單光子激光雷達(dá)（Single-Photon LiDAR，SPL）是一種在眾多領(lǐng)域都受到廣泛歡迎的尖端遙感技術(shù)。

下一代單光子激光雷達(dá)在汽車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)需要多個(gè)光子來(lái)探測(cè)空間中的單個(gè)點(diǎn)不同，單光子激光雷達(dá)能夠以單個(gè)光子的靈敏度，以更高的效率和更低的功率水平提供大面積的高分辨率數(shù)據(jù)。這一進(jìn)步對(duì)航空等領(lǐng)域具有革命性的意義，因?yàn)榭焖贉?zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集對(duì)于地圖繪制、障礙物檢測(cè)和自主導(dǎo)航任務(wù)至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的多光子激光雷達(dá)和單光子激光雷達(dá)的典型光學(xué)接收端場(chǎng)景

單光子激光雷達(dá)的發(fā)展

對(duì)更高效、更準(zhǔn)確的遙感技術(shù)的需求推動(dòng)了單光子激光雷達(dá)的發(fā)展。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)系統(tǒng)雖然有效，但往往受到對(duì)更高功率的需求以及在弱光條件下或在茂密植被中無(wú)法良好工作的限制。單光子激光雷達(dá)通過(guò)使用單光子探測(cè)技術(shù)來(lái)提高靈敏度和范圍，從而克服了這些限制。

21世紀(jì)初，蓋革模式雪崩光電二極管（GmAPD或SPAD）的引入是一項(xiàng)重要的里程碑，它能夠以高時(shí)間分辨率檢測(cè)單光子。隨著時(shí)間的推移，由于激光源、探測(cè)器陣列和數(shù)據(jù)處理算法的進(jìn)步，單光子激光雷達(dá)得到了進(jìn)一步的改進(jìn)。到2020年，單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)變得更加緊湊、穩(wěn)健，能夠在更高的海拔和不同的環(huán)境條件下捕獲高分辨率數(shù)據(jù)。

蓋革模式雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)與工作原理

單光子激光雷達(dá)技術(shù)原理

單光子激光雷達(dá)可以通過(guò)探測(cè)從目標(biāo)表面反射的單光子進(jìn)行測(cè)距。以下是單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的主要組件：

激光源：?jiǎn)喂庾蛹す饫走_(dá)系統(tǒng)通常使用較短波長(zhǎng)的激光器，例如波長(zhǎng)范圍在近紅外范圍內(nèi)，可有效穿透樹(shù)冠（例如樹(shù)葉與樹(shù)枝間隙）并實(shí)現(xiàn)高分辨率表面測(cè)繪。

單光子探測(cè)器：SPAD之所以被廣泛使用，是因?yàn)槠淠軌蛞愿哽`敏度和高定時(shí)精度探測(cè)單光子。該探測(cè)器在蓋革模式下工作，探測(cè)到光子時(shí)產(chǎn)生可測(cè)量的電脈沖。

計(jì)時(shí)電子器件：?jiǎn)喂庾蛹す饫走_(dá)系統(tǒng)以極高的精度測(cè)量光子的飛行時(shí)間（ToF），通常以皮秒（ps）為單位。這種高時(shí)間分辨率對(duì)于生成準(zhǔn)確的3D地圖至關(guān)重要。

單光子激光雷達(dá)測(cè)距原理
（來(lái)源：https://www.nature.com/articles/s41598-022-27012-1）

激光器向目標(biāo)發(fā)射光脈沖，單光子探測(cè)器捕獲目標(biāo)物體表面反射的光子。光子返回所需的時(shí)間經(jīng)過(guò)高精度測(cè)量，可以計(jì)算出到目標(biāo)物體的距離。上述組件的共同作用使單光子激光雷達(dá)能夠生成高度詳細(xì)和準(zhǔn)確的3D地形圖，即使在光線昏暗或植被茂密等具有挑戰(zhàn)性的條件下也是如此。

單光子激光雷達(dá)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

在航空領(lǐng)域，單光子激光雷達(dá)正在改變地形測(cè)繪的方式。它可以快速準(zhǔn)確地提供大面積高度詳細(xì)的高程數(shù)據(jù)。配備單光子激光雷達(dá)的飛機(jī)可以非常詳細(xì)地調(diào)查廣闊的地形，包括森林、城市地區(qū)和山區(qū)。這對(duì)于創(chuàng)建詳細(xì)的數(shù)字高程模型（DEM）非常有價(jià)值，對(duì)于洪水建模、森林管理和城市規(guī)劃等各種應(yīng)用至關(guān)重要。

探測(cè)障礙物對(duì)有人駕駛和無(wú)人駕駛飛機(jī)的安全航行都重要。單光子激光雷達(dá)的高分辨率數(shù)據(jù)能夠精確識(shí)別和繪制潛在的障礙物，例如樹(shù)木、建筑物和電線。這對(duì)于低空飛行和著陸進(jìn)近尤為重要，因?yàn)闇?zhǔn)確的地形和障礙物信息可以有效避免碰撞的發(fā)生。

單光子激光雷達(dá)還可以用于飛機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的詳細(xì)觀察和分析。這包括監(jiān)測(cè)森林健康、測(cè)量生物量和跟蹤土地使用的變化。穿透樹(shù)冠并提供詳細(xì)的地面高程數(shù)據(jù)對(duì)生態(tài)研究和保護(hù)工作特別有用。

災(zāi)害響應(yīng)和管理是單光子激光雷達(dá)可以發(fā)揮關(guān)鍵作用的其它領(lǐng)域。在發(fā)生地震、洪水和山體滑坡等自然災(zāi)害后，配備單光子激光雷達(dá)的飛機(jī)可以快速調(diào)查受災(zāi)地區(qū)，生成詳細(xì)的3D地圖。這些地圖有助于救援人員并評(píng)估損失，確定安全的救援路線，并有效規(guī)劃救援行動(dòng)。單光子激光雷達(dá)提供的高分辨率和快速數(shù)據(jù)采集在時(shí)間敏感的情況下尤其有價(jià)值，從而可以更快、更好地做出決策，減少災(zāi)害的影響，挽救更多的生命。

隨著航空業(yè)朝著更大的自動(dòng)化方向發(fā)展，單光子激光雷達(dá)在實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航系統(tǒng)方面至關(guān)重要。單光子激光雷達(dá)創(chuàng)建的高分辨率3D地圖提供了自動(dòng)駕駛飛機(jī)安全導(dǎo)航所需的詳細(xì)環(huán)境數(shù)據(jù)。這包括識(shí)別和避開(kāi)障礙物，規(guī)劃有效的飛行路線，以及在復(fù)雜環(huán)境中自主著陸。

當(dāng)前的挑戰(zhàn)

雖然，單光子激光雷達(dá)技術(shù)具有諸多的優(yōu)勢(shì)，但它也面臨著挑戰(zhàn)和考慮因素，必須加以解決才能優(yōu)化其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。其中一個(gè)主要問(wèn)題是信號(hào)噪聲和干擾，這會(huì)影響準(zhǔn)確的光子探測(cè)。為了盡量減小影響，可以使用濾光片來(lái)阻擋不需要的光子，并優(yōu)化激光脈沖的時(shí)間。

另一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)處理和管理。單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)生成的大量數(shù)據(jù)需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和管理能力。高效的算法對(duì)于處理這些數(shù)據(jù)和提取有意義的見(jiàn)解是必不可少的。確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性也很重要，尤其是在涉及敏感信息時(shí)候。

單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)還必須在各種環(huán)境和操作條件下有效工作，包括不同的天氣模式、海拔和地形類型。大氣吸收和散射等因素會(huì)影響單光子激光雷達(dá)測(cè)量的準(zhǔn)確性和范圍。

在航空領(lǐng)域部署單光子激光雷達(dá)時(shí)，監(jiān)管和安全問(wèn)題非常關(guān)鍵。遵守航空法規(guī)、激光安全標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)隱私法對(duì)于安全有效的部署至關(guān)重要。此外，單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)不得干擾其它飛機(jī)系統(tǒng)或?qū)θ藛T造成傷害。

單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的成本和可用性仍然是主要問(wèn)題。雖然技術(shù)進(jìn)步降低了單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的成本，但其仍然是一項(xiàng)較大的投資。平衡部署成本與所提供的收益是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于較小的組織或資金較少的研究計(jì)劃而言。

單光子激光雷達(dá)技術(shù)的最新突破

最近的研究表明，單光子激光雷達(dá)在航空領(lǐng)域的能力和應(yīng)用日益增多。最近的一篇SPIE文章“Low-SWaP embedded 3D-LiDAR to detect non-cooperative targets”強(qiáng)調(diào)了將單光子激光雷達(dá)與無(wú)人機(jī)（UAV）集成以進(jìn)行快速精確的航空勘測(cè)的有效性。這種集成對(duì)于勘測(cè)難以接近或危險(xiǎn)的區(qū)域特別有用，可以快速準(zhǔn)確地提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這對(duì)于災(zāi)難響應(yīng)和管理至關(guān)重要。

發(fā)表在Remote Sensing期刊上的另一篇文章“Multiscale Feature Fusion for the Multistage Denoising of Airborne Single Photon LiDAR”表明，將單光子激光雷達(dá)與先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合可以最大限度地降低激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中的噪聲水平。通過(guò)在大型數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練算法，研究人員對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多階段去噪，從而生成了更清晰、更可靠的3D地圖。這種集成可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理和分析，使單光子激光雷達(dá)在動(dòng)態(tài)和具有挑戰(zhàn)性的條件下的應(yīng)用更加有效。

使用基于多尺度特征訓(xùn)練的分類器，實(shí)現(xiàn)單光子激光雷達(dá)信號(hào)的多級(jí)降噪

未來(lái)的發(fā)展前景

單光子激光雷達(dá)在航空領(lǐng)域如火如荼的發(fā)展，正在進(jìn)行的研究和開(kāi)發(fā)旨在進(jìn)一步增強(qiáng)其能力和應(yīng)用。單光子激光雷達(dá)的重點(diǎn)研究方向包括小型化和集成化、增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理、增加測(cè)距范圍和穿透力以及協(xié)同傳感。

此外，正在努力將小型化的單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)集成到小型飛機(jī)和無(wú)人機(jī)中，這將擴(kuò)大單光子激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍，使其賦能更廣泛的任務(wù)和應(yīng)用。有的研究側(cè)重于開(kāi)發(fā)具有更大范圍和穿透能力的單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括提高激光器功率和探測(cè)器靈敏度，以便在茂密的植被和多變的環(huán)境條件下更有效地收集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

總之，單光子激光雷達(dá)代表了遙感技術(shù)的重大進(jìn)步，其在數(shù)據(jù)收集方面提供了無(wú)與倫比的分辨率、準(zhǔn)確性和效率。它在航空領(lǐng)域的應(yīng)用范圍廣泛，包括地形測(cè)繪、障礙物檢測(cè)、自主導(dǎo)航和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

最近的研究強(qiáng)調(diào)了單光子激光雷達(dá)的持續(xù)改進(jìn)和擴(kuò)展能力，為其更廣泛地應(yīng)用和集成到各種航空平臺(tái)鋪平了道路。隨著研究的繼續(xù)發(fā)展，單光子激光雷達(dá)在航空領(lǐng)域的發(fā)展前景光明，非常有可能對(duì)航空業(yè)及其它領(lǐng)域產(chǎn)生更大的影響。