单光子激光雷达技术发展现状与趋势综述

第一作者：赵浴阳

通信作者：朱精果

概述

在三维成像探测领域，主动式激光雷达被广泛应用于航空航天、自动驾驶、三维建模和环境监测等领域。然而，激光在传输介质中的散射与衰减效应导致常用的线性探测模式激光雷达在远距离、高效率应用中的探测能力受到限制，如何在复杂环境中保持高探测灵敏度、高探测精度和强抗干扰能力成为激光雷达技术发展中面临的一大挑战。

单光子探测器件具有光子级灵敏度、0/1输出和易于阵列化等特性，从根本上提高了对光信号的利用率并改变了数据处理方式，在激光探测方面展现出独特的优势，成为激光探测技术的研究热点。基于单光子探测器的激光雷达，通过时间相关单光子计数技术，显著地降低了成像系统对激光光源功率和大口径接收光学系统的依赖，并为微弱信号下高精度三维重建提供了全新解决方案，突破了传统激光雷达在探测距离、探测精度、探测效率和系统尺寸等方面的局限，成为新一代激光雷达技术的发展趋势。然而，噪声干扰、距离模糊等问题始终困扰着单光子激光雷达，使其难以兼顾探测距离、探测效率、成像质量和识别能力等指标。因此如何进一步提升单光子成像系统性能，推动其拓展更多的应用场景，已成为该领域的重要研究课题。

关键进展

中国科学院微电子研究所朱精果研究员团队在《光电工程》激光雷达创新与应用专题上发表了题为“单光子激光雷达技术发展现状与趋势”的特邀综述文章，系统介绍了单光子激光雷达技术的基本原理、探测器件、成像算法和应用实例。文章以基于单光子雪崩光电二极管（SPAD）的探测技术为代表，从单光子器件的特性出发，对现有单光子成像技术进行解读，梳理了单光子激光雷达的研究脉络，进而对该技术的共性问题和发展趋势进行了讨论。论文被选为该专题的封面文章。

由于单光子器件具备光子级灵敏度，其易受噪声干扰，因此如何从系统设计层面提高信噪比，成为单光子探测技术的重要研究内容。英国赫瑞瓦特大学Buller团队设计了一款采用时间相关单光子计数技术的超短脉冲单光子探测系统，随后实现了对330 m处目标的三维成像，展现了脉冲计数技术的可靠性。但由于脉冲累积方案存在距离模糊问题，因此中国科学院光电技术研究所刘博团队利用SPAD探测器作为真随机信号发生器，开发了一种基于真随机编码的单光子探测技术，解决了距离模糊问题。此后，中国科学院微电子研究所朱精果团队将混沌光源引入单光子成像领域，进一步提高了编码调制方案的信噪比。而为了抑制环境噪声，美国麻省理工学院Luu等人提出光外差啁啾调制单光子激光雷达，首次将调频连续波雷达设计方案引入到单光子成像领域。通过对不同原理方案的剖析和重要研究成果的梳理，文章从设计难度、测距精度、距离模糊和抗干扰能力等方面分析了不同技术的优势与不足。

图1 单光子激光雷达探测原理。（a）脉冲累积技术；（b）混沌编码调制技术；（c）啁啾调制技术

除了原理方案的改进，探测器件的快速发展同样推动了单光子激光雷达性能的不断进步。近年来，随着CMOS工艺在SPAD制造领域的成功运用，基于Si材料和InGaAs/InP材料的SPAD器件得到了快速发展，新材料、新结构层出不穷。一方面，瑞士洛桑联邦理工学院Lee等人提出的圆形p+/深n阱结构和英国赫瑞瓦特大学Vines等人设计的Ge-on-Si探测器，有效提高了光子探测效率、拓宽了SPAD响应波段；另一方面，重庆光电技术研究所崔大健团队研制的256×64规模InGaAs/InP SPAD阵列探测器和佳能等机构推出的1024×1000规模Si SPAD阵列探测器，也展现了大规模SPAD焦平面阵列的发展现状。

图2 单光子探测器件研究进展。（a）Si SPAD原理与光子探测效率（b）圆形p+/深n阱结构；（c）Ge-on-Si探测器；（d）InGaAs/InP SPAD阵列；（e）Si SPAD阵列

面向单光子输出特性的数据处理算法和成像研究，成为提高系统性能的另一关键。通过分析信号与噪声的联合分布并利用像素间关联关系，成像算法可以杂乱的噪声中准确恢复微弱信号，显著提高了系统探测性能。美国麻省理工学院Kirmani等人的首光子和美国波士顿大学Rapp等人的UA（Unmixing Algorithm）等基于数学建模的算法通过利用单光子数据中的时空关联特征，实现了在极低信噪比环境中对场景的高精度三维重建；而基于美国斯坦福大学Lindell等人提出的U型网络结构和中国科学技术大学徐飞虎团队设计的非局部相关性神经网络，也展现了深度学习在该领域的可行性，体现了高性能算法对激光雷达系统指标的价值。

图3 典型成像算法效果。（a）首光子算法；（b）U型神经网络算法

得益于单光子探测技术的不断成熟，其应用领域也得到了快速拓展。就单光子激光雷达自身应用而言，华东师范大学吴光团队通过重复频率互为质数的激光脉冲，实现了对青海湖21 km处目标的测距功能，验证了该技术在远距离成像方面的可靠性。而对远距离目标探测和复杂场景探感成像的研究也促进了单光子成像系统在遥感测绘等领域的应用。2018年，美国国家航空航天局（NASA）发射的ICESat-2卫星搭载了单光子激光雷达系统ATLAS。此外，区别于传统激光雷达，高集成度的片上SPAD模组也在索尼、苹果等公司的支持下走向了智能驾驶导航避障和消费电子3D感知市场。

图4 典型单光子激光雷达应用实例。（a）ATLAS系统；（b）索尼IMX459

总结与展望

综上所示，单光子激光雷达作为一种新兴的激光测量技术，对微弱信号探测和三维重建系统小型化有重要意义，但目前仍面临诸多挑战：1）高背景光环境中，堆积效应导致信号光子被大量噪声淹没，这成为单光子探测技术亟待解决的重要课题；2）如何面向应用构建基于单光子探测器随机特性的数学模型，并在有限的计算资源下实现准确的实时成像，对单光子激光雷达的体制设计和处理算法提出了新的要求；3）对于智能驾驶及消费电子应用，设计兼顾体积、成本、功耗和可靠性的单光子成像系统，成为系统设计的难点之一。虽然基于单光子探测器件的激光雷达系统还存在待完善的一些问题，但随着高性能大阵列的SPAD探测器的问世，多源融合和感算一体的成像算法的设计，小型化、智能化和集成化的系统模组的推出，及日趋广泛的应用需求牵引，我们相信单光子激光雷达将在未来突破现有瓶颈，在学术研究和商业应用中展现出更大的潜力和价值。

审核编辑：刘清