單光子激光測距技術是一項較新型的探測技術，是激光測距的一個新興分支。相較于傳統的探測技術，單光子激光測距系統具有探測距離更遠，靈敏度更高等優點，已廣泛應用于測繪、航空航天等領域，發展前景廣闊。

據麥姆斯咨詢報道，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的部分關鍵技術及其部分具體應用，整理了目前單光子激光測距技術發展及其在實際工程中的應用現狀，探討了未來單光子技術在激光脈沖、探測器件、波長等方面的發展趨勢，并對單光子激光測距技術進行了總結與展望。相關研究內容以“單光子激光測距系統簡述”為題發表在《測繪技術裝備》期刊上。

單光子測距關鍵技術

光子計數技術

由于傳統的光電探測技術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字計數的探測技術，即光子計數技術。單光子攜帶能量非常小，其產生的光電流小于室溫下一般光電探測器本身的噪聲，常規的直流檢測方法無法探測該信號。目前，可以實現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。光子計數需要用甄別技術濾除探測信號中的各種噪聲，保證被計數的脈沖都來自探測到的光子。光子計數技術主要有基本光子計數、掃描式光子計數和多路式光子計數等不同方案。其中，掃描式和多路式光子計數應用較多，普遍應用于熒光壽命檢測和飛行時間質譜等。

在光子計數技術基礎上，Bollinger、Bennett和Koechlin提出了TCSPC技術，記錄了信號強度與時間的函數關系，不僅可保證探測的光子信號質量，還具有很高的時間分辨率。圖1為時間相關回波光子累計直方圖。MASSA等于1998年將TCSPC技術應用于激光測距，設計了如圖2所示的TCSPC測距系統。目前，TCSPC技術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，對地形目標和淺海水深度進行了測量，利用定量結果得出了地形和測深制圖場景中特征檢測的結論。

圖1 時間相關回波光子累計直方圖

圖2 TCSPC測距系統

TOF

TOF測距利用信號在兩個異步收發機之間往返的飛行時間計算節點之間的距離，通過測距系統的計時模塊記錄激光出射產生起始信號的時間及接收到目標反射回波產生終止信號的時間，屬于雙向測距技術。TOF激光測距原理簡單，它有兩個關鍵約束，一是發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過光束整形，在被測目標處發生反射，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。如傳統激光測距中利用連續激光進行測距，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，但已有廣泛應用，具有激光測距穩定且快速的特點，同時可結合時間數字轉換器（TDC），將采集的時間信號轉換為數字信號，實現高分辨率測量。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和星載平臺單光子激光測距系統。（1）機載平臺單光子激光測距系統。（2）星載平臺單光子激光測距系統。

單光子成像

時間相關單光子激光探測儀可應用于成像系統。2000年，單光子計數激光測距系統的時間分辨率達到了皮秒量級。近年來，國內光子成像技術的發展也愈發迅速。目前，利用單光子激光測距系統對目標進行3D成像技術的發展大多朝向高重復頻率、超窄脈寬和高能量激光器邁進，在對大量回波數據的快速采集和處理，以及在復雜環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域發展迅速。

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和運動姿態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主要有高重復頻率、白天測距技術和陣列單光子探測技術等。

單光子激光測距系統發展趨勢

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的總能耗，使系統向更小體積、更輕重量發展，以服務于航天等特殊領域。

陣列單光子探測技術正在興起，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，單光子測距系統將實現更低暗計數、更短死時間與連續光子探測，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、激光雷達等領域已有成果。

結束語

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域取得了實質性的進展。單光子激光測距系統，特別是激光器與單光子探測器的性能，還有進一步優化的空間，并將向著窄線寬、高重復頻率與更小體積、更輕重量發展，以實現更低暗計數、更短死時間與連續光子探測。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。