单光子激光雷达（又称为光子计数激光雷达）具有单光子量级的探测灵敏度，相比于传统的线性探测激光雷达，能够获得更远的探测距离，已经成为激光雷达探测技术的前沿和发展趋势。然而，极高的探测灵敏度也使单光子激光雷达在探测中极易受到背景噪声光子的干扰，这在很大程度上降低了其在白天工作的性能，也极大地限制了其适用范围。

近期，中国科学院空间光电精密测量技术重点实验室和中国科学院光电技术研究所的科研团队在《红外与激光工程》期刊上发表了以“全天时单光子激光雷达技术进展与系统评价”为主题的文章。该文章第一作者和通讯作者为刘博研究员，主要从事激光雷达探测与激光通信方面方面的研究工作。

该文从单光子激光雷达的探测原理出发，简要回顾了其技术发展，分析了全天时工作对单光子激光雷达探测系统的需求，在此基础上，采用一种新型的光谱滤波技术，极大地提升了单光子激光雷达在白天的探测性能。同时，还提出了一种普适性的评价模型，能够极为直观地对各种激光雷达系统的探测性能进行评价。

随着单光子激光雷达应用领域的不断拓展，全天时工作能力成为必然的需求。基于以上单光子探测原理的分析，系统的探测性能主要取决于背景噪声的抑制能力，具体来说就是降低探测器本身的暗计数以及减少除信号光子外的噪声光子计数。对于探测器的暗计数，目前几种主流的单光子探测器都能做到比较低的水平，比如GM-APD一般为几十赫兹到千赫兹，SNSPD甚至可以达到几赫兹，相对于白天日光引起的背景噪声计数率（一般为MHz量级）来说已经可以忽略不计。因此，单光子激光雷达白天探测性能的提升主要取决于对日光引起的背景噪声的抑制水平。

目前，单光子激光雷达一般采用532 nm、1064 nm或1550 nm这三个探测波长，相应的单光子探测器有PMT、Si APD、InGaAs APD、SNSPD几种选择，表1给出了几种探测器的典型参数。

激光雷达系统常用的背景噪声抑制技术包括空间滤波、时间滤波以及光谱滤波。空间滤波主要是在雷达的光学接收系统中采用有效的视场光阑，尽可能地减小系统的光学视场（FOV），但要注意与发射光束相匹配。时间滤波主要是根据目标大致距离，采用尽可能精确的时间门控，摒弃时间门宽之外的光子信号，而实际上TCSPC本身就是一种十分有效的时间滤波技术。光谱滤波是指以发射激光波长为中心，设置尽可能窄的光谱透过带宽，从而滤除接收视场内除信号波长外的其他波长成分，以此到达抑制背景的目的。

单光子激光雷达全天时探测能力分析
光子计数激光雷达的噪声来源主要是背景光噪声以及探测器本身的暗计数噪声，由于暗计数噪声是由器件本身的暗电流产生的，与器件性能有关，这里不作分析。背景光噪声的主要来源是太阳辐射，因此需要对由太阳辐射引起的、最终到达单光子探测器的噪声光子进行分析。

为了简化处理，可以将太阳视作一个温度为5778 K的标准黑体，利用黑体辐射公式可以准确得到某一波段太阳光谱的辐射能量。依据黑体辐射公式和太阳辐射光谱，可以得到某一波长的太阳常数，即日地距离上，大气层顶垂直于太阳光线的单位面积在每秒接收到的太阳辐射功率，其随波长不同而变化。在确定激光雷达系统探测波长后，根据系统的光谱滤波带宽以及该波长太阳常数即可计算出该波段范围内的太阳光谱辐射功率。位于雷达和目标之间路径上的大气也会对太阳辐射进行散射，整个路径上的大气散射被雷达光学系统接收也会成为噪声光子，这部分辐射的计算十分复杂，与太阳高度角、目标方位角、路径大气消光系数分布等探测时的具体太阳与大气参数密切相关，难以精确计算。

对于激光雷达用的单光子探测器的选择，由表1可见，SNSPD探测器在可见到近红外波段的综合探测性能上具有明显优势，制约SNSPD的条件主要是其系统需要极低制冷温度（低于4 K），难以实现系统小型化。另外，目前其使用成本过于昂贵，价格约为半导体探测器的10倍以上。不考虑以上因素时，选用SNSPD探测器将显著提升雷达探测性能，下文不再将其列入对比分析。此外，对于532 nm探测，由于PMT量子效率高且无死时间效应，在不考虑其他因素的情况下也应优先选用，下文也不再将其列入对比分析。

为了进行探测性能对比分析，选定10 km距离的扩展目标，按照表2中参数计算不同光谱滤波带宽时不同波长和探测器的探测概率。