單光子激光測距技術(shù)是一項(xiàng)較新型的探測技術(shù)，是激光測距的一個(gè)新興分支。相較于傳統(tǒng)的探測技術(shù)，單光子激光測距系統(tǒng)具有探測距離更遠(yuǎn)，靈敏度更高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于測繪、航空航天等領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，陜西齊欣勘測設(shè)計(jì)有限公司和自然資源部測繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所的科研團(tuán)隊(duì)介紹了單光子激光測距系統(tǒng)的部分關(guān)鍵技術(shù)及其部分具體應(yīng)用，整理了目前單光子激光測距技術(shù)發(fā)展及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了未來單光子技術(shù)在激光脈沖、探測器件、波長等方面的發(fā)展趨勢，并對(duì)單光子激光測距技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與展望。相關(guān)研究內(nèi)容以“單光子激光測距系統(tǒng)簡述”為題發(fā)表在《測繪技術(shù)裝備》期刊上。

單光子測距關(guān)鍵技術(shù)

光子計(jì)數(shù)技術(shù)

由于傳統(tǒng)的光電探測技術(shù)已無法滿足日益增長的對(duì)極微弱光信號(hào)探測的需求，于是有人提出了基于數(shù)字計(jì)數(shù)的探測技術(shù)，即光子計(jì)數(shù)技術(shù)。單光子攜帶能量非常小，其產(chǎn)生的光電流小于室溫下一般光電探測器本身的噪聲，常規(guī)的直流檢測方法無法探測該信號(hào)。目前，可以實(shí)現(xiàn)單光子探測的探測器主要有光電倍增管（PMT）、雪崩光電二極管（APD）和超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）3種。

光子計(jì)數(shù)將光電探測器的每個(gè)輸出信號(hào)視為單個(gè)光子在探測器中產(chǎn)生的隨機(jī)離散脈沖，探測器的一個(gè)輸出脈沖即代表探測到一個(gè)光子。光子計(jì)數(shù)需要用甄別技術(shù)濾除探測信號(hào)中的各種噪聲，保證被計(jì)數(shù)的脈沖都來自探測到的光子。光子計(jì)數(shù)技術(shù)主要有基本光子計(jì)數(shù)、掃描式光子計(jì)數(shù)和多路式光子計(jì)數(shù)等不同方案。其中，掃描式和多路式光子計(jì)數(shù)應(yīng)用較多，普遍應(yīng)用于熒光壽命檢測和飛行時(shí)間質(zhì)譜等。

在光子計(jì)數(shù)技術(shù)基礎(chǔ)上，Bollinger、Bennett和Koechlin提出了TCSPC技術(shù)，記錄了信號(hào)強(qiáng)度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，不僅可保證探測的光子信號(hào)質(zhì)量，還具有很高的時(shí)間分辨率。圖1為時(shí)間相關(guān)回波光子累計(jì)直方圖。MASSA等于1998年將TCSPC技術(shù)應(yīng)用于激光測距，設(shè)計(jì)了如圖2所示的TCSPC測距系統(tǒng)。目前，TCSPC技術(shù)在測距上的應(yīng)用逐漸廣泛，除了JOHN所在實(shí)驗(yàn)室，2010年，SHRESTHA等設(shè)計(jì)了基于TCSPC的掃描式激光測距系統(tǒng)，對(duì)地形目標(biāo)和淺海水深度進(jìn)行了測量，利用定量結(jié)果得出了地形和測深制圖場景中特征檢測的結(jié)論。

圖1 時(shí)間相關(guān)回波光子累計(jì)直方圖

圖2 TCSPC測距系統(tǒng)

TOF

TOF測距利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)之間往返的飛行時(shí)間計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的距離，通過測距系統(tǒng)的計(jì)時(shí)模塊記錄激光出射產(chǎn)生起始信號(hào)的時(shí)間及接收到目標(biāo)反射回波產(chǎn)生終止信號(hào)的時(shí)間，屬于雙向測距技術(shù)。TOF激光測距原理簡單，它有兩個(gè)關(guān)鍵約束，一是發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備需始終同步，二是接收設(shè)備提供信號(hào)傳輸時(shí)間的長短。在基于TCSPC的TOF激光測距中，部分出射激光會(huì)通過光電二極管轉(zhuǎn)化為電脈沖進(jìn)入TCSPC模塊，作為開始信號(hào)；其余用于測距的激光經(jīng)過光束整形，在被測目標(biāo)處發(fā)生反射，回波信號(hào)在單光子探測器中形成電脈沖，作為TCSPC模塊的結(jié)束信號(hào)。

TOF測距法在單光子測距之前就已得到廣泛應(yīng)用。如傳統(tǒng)激光測距中利用連續(xù)激光進(jìn)行測距，但受制于激光在大氣擾動(dòng)下的迅速衰減，實(shí)際使用中很難承受遠(yuǎn)距離激光測距所需的大功率激光成本，單光子的TOF激光測距法選擇了高頻窄線寬脈沖激光器，大大提高了對(duì)光子的利用率。

單光子激光測距應(yīng)用

單光子激光測距雖是一項(xiàng)較新技術(shù)，但已有廣泛應(yīng)用，具有激光測距穩(wěn)定且快速的特點(diǎn)，同時(shí)可結(jié)合時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），將采集的時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高分辨率測量。目前，較成熟的應(yīng)用有空天平臺(tái)單光子激光測距、單光子成像和地面對(duì)空間目標(biāo)測距等。

空天平臺(tái)單光子激光測距

空天平臺(tái)包括航空平臺(tái)和航天平臺(tái)，即機(jī)載平臺(tái)單光子激光測距系統(tǒng)和星載平臺(tái)單光子激光測距系統(tǒng)。（1）機(jī)載平臺(tái)單光子激光測距系統(tǒng)。（2）星載平臺(tái)單光子激光測距系統(tǒng)。

單光子成像

時(shí)間相關(guān)單光子激光探測儀可應(yīng)用于成像系統(tǒng)。2000年，單光子計(jì)數(shù)激光測距系統(tǒng)的時(shí)間分辨率達(dá)到了皮秒量級(jí)。近年來，國內(nèi)光子成像技術(shù)的發(fā)展也愈發(fā)迅速。目前，利用單光子激光測距系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行3D成像技術(shù)的發(fā)展大多朝向高重復(fù)頻率、超窄脈寬和高能量激光器邁進(jìn)，在對(duì)大量回波數(shù)據(jù)的快速采集和處理，以及在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像（如在白天進(jìn)行成像，在強(qiáng)背景噪聲中提取目標(biāo)信號(hào)及對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成像等）及在超分辨率成像、非視域成像和實(shí)時(shí)成像等領(lǐng)域發(fā)展迅速。

地面對(duì)空間目標(biāo)測距

地面對(duì)空間目標(biāo)的探測對(duì)航天事業(yè)有非常重要的意義。此方面的研究主要是為了解決極遠(yuǎn)距離下激光回波衰減嚴(yán)重，漫反射回波光子難以從噪聲中提取，以及空間目標(biāo)未知的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)回波探測的不利影響等問題。目前，我國在對(duì)空間目標(biāo)的激光探測方面有了較大的進(jìn)展。

激光測距是現(xiàn)階段對(duì)空間目標(biāo)位置測定精度最高的方法。目前，對(duì)空間目標(biāo)的激光測距技術(shù)主要有高重復(fù)頻率、白天測距技術(shù)和陣列單光子探測技術(shù)等。

單光子激光測距系統(tǒng)發(fā)展趨勢

在激光脈沖方面，單光子測距需要更窄線寬與更高重復(fù)頻率，集中能量使得測距更快、更遠(yuǎn)；另一方面，還需要降低單光子激光測距系統(tǒng)的總能耗，使系統(tǒng)向更小體積、更輕重量發(fā)展，以服務(wù)于航天等特殊領(lǐng)域。

陣列單光子探測技術(shù)正在興起，相較目前的單光子探測器一次只接收一個(gè)激光回波，基于超導(dǎo)單光子的陣列探測器可以提高單次測距中微弱回波光子的探測概率，提高測距精度，有利于暗弱信號(hào)探測和目標(biāo)快速搜索與跟蹤。

另外，單光子測距系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)更低暗計(jì)數(shù)、更短死時(shí)間與連續(xù)光子探測，以保證探測的靈敏度，提高探測的時(shí)效性。在激光波長方面，單光子激光測距系統(tǒng)將拓寬波段范圍，除常見的532 nm激光，如人眼安全的近紅外波段外，還有更高的信噪比，在量子通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域已有成果。

結(jié)束語

單光子激光成像作為新興的激光測距方法，在空天平臺(tái)單光子激光測距、單光子成像及地面對(duì)空間目標(biāo)測距等領(lǐng)域取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。單光子激光測距系統(tǒng)，特別是激光器與單光子探測器的性能，還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，并將向著窄線寬、高重復(fù)頻率與更小體積、更輕重量發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)更低暗計(jì)數(shù)、更短死時(shí)間與連續(xù)光子探測。作為激光測距的新興分支，單光子激光測距在未來會(huì)有更加重要的應(yīng)用價(jià)值。