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激光器的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的測距方式。激光在大氣中傳播發(fā)散角小，且能量集中，抗干擾性強，因此利用激光可以實現(xiàn)更遠距離且精度較高的測距。
根據(jù)測距原理分類，激光測距主要包括以下三種方法：飛行時間法（TOF）、干涉法和三角法。三種測距方法由于測距原理不同，導致測距性能各不相同，如測量距離、精度等。飛行時間法通常用于遠距離測距，測量距離在20 km以上，三角法和干涉法多用于近距離測距，由于干涉法的測距精度高，多用于精密儀器的檢測。
近年來隨著激光器、探測器以及相關電子學的發(fā)展，激光測距又衍生出一種新的測距方式，即單光子激光測距法。單光子激光測距系統(tǒng)中光子探測器可以對光子進行響應，進而實現(xiàn)更遠距離的測量。目前，單光子激光測距技術發(fā)展迅速，在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中占有重要地位。 1單光子激光測距關鍵技術 01時間相關光子計數(shù)法 由于光子探測器的靈敏度很高，需要在低背景噪聲環(huán)境下才能通過光子計數(shù)法進行激光測距，然后對回波光子進行計數(shù)。
20世紀末，人們開展了關于時間相關的光子計數(shù)法的研究，充分利用目標光子的相關特性，有效地將混雜在噪聲中的目標回波光子提取出來。最初是使用時間振幅轉換器（TAC），將采集的時間轉換為電壓幅值，然后將此信息進行處理獲取目標距離值。隨著科技的進步，時間數(shù)字轉換器（TDC）的出現(xiàn)進一步推進了單光子測距的發(fā)展。目前，主要有峰值法、質心法以及深度學習法三種方法處理回波光子累積直方圖并提取目標的位置信息。
為探究熒光材料的壽命，科學家設計的光子計數(shù)技術在測距領域逐漸得到廣泛的應用?；趩喂庾犹綔y器和皮秒脈沖激光器的高分辨率激光測距系統(tǒng)，對遙感領域的發(fā)展有重要意義；基于時間相關光子計數(shù)法的掃描式激光測距系統(tǒng)，實現(xiàn)了地形目標和淺海水深度的測量；厘米量級的高分辨率的激光測距及成像系統(tǒng)實現(xiàn)了在白天的較大動態(tài)范圍的測量，可以準確提取目標的特征信息，但是該系統(tǒng)的信息掃描采集速度慢。2020年，基于飛行時間法和時間相關光子計數(shù)累積處理回波數(shù)據(jù)方法的遠程單光子探測系統(tǒng)被研制出來，有效解決了測距中存在模糊距離的問題，大大增加了測量距離。 02飛行時間法 單光子激光測距主要是通過飛行時間法對目標進行測距，即通過激光器發(fā)射激光，激光照射到目標之后，目標將激光漫反射回來，通過光學接收系統(tǒng)將反射信號接收到探測器靶面。通過測距系統(tǒng)的計時模塊可以記錄激光出射產(chǎn)生起始信號的時間，以及接收到目標反射回波產(chǎn)生終止信號的時間。飛行時間法主要通過激光器、光學發(fā)射系統(tǒng)、光學接收系統(tǒng)、探測系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 單光子激光測距系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)飛行時間法激光測距主要是通過激光器發(fā)射連續(xù)的激光，在照射到目標之后，通過接收回波并計算激光在目標與探測器之間的傳播時間，但是激光在空氣中受到大氣的擾動，導致激光衰減太快，所以測量距離越遠所需要的激光發(fā)射的能量就越大；同時，大功率激光器的體積和重量都比較大，因此很多領域大功率連續(xù)激光測距系統(tǒng)的應用會受到限制。
單光子飛行時間法激光測距系統(tǒng)采用了高頻窄線寬脈沖激光器，結合時間相關光子計數(shù)方法，可以有效提高光子利用效率，且高頻脈沖激光器的體積、重量遠小于連續(xù)大能量激光器。因此單光子激光測距系統(tǒng)可以廣泛應用于機載和星載等平臺。
隨著飛行時間技術的發(fā)展，基于飛行時間法的單脈沖測距技術日益成熟，但是單脈沖測距系統(tǒng)的測程很短，只有數(shù)百米，且測量誤差較大。北京石油化工學院光機電裝備技術北京市重點實驗室黃民雙提出一種在特定距離下的誤差計算方法，并通過最小二乘法擬合出誤差補償曲線，實現(xiàn)了對飛行時間法的單脈沖測距方法的誤差補償，提高了系統(tǒng)的測距精度。 2單光子探測器的類型 光子探測器作為單光子激光測距系統(tǒng)的核心，在單光子激光測距系統(tǒng)中，激光器發(fā)射脈沖激光經(jīng)過往返于目標與激光器之間的大氣衰減，回波能量微弱，為了能實現(xiàn)對單個光子的探測，以波長為1064 nm的激光為例，單個光子的能量為1.86×10-19 J，因此探測器需要很大的增益，并且噪聲小。
目前可以實現(xiàn)光子探測的探測器主要包括以下三種：蓋格模式雪崩二極管（Gm-APD）、光電倍增管（PMT）以及超導納米線單光子探測器（SNSPD）。 01光電倍增管 光電倍增管的工作原理如圖2所示。光電倍增管作為最早的光電探測器，其特點主要是增益很大，響應靈敏。但是，隨著光電倍增管應用領域要求的提高，光電倍增管正逐漸朝著小型化和集成化方向發(fā)展。得益于光電倍增管制作工藝的發(fā)展與進步，光電倍增管的價格在逐漸降低，同時光電倍增管的性能也在不斷提高，如受噪聲的影響在不斷降低、光電倍增管的穩(wěn)定性的提高、受振動干擾的問題在不斷優(yōu)化等。