單光子激光測距技術(shù)是一項較新型的探測技術(shù)，是激光測距的一個新興分支。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，靈敏度更高等優(yōu)點，已廣泛應用于測繪、航空航天等領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，陜西齊欣勘測設計有限公司和自然資源部測繪標準化研究所的科研團隊介紹了單光子激光測距系統(tǒng)的部分關(guān)鍵技術(shù)及其部分具體應用，整理了目前單光子激光測距技術(shù)發(fā)展及其在實際工程中的應用現(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，并對單光子激光測距技術(shù)進行了總結(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極微弱光信號探測的需求，于是有人提出了基于數(shù)字計數(shù)的探測技術(shù)，即光子計數(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。目前，可以實現(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）和超導納米線單光子探測器（SNSPD）3種。

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

在光子計數(shù)技術(shù)基礎上，Bollinger、Bennett和Koechlin提出了TCSPC技術(shù)，記錄了信號強度與時間的函數(shù)關(guān)系，不僅可保證探測的光子信號質(zhì)量，還具有很高的時間分辨率。圖1為時間相關(guān)回波光子累計直方圖。MASSA等于1998年將TCSPC技術(shù)應用于激光測距，設計了如圖2所示的TCSPC測距系統(tǒng)。目前，TCSPC技術(shù)在測距上的應用逐漸廣泛，除了JOHN所在實驗室，2010年，SHRESTHA等設計了基于TCSPC的掃描式激光測距系統(tǒng)，對地形目標和淺海水深度進行了測量，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 時間相關(guān)回波光子累計直方圖

圖2 TCSPC測距系統(tǒng)

TOF

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

TOF測距法在單光子測距之前就已得到廣泛應用。如傳統(tǒng)激光測距中利用連續(xù)激光進行測距，但受制于激光在大氣擾動下的迅速衰減，實際使用中很難承受遠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，大大提高了對光子的利用率。

單光子激光測距應用

單光子激光測距雖是一項較新技術(shù)，但已有廣泛應用，具有激光測距穩(wěn)定且快速的特點，同時可結(jié)合時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），將采集的時間信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)高分辨率測量。目前，較成熟的應用有空天平臺單光子激光測距、單光子成像和地面對空間目標測距等。

空天平臺單光子激光測距

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

單光子成像

時間相關(guān)單光子激光探測儀可應用于成像系統(tǒng)。2000年，單光子計數(shù)激光測距系統(tǒng)的時間分辨率達到了皮秒量級。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)對目標進行3D成像技術(shù)的發(fā)展大多朝向高重復頻率、超窄脈寬和高能量激光器邁進，在對大量回波數(shù)據(jù)的快速采集和處理，以及在復雜環(huán)境下對目標進行成像（如在白天進行成像，在強背景噪聲中提取目標信號及對運動目標的成像等）及在超分辨率成像、非視域成像和實時成像等領(lǐng)域發(fā)展迅速。

地面對空間目標測距

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

激光測距是現(xiàn)階段對空間目標位置測定精度最高的方法。目前，對空間目標的激光測距技術(shù)主要有高重復頻率、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頻率，集中能量使得測距更快、更遠；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激光回波，基于超導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，有利于暗弱信號探測和目標快速搜索與跟蹤。

另外，單光子測距系統(tǒng)將實現(xiàn)更低暗計數(shù)、更短死時間與連續(xù)光子探測，以保證探測的靈敏度，提高探測的時效性。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，在空天平臺單光子激光測距、單光子成像及地面對空間目標測距等領(lǐng)域取得了實質(zhì)性的進展。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，還有進一步優(yōu)化的空間，并將向著窄線寬、高重復頻率與更小體積、更輕重量發(fā)展，以實現(xiàn)更低暗計數(shù)、更短死時間與連續(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有更加重要的應用價值。