单光子及光子计数雷达（下）应用

单光子探测器的响应方式与线性探测器不同，对于到达单光子探测器的光子事件，其响应是随机且二值化的，即探测器仅能反映当前时刻是否存在光子，但不能区分光子来源于信号还是噪声，因此，仅凭单次测量无法获取目标的距离信息。在多次测量下，每次接收到的少量光子离散回波可看作是对目标的脉冲采样，积累大量光子事件后，其时间分布可显现出某些统计规律，利用时间直方图可以直观地呈现这些规律，进而提取到目标的距离等信息。相较线性探测，单光子探测对单次测量回波的信噪比没有较高要求，对激光功率要求更低。其更强调高接收灵敏度，充分利用少量光子的回波信息，提升激光能量利用率。

下图是基于单光子雪崩管（single photon avalanche diode，SPAD）单光子激光雷达的工作原理图。单光子探测器是光子计数激光三维成像的核心。目前，盖革模式雪崩光电二 极管（Geiger-mode avalanche photo-diode，GM-APD）是用于实现光子计数三维 成像的主流探测器，国内外绝大多数光子计数激光三维成像研究均依赖该器件。

发射一定重复频率的激光扫射目标，得到一定时间内光子数量直方图，利用信号处理算法提取有效信号光的传播时间，剔除噪声信号，获取目标的距离。

单光子激光雷达结构有两种：共轴光路和离轴光路，见下图。

常规的中值滤波、点云空间单元阈值去噪等方法可有效滤除原始点云数据中的泊松分布噪声（由于光子的到达是一个随机过程，这导致了检测到的光子数量存在波动，进而形成了图像中的噪声。由于服从泊松分布，称为泊松噪声。），但此类方法在重建图像过程中会损失边缘细节信息，忽略返回信号的时空分布规律。充分利用概率分布差异以及相关性等特性建立的重建算法具有更优良的性能，比如首光子、卷积神经网络、像素邻域核密度估计（Kernel Density Estimation， KDE）的改进算法。

目前，基于局部像素时空关联生成式重构等算法虽然显著提升了成像效果，但在空间、深度不连续等复杂目标场景下存在边缘精准重建困难、引入过多平滑等问题。结合人工智能学习场景全局的高级特征以实现复杂环境下的目标成像，是目前单光子图像重建算法领域的热点研究方向。

1、空天遥感测绘

在美国国防部高级计划研究局（Thedefenseadvancedresearchprojectsagency，DARPA）的Jigsaw计划支持下，美国麻省理工林肯实验室继续展开更多关于光子计数激光雷达三维成像的探索尤其是对机载和高分辨成像方面。2005年林肯实验室基于32×32阵列GM-APD开发出一种坚固紧凑的三维成像激光雷达系统，其参数如下。

系统收发器由紧凑高效的微芯片激光器、单光子计数盖革模式雪崩光电二极管焦平面阵列、扫描器和光学望远镜组件组成。将发射单模激光转化为远场32×32光斑图像系统，光斑图片及收发光路图如下图所示。

在机载条件下实现了对树叶遮蔽目标的高精度成像，如下图所示。

2011年，林肯实验室报道了空中测绘激光雷达（Airborne ladar imaging  research tested，ALIRT）系统对美国科罗拉多大峡谷获得的三维成像结果如图下图所示。

2018年，美国国家航空航天局发射的ICESat-2卫星搭载了基于单光子探测的激光地形高度计（AdvancedTopograpicLaserAltimeterSystem，ATLAS），卫星轨道高度约为478km，ATLAS采用532nm波段激光，可穿透水体，能测得的最大水深为38m。

2024年，中国科学技术大学徐飞虎团队使用激光器与64×64的InGaAsSPAD阵列搭建机载试验装置，其接收口径为47mm，激光功率为150mW，基于卫星定位与惯性导航系统进行亚像素扫描。利用该装置开展了高度约2.1km、行进速度约50m/s的机载成像实验，成像结果如下图所示。应用3D反卷积算法提高光子利用效率，在每像素约2个信号光子回波下重建三维图像，横向分辨力优于40cm，距离分辨力约15cm。

2、地基远距离成像

2021年，中国科学技术大学徐飞虎团队设计了紧凑型共轴单光子成像系统，采用高透接收镜头实现了95%的透过率；使用高消光比的声光调制器实现系统发射和接收的隔离，有效降低了激光源ASE噪声（放大器自发辐射噪声（ASE噪声）是在光放大器受激辐射过程中伴随产生的非相干自发辐射噪声）的影响，实现了201.5km处山体的三维成像，整个图像的单像素平均光子回波为0.41个。其超低噪声的系统设计和超分辨三维重建算法是实现百公里级成像的关键。201.5km远距离单光子探测成像实验系统结构及效果如下图所示。

成像结果如下图所示。

2018年，lindell等人提出了一种基于机器学习的单光子激光雷达三维重建算法，通过利用无噪声干扰的强度信息来进行三维重建，取得了较好的成像效果。 然而，在实际应用中，由于优良的强度信息通常难以获取，这种方法的可行性受到了限制。 尽管如此，这项研究成功地将机器学习引入了单光子成像领域，为未来的研究提供了有益的启示。

3、水下成像

单光子水上三维成像具有较高的精度，而且单光子技术使得从空气到水下的成像成为可能，为机载激光提供了潜在应用。结合下表分析近年国内外单光子探测技术的部分实验及实验结果，水下单光子成像距离大多在20m，满足水下远距离成像要求。

目前水下单光子主要问题是水下计数噪声较大，且计数的形成时间较长，为了应对这些挑战，目前主流趋势是将单光子探测技术与距离选通门控技术相组合，在远距离探测信号的同时有效提高信噪比。

2023年厦门大学上官明佳等人在船载平台上实现了对水域深度的24小时监测，如下图所示，同时实现了对海底地形的勘探；并实现了对水体的衰减系数等关键指标的标定，展现出了强大的应用潜力。

2024年该团队提出了一种紧凑型水下单光子激光雷达，通过对激光器和光学接收器进行了优化，以抑制太阳辐射噪声，并引入了双望远镜结构，将动态测量范围提高到70 dB以上，可用于全天连续剖面测量。在中国南海从近岸水域到近海水域进行的实地实验证明了激光雷达的有效性。实验结果突显了激光雷达的潜在应用，包括对地下颗粒有机碳（Particulate Organic Carbon，POC）的评估。

参考文献

单光子激光雷达技术研究现状及展望_杨扬2024.06

光子计数三维成像机理及超分辨技术研究_殷浩蒙2025.6

水下单光子激光雷达探测精度提升方法研究_王杰2024.12

水下三维光学成像探测技术综述及展望_王宇航2024.11

基于光子计数雷达的海面目标识别方法研究_龙超杰2025.5

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

https://blog.csdn.net/u013600306/article/details/143380158

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1569843224005351

https://doi.org/10.1364/OE.505865

https://www.researchgate.net/figure/a-R-V-navigation-trajectory-with-lidar-overlaid-on-a-monthly-averaged-Chl-a-map-from_fig4_377103361