價(jià)值。

圖3 典型成像算法效果。（a）首光子算法；（b）U型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

得益于單光子探測(cè)技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了快速拓展。就單光子激光雷達(dá)自身應(yīng)用而言，華東師范大學(xué)吳光團(tuán)隊(duì)通過(guò)重復(fù)頻率互為質(zhì)數(shù)的激光脈沖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)青海湖21 km處目標(biāo)的測(cè)距功能，驗(yàn)證了該技術(shù)在遠(yuǎn)距離成像方面的可靠性。而對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)和復(fù)雜場(chǎng)景探感成像的研究也促進(jìn)了單光子成像系統(tǒng)在遙感測(cè)繪等領(lǐng)域的應(yīng)用。2018年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)射的ICESat-2衛(wèi)星搭載了單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)ATLAS。此外，區(qū)別于傳統(tǒng)激光雷達(dá)，高集成度的片上SPAD模組也在索尼、蘋果等公司的支持下走向了智能駕駛導(dǎo)航避障和消費(fèi)電子3D感知市場(chǎng)。

圖4 典型單光子激光雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例。（a）ATLAS系統(tǒng)；（b）索尼IMX459

總結(jié)與展望

綜上所示，單光子激光雷達(dá)作為一種新興的激光測(cè)量技術(shù)，對(duì)微弱信號(hào)探測(cè)和三維重建系統(tǒng)小型化有重要意義，但目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)：1）高背景光環(huán)境中，堆積效應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)光子被大量噪聲淹沒，這成為單光子探測(cè)技術(shù)亟待解決的重要課題；2）如何面向應(yīng)用構(gòu)建基于單光子探測(cè)器隨機(jī)特性的數(shù)學(xué)模型，并在有限的計(jì)算資源下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)成像，對(duì)單光子激光雷達(dá)的體制設(shè)計(jì)和處理算法提出了新的要求；3）對(duì)于智能駕駛及消費(fèi)電子應(yīng)用，設(shè)計(jì)兼顧體積、成本、功耗和可靠性的單光子成像系統(tǒng)，成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。雖然基于單光子探測(cè)器件的激光雷達(dá)系統(tǒng)還存在待完善的一些問(wèn)題，但隨著高性能大陣列的SPAD探測(cè)器的問(wèn)世，多源融合和感算一體的成像算法的設(shè)計(jì)，小型化、智能化和集成化的系統(tǒng)模組的推出，及日趨廣泛的應(yīng)用需求牽引，我們相信單光子激光雷達(dá)將在未來(lái)突破現(xiàn)有瓶頸，在學(xué)術(shù)研究和商業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出更大的潛力和價(jià)值。

審核編輯：劉清