前段时间参加了第三届海岸带大会，重点关注了水下光学部分。水下光学成像（激光探测和测距Light Detection and Ranging, LiDAR）分为主动光学成像和被动光学成像。被动光学成像主要是相机，比如水下多目相机，主动光学成像主要包括水下距离选通成像、水下单光子成像、水下结构光三维点云成像、水下条纹管激光成像。
本文主要讲一下水下单光子成像即光子计数雷达成像。
光子是最小的、离散的电磁辐射量。光子是光的量子。光子是无质量的玻色子，与任何量子物体一样，它们同时具有粒子和波的特性。光子既然是离散的，那么就可以被统计。
光子计数成像雷达与传统激光扫描成像的区别见下图。
传统激光成像原理是先发射一束很强的脉冲（激光线），然后获得脉冲的全波形，对波形进行分解，识别特征位置（比如图中的A、B），生成点云。下图是ULS-500激光扫描仪工作图。
光子计数（也称单光子）激光雷能够检测极微弱光脉冲，灵敏度达到单个光子级别。我们不用再通过记录波形获得点云，而是探测到一个光子，就记录一次时间，生成一个位置，最终获得数量庞大的光子点云。此时我们从远距离发射一束功率不太强的激光，只要有数个光子返回，就能达到测量目的。
单光子探测器(SPD，Single Photon Detector)是一种高灵敏度的光电探测器，可以探测单个光子。它可以对单个光子进行计数，实现对极微弱目标信号的探测。常见的单光子探测器如：光电倍增管（Photomultiplier Tube, PMT），微通道板（Microchannelplate, MCP），基于盖革模式雪崩光电二极管（Geiger mode Avalanche Photon Diode, Gm-APD），也被称
为SPAD，以及超导纳米线单光子探测器(Superconductiong Nanowire Single PhotonDetectors, SNSPD)等。
光电倍增管光子计数器主要由光电倍增管、放大器、甄别器和计数器组成。当计数器工作时，光电倍增管的光电阴极接受光辐射的照射，在光电倍增光的负载上形成了一系列的电脉冲，把它连接到放大器上。这些脉冲经放大器放大后，加在甄别器的输入器上，甄别器滤除部分噪音脉冲，只允许那些和光辐射功率成正比的脉冲通过，并送入计数器。
单光子成像通过对回波信号的光子进行累加计数，实现对每个回波光子的数据统计。在探测中往往使用振镜等旋转装置对目标进行不断的扫描，从而得到目标的信息。ICESat-2卫星光子计数雷达在532nm波段，具有很好的透水能力，以我国南海为例，激光光子最深可穿透约30m，ICESat-2测深中误差小于1m，极具应用价值。
水下单光子成像计数利用单光子的叠加可以较完整地还原目标物，但因为需要进行单光子的累积，因此成像所需要的时间较长。优点是探测灵敏度极高，能进行较远距离的探测，可用于获取陆地与海洋地貌图像，缺点是成像时间较长，不适合探测能够移动的物体。
小结
网络上曾有一句流行语：“干掉你的，往往不是你的对手”。打败你的人往往是不知道从哪里突然冒出来的不相干的人。颠覆传统水深测量的不是另一款多波束，而是来自天基的单光子激光雷达。 虽然现在这种技术还不成熟，但是未来可期。
参考文献
水下三维光学成像探测技术综述及展望_王宇航2024.11
水下单光子激光雷达探测精度提升方法研究_王杰2024.12
单光子激光雷达技术研究现状及展望_杨扬2024.06
基于光子计数雷达的海面目标识别方法研究_龙超杰2025.5
光子计数三维成像机理及超分辨技术研究_殷浩蒙2025.6
水下光子计数三维成像激光雷达系统研制及实验验证_王章军2025.6
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基于光子计数技术的远程测距激光雷达_罗远2016.05
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/6894256708
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