《Optics & Laser Technology》：Single-Photon LiDAR dynamic ranging of flight targets based on infrared guidance
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单光子LiDAR通过红外望远镜宽视场引导实现高速飞行目标高精度测距，采用局部光子计数与密度分布分析的自适应阈值算法有效降噪，333Hz刷新率下测距精度达0.865米。
庞新宇|单明山|赵吉同|杨国清|李云龙|杨帅|王晓明|王欢|于毅
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（CIOMP），中国吉林省长春市130033
摘要
单光子激光雷达系统的有限视场（FOV）在捕捉和跟踪高速飞行目标时存在显著限制。为克服这些挑战，本文提出了一种红外引导的单光子激光雷达框架，该框架将单光子测距模块与大口径红外电光望远镜协同集成。通过同步的视场对齐，系统实现了精确的目标定位和测距，利用红外望远镜的广域检测能力进行初始目标获取。一个关键的创新在于开发了一种自适应阈值算法，该算法结合了局部光子计数与密度分布分析，有效抑制了原始测距数据中的噪声污染。实验验证表明，该系统能够保持高频动态测量，测距精度达到0.865米，刷新率为333赫兹。通过利用红外广域传感和单光子精确测距的互补优势，这种混合架构为快速移动目标的实时远程跟踪建立了一种新范式。所提出的方法不仅解决了当前光子计数激光雷达应用中的局限性，还为复杂操作环境中的飞行目标检测提供了一个可扩展的框架。
引言
随着航空航天系统、军事跟踪基础设施和无人机（UAV）操作对飞行目标监控需求的增加，对能够分辨快速移动目标的高保真动态测距技术的需求也随之增强。传统的激光测距技术受到环境干扰、目标快速运动和信号衰减等因素的限制，在复杂条件下难以实现高精度测量。[[1], [2], [3]] 最近，受量子启发的检测范式的进步将单光子激光雷达系统推到了光子传感创新的前沿。[4,5] 利用单光子雪崩二极管（SPAD）探测器和时间相关单光子计数（TCSPC）架构，这些系统实现了前所未有的光子效率，检测灵敏度接近量子极限。这一突破提供了更高的检测灵敏度、更长的检测范围和更快的数据采样率，使其广泛应用于远程目标测距、[[6], [7], [8]] 水下检测、[9] 地形测绘、[10] 三维重建成像、[[11], [12], [13]] 以及大气参数检测等领域能。
移动平台的传感系统小型化和光学集成对单光子激光雷达接收器提出了严格的要求，[10,16] 因为较小的孔径尺寸固有地限制了角分辨率和视场（FOV）覆盖范围。相比之下，大口径红外电光望远镜系统具有宽广的视场、[17,18] 较小的跟踪误差、[19,20] 即使在高相对速度下也能实现稳健的目标获取。此外，它们还可以提供目标的红外特性，如辐射度和辐射强度。[21,22] 通过将目标的红外特性与单光子测距数据（包括计算出的目标速度和加速度结果）相结合，可以更全面地表示目标的物理属性，从而实现使用单站经纬仪进行目标定位和测距。此外，红外电光望远镜的编码器数据（系统时间、方位角和仰角）可以为后续的飞行目标轨迹重建提供丰富的信息。
为了解决单光子测距系统在跟踪和定位移动目标方面的局限性，本文提出了一种红外引导的单光子激光雷达技术。通过将视场与大口径红外电光成像系统对齐，首先由红外系统锁定和跟踪目标，同时使用单光子激光测距进行分析。然后，应用基于局部光子计数总和和局部密度统计分布阈值分割的高效数据处理方法来去除原始数据中的噪声，提取和计算距离信息。该技术结合了红外系统广域检测的高灵敏度和单光子远程检测的高精度，为高速移动目标的高帧率动态测距提供了一种新方法，从而推动了其在目标检测领域的应用。
部分摘录
单光子激光雷达检测原理
本研究描述的单光子测距系统基于TCSPC原理运行，[23]这是一种通过光子飞行时间（ToF）估计来测量目标距离的高精度技术。系统架构如图1所示，包括激光发射模块、激光接收模块、单光子检测模块、主控制模块（FPGA）以及数据采集、存储和处理模块（TCSPC、计算机）。光学通信终端（OCT）用于
数据去噪
高速机动性是战斗机和导弹等飞机的基本特性。某些目标的机动变化可能在极短时间内发生，因此需要光学测量设备具备高帧率检测能力。为了更好地描述目标高速机动过程中的距离变化，有必要提高单光子测距系统的检测频率。高帧率测距系统具有较短的积分时间，
设置实验参数
系统激光器发射的激光脉冲波长为1550纳米，脉冲宽度为1纳秒，重复频率分别为49千赫、49.5千赫和50千赫。系统使用InGaAs/InP APD型单光子探测器。光学接收系统的孔径为45毫米，视场角约为200微弧度，红外望远镜的视场为16毫弧度×12.8毫弧度。使用带宽为2纳米的窄带滤波器进行噪声过滤。系统的数据
结论与展望
本文提出了一种红外引导的单光子激光雷达技术。该系统将单光子测距模块与大口径红外光子望远镜集成，充分利用了两个组件的优势。利用单站经纬仪，实现了目标定位和测距，从而解决了独立单光子测距系统在定位和跟踪移动目标方面的局限性。采用了一种基于阈值分割的去噪方法
CRediT作者贡献声明
庞新宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。单明山：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法论，数据管理，概念化。赵吉同：可视化，验证，软件，资源，方法论，调查，形式分析。杨国清：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件，资源，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（62305337）的支持。
