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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(qiáng)，因此利用激光可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)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(dǎo)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(yuǎn)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(guān)電子學(xué)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(jìn)行響應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的測量。目前，單光子激光測距技術(shù)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(guān)鍵技術(shù) 01時間相關(guān)光子計(jì)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(jì)數(shù)法進(jìn)行激光測距，然后對回波光子進(jìn)行計(jì)數(shù)。
20世紀(jì)末，人們開展了關(guān)于時間相關(guān)的光子計(jì)數(shù)法的研究，充分利用目標(biāo)光子的相關(guān)特性，有效地將混雜在噪聲中的目標(biāo)回波光子提取出來。最初是使用時間振幅轉(zhuǎn)換器（TAC），將采集的時間轉(zhuǎn)換為電壓幅值，然后將此信息進(jìn)行處理獲取目標(biāo)距離值。隨著科技的進(jìn)步，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）的出現(xiàn)進(jìn)一步推進(jìn)了單光子測距的發(fā)展。目前，主要有峰值法、質(zhì)心法以及深度學(xué)習(xí)法三種方法處理回波光子累積直方圖并提取目標(biāo)的位置信息。
為探究熒光材料的壽命，科學(xué)家設(shè)計(jì)的光子計(jì)數(shù)技術(shù)在測距領(lǐng)域逐漸得到廣泛的應(yīng)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(lǐng)域的發(fā)展有重要意義；基于時間相關(guān)光子計(jì)數(shù)法的掃描式激光測距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地形目標(biāo)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(shí)現(xiàn)了在白天的較大動態(tài)范圍的測量，可以準(zhǔn)確提取目標(biāo)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(guān)光子計(jì)數(shù)累積處理回波數(shù)據(jù)方法的遠(yuǎn)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(biāo)進(jìn)行測距，即通過激光器發(fā)射激光，激光照射到目標(biāo)之后，目標(biāo)將激光漫反射回來，通過光學(xué)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(jì)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(biāo)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(xué)發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)、探測系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)實(shí)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(biāo)之后，通過接收回波并計(jì)算激光在目標(biāo)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(dǎo)致激光衰減太快，所以測量距離越遠(yuǎn)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(lǐng)域大功率連續(xù)激光測距系統(tǒng)的應(yīng)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(jié)合時間相關(guān)光子計(jì)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(yuǎn)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(yīng)用于機(jī)載和星載等平臺。
隨著飛行時間技術(shù)的發(fā)展，基于飛行時間法的單脈沖測距技術(shù)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(xué)院光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃民雙提出一種在特定距離下的誤差計(jì)算方法，并通過最小二乘法擬合出誤差補(bǔ)償曲線，實(shí)現(xiàn)了對飛行時間法的單脈沖測距方法的誤差補(bǔ)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(biāo)與激光器之間的大氣衰減，回波能量微弱，為了能實(shí)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(shí)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(dǎo)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(diǎn)主要是增益很大，響應(yīng)靈敏。但是，隨著光電倍增管應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)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。