中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
單光子激光雷達（又稱(chēng)為光子計數激光雷達）具有單光子量級的探測靈敏度，相比于傳統的線(xiàn)性探測激光雷達，能夠獲得更遠的探測距離，已經(jīng)成為激光雷達探測技術(shù)的前沿和發(fā)展趨勢。然而，極高的探測靈敏度也使單光子激光雷達在探測中極易受到背景噪聲光子的干擾，這在很大程度上降低了其在白天工作的性能，也極大地限制了其適用范圍。
近期，中國科學(xué)院空間光電精密測量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室和中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“全天時(shí)單光子激光雷達技術(shù)進(jìn)展與系統評價(jià)”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為劉博研究員，主要從事激光雷達探測與激光通信方面方面的研究工作。
該文從單光子激光雷達的探測原理出發(fā)，簡(jiǎn)要回顧了其技術(shù)發(fā)展，分析了全天時(shí)工作對單光子激光雷達探測系統的需求，在此基礎上，采用一種新型的光譜濾波技術(shù)，極大地提升了單光子激光雷達在白天的探測性能。同時(shí)，還提出了一種普適性的評價(jià)模型，能夠極為直觀(guān)地對各種激光雷達系統的探測性能進(jìn)行評價(jià)。
隨著(zhù)單光子激光雷達應用領(lǐng)域的不斷拓展，全天時(shí)工作能力成為必然的需求?；谝陨蠁喂庾犹綔y原理的分析，系統的探測性能主要取決于背景噪聲的抑制能力，具體來(lái)說(shuō)就是降低探測器本身的暗計數以及減少除信號光子外的噪聲光子計數。對于探測器的暗計數，目前幾種主流的單光子探測器都能做到比較低的水平，比如GM-APD一般為幾十赫茲到千赫茲，SNSPD甚至可以達到幾赫茲，相對于白天日光引起的背景噪聲計數率（一般為MHz量級）來(lái)說(shuō)已經(jīng)可以忽略不計。因此，單光子激光雷達白天探測性能的提升主要取決于對日光引起的背景噪聲的抑制水平。
目前，單光子激光雷達一般采用532 nm、1064 nm或1550 nm這三個(gè)探測波長(cháng)，相應的單光子探測器有PMT、Si APD、InGaAs APD、SNSPD幾種選擇，表1給出了幾種探測器的典型參數。
激光雷達系統常用的背景噪聲抑制技術(shù)包括空間濾波、時(shí)間濾波以及光譜濾波?？臻g濾波主要是在雷達的光學(xué)接收系統中采用有效的視場(chǎng)光闌，盡可能地減小系統的光學(xué)視場(chǎng)（FOV），但要注意與發(fā)射光束相匹配。時(shí)間濾波主要是根據目標大致距離，采用盡可能精確的時(shí)間門(mén)控，摒棄時(shí)間門(mén)寬之外的光子信號，而實(shí)際上TCSPC本身就是一種十分有效的時(shí)間濾波技術(shù)。光譜濾波是指以發(fā)射激光波長(cháng)為中心，設置盡可能窄的光譜透過(guò)帶寬，從而濾除接收視場(chǎng)內除信號波長(cháng)外的其他波長(cháng)成分，以此到達抑制背景的目的。
單光子激光雷達全天時(shí)探測能力分析
光子計數激光雷達的噪聲來(lái)源主要是背景光噪聲以及探測器本身的暗計數噪聲，由于暗計數噪聲是由器件本身的暗電流產(chǎn)生的，與器件性能有關(guān)，這里不作分析。背景光噪聲的主要來(lái)源是太陽(yáng)輻射，因此需要對由太陽(yáng)輻射引起的、最終到達單光子探測器的噪聲光子進(jìn)行分析。
為了簡(jiǎn)化處理，可以將太陽(yáng)視作一個(gè)溫度為5778 K的標準黑體，利用黑體輻射公式可以準確得到某一波段太陽(yáng)光譜的輻射能量。依據黑體輻射公式和太陽(yáng)輻射光譜，可以得到某一波長(cháng)的太陽(yáng)常數，即日地距離上，大氣層頂垂直于太陽(yáng)光線(xiàn)的單位面積在每秒接收到的太陽(yáng)輻射功率，其隨波長(cháng)不同而變化。在確定激光雷達系統探測波長(cháng)后，根據系統的光譜濾波帶寬以及該波長(cháng)太陽(yáng)常數即可計算出該波段范圍內的太陽(yáng)光譜輻射功率。位于雷達和目標之間路徑上的大氣也會(huì )對太陽(yáng)輻射進(jìn)行散射，整個(gè)路徑上的大氣散射被雷達光學(xué)系統接收也會(huì )成為噪聲光子，這部分輻射的計算十分復雜，與太陽(yáng)高度角、目標方位角、路徑大氣消光系數分布等探測時(shí)的具體太陽(yáng)與大氣參數密切相關(guān)，難以精確計算。
對于激光雷達用的單光子探測器的選擇，由表1可見(jiàn)，SNSPD探測器在可見(jiàn)到近紅外波段的綜合探測性能上具有明顯優(yōu)勢，制約SNSPD的條件主要是其系統需要極低制冷溫度（低于4 K），難以實(shí)現系統小型化。另外，目前其使用成本過(guò)于昂貴，價(jià)格約為半導體探測器的10倍以上。不考慮以上因素時(shí)，選用SNSPD探測器將顯著(zhù)提升雷達探測性能，下文不再將其列入對比分析。此外，對于532 nm探測，由于PMT量子效率高且無(wú)死時(shí)間效應，在不考慮其他因素的情況下也應優(yōu)先選用，下文也不再將其列入對比分析。
為了進(jìn)行探測性能對比分析，選定10 km距離的擴展目標，按照表2中參數計算不同光譜濾波帶寬時(shí)不同波長(cháng)和探測器的探測概率。
