摘 要：通过介绍单光子探测器的工作原理、单光子探测器系统的光学结构，研究单光子探测系统的构成。利用Python语言编写单光子点云信息软件处理算法，实现测距目标的二维点云图和直方图，获得目标的距离信息，研究空间极远目标极微弱信号的探测机理。
关键词：激光主动探测技术；单光子探测器；极远目标
中图分类号：TN215 文献标识码: A
在对空间目标（比如月球、小行星、卫星飞行器等）或者空对地（从高空探测地球）探测中，激光主动探测技术是一种行之有效的方法[1]。这种方法通过发射一束激光射向目标，目标反射回来的微弱激光信号经过光学接收系统而聚焦到探测器上。探测器是一种光电转换器件，能够将光信号转换为电信号。转换为电信号后，通过测量激光在空间中的飞行时间（发出激光与返回激光回波之间），就可以获得目标距离信息。下图1为对空间目标距离探测的系统示意图。
图1 空间目标距离探测的系统示意图
随着对光学仪器探测能力要求的提高，光电探测器的灵敏度必须随之提高。而单光子探测器能够感知一个光子，是迄今为止探测能力最强的探测器之一。本论文的内容就是研究单光子探测器工作机理及点云数据处理算法，探索对空间极远目标极微弱信号的探测机理。
1．单光子探测光学仪器组成[2]
从目标返回来的微弱激光信号，需要经过光学接收系统和探测器。光学接收系统采用折射式结构，由接收望远镜组和滤光片组成，如下图2所示。第一片透镜用于收集目标返回的激光信号，第二片透镜用于将收集到的光束进行缩束，成为平行光，因为滤光片必须放在平行光路中。第三片和第四片透镜用于将光束进一步缩束到探测器焦平面，缩束后的光斑面积小于探测器光敏面（能够感光的面积大小）。
图2 接收望远镜组示意图和剖面图
接收望远镜组的作用是收集从目标返回的微弱激光信号，望远镜的口径（由第一片透镜直径确定）越大，则收集微弱光信号的能力越强，但是太大的口径又会导致光学仪器的体积和重量增加。因此，望远镜的口径都是根据各自的任务计算获得的，既不能太大造成资源浪费，又不能太小而达不到光学仪器的探测能力。
滤光片本身也是一种透明的镜片，一般材料为融石英。但是，在它的表面镀了几十层光学膜，这些光学膜具有不同的折射率，每层厚度都要进行精确控制。这些不同折射率的薄膜沉积到光学镜片上，导致特定波长的光有非常高的透过率，而其它波长的光被反射和吸收，从而被挡在门外。滤光片就像一个闸门，只允许感兴趣波段的光信号（在此处与激光器发出光，也就是信号光的波段相一致）进入，而其它波段的光，只能望洋兴叹而被拒之门外。
滤光片的带宽（能顺利透过的波段）越窄，则其滤光能力越强，越难制作。随着对光学仪器探测能力要求的不断提高，滤光片带宽可以达到0.1nm，这样就可以有效地抑制背景光（比如太阳光、月光、星光等），仅允许从目标返回的激光回波信号被光学仪器接收，防止背景光对目标探测造成干扰。通过滤光片，滤除各种背景光，使得即使目标返回的激光信号非常微弱，也能实现对目标的探测。而且光学仪器要想在白天工作，就必须依靠滤光片，否则强烈的太阳光（一种白光，包含各个波段的光）足以淹没真实的激光返回信号，使得光学仪器不能工作。因此滤光片是主动光学仪器对空间目标或者对地探测必不可少的重要组件。
接收望远镜组将激光回波能量会聚到探测器上。探测器分为线性探测器和单光子探测器。线性探测器通过测量目标返回的激光光强进行探测，含有成千上万个光子，能够感知的最小光功率为10-8瓦，能够探测的光能量极限为10-16焦耳量级。而单光子探测器能够感知一个光子的能量，单光子的能量达10-19焦耳，使得光学仪器探测能力相对线性探测提高了1000倍以上。随着对光学仪器探测能力要求的提高，单光子探测器得到越来越广泛的应用。
采用高灵敏度的单光子探测器，将线性探测体制下包含大量光子的回波波形探测转换为针对单个回波光子事件的“计数”，利用光子事件多次累积进行噪声滤除，实现对单光子信号的感知和计数，可以极大地提高光学系统的探测能力，使得极远距离的目标探测成为可能。
2．单光子探测器
光具有波粒二象性，而光子，是光的最小能量量子，是我们人眼所无法识别的。单光子探测器利用新式光电效应，能感知单个光子，并对其进行计数，进而实现对极微弱信号的探测。
目前，常用的单光子探测器主要有三种[3][4]，如下图3所示，分别是光电倍增管PMT（Photomultiplier Tube）、单光子雪崩二极管SPAD（Single Photon Avalanche Diode）、超导型单光子探测器（Superconducting Single Photon Detector ）和固态硅光电倍增管SiPM（Silicon Photomultiplier）。本论文中采用铟镓砷（InGaAs）单光子探测器。InGaAs探测器所处的近红外波段具有穿透能力强，背景噪声小，不可见，人眼安全，光纤传输损耗低的特点，是对空间目标探测的理想波段。
图3 常用单光子探测器
单光子探测器的重要指标包括死时间和暗计数。当探测器探测到一个光子之后，在一定时间内探测器不能对新的光子产生响应，这段时间称为探测器的死时间。死时间越短越好，死时间由探测器的驱动电路确定。当处于黑暗背景中没有光子进入时，探测器仍然能够探测到光子，这就是探测器的暗计数。暗计数是制作探测器的材料缺陷、温度、湿度、热噪声等因素引起的。
图4 探测器死时间探测波形图
上图4就是测量探测器死时间的波形图，最左侧的脉冲信号，就是单光子的响应信号。右侧是经过多次累积后的信号，从采集波形看出是随机发生的。单光子探测器进行光电转换后，获得非常微弱的信号，还要由放大电路进行放大，才能获得如上图所示的脉冲信号。这个单光子信号来自回波信号或者暗计数或者是噪声信号，在此处已经无从区分，需要后续的采集处理软件进行区分了。
这样我们就感知到了单光子的存在，这个我们人眼看不到分不开的光子，最小的能量的量子单位，经过单光子探测器和处理电路后，就被我们感知到了。通过进一步提取和处理，就可以从这些单光子信号里获得到目标的距离信息。
3．软件处理算法[5]
在单光子探测中，通过多次累积（就是比线性探测更快更多的探测次数），获得更多的距离信息，再将真实距离信息提取出来。真实信号与暗计数、背景光噪声相比，真实信号之间具有相关性（比如真实信号位于100公里），而暗计数和背景光噪声随机发生。通过比较这些众多的距离信息，在茫茫数据中，软件会发现，位于100公里处的距离信息数量最多，而其它范围的距离信息数量相差无几（因为噪声随机发生的概率相同），那么100km就是真正的目标距离信息。
Python语言提供了高效的高级数据结构，还能简单有效地面向对象编程，由于其语言的简洁性、易读性以及可扩展性，越来越多地被应用于科学计算。本文创新性地用python语言实现对光子计数点云数据的处理。
通过直方图统计可以实现点云数据的滤波，第一步是将距离数据分成一系列相等的栅格，然后统计每个栅格中有多少个距离数据满足，并统计满足的次数。直方图统计基于以下前提：
（1）信号特性：在回波信号出现的距离栅格里，信号探测概率较高，而且由于目标距离的连续和相关，使得信号也呈一定的相关特性；
（2）噪声特性：可认为随机分布于整个空间，分布特性依照噪声信号模型；
根据光子计数激光测距点云的数据特点，信号和噪声点云的不同概率分布特性作为数据提取和噪声滤除的依据，以下为点云图绘制与直方图噪声滤除算法的Python程序代码。
4、单光子探测试验[6]
下图5是单光子探测试验图，包含两个镜筒（收发镜筒），分别发射激光和接收激光回波信号，采用铟镓砷（InGaAs）单光子探测器，示波器用于采集信息，电源用于供电，实际上还需要计算机进行采集和处理。
图5 单光子探测试验图
下图6左是进行10s，50Hz重频激光发射后得到的距离信息，图右是经过软件处理后对每个单元距离统计得到的直方图曲线。可以看出，经过直方图统计，目标距离真实信息为100.099Km，有244个点，而其它值均为噪声信息，次数都远小于244。
图6 单光子探测数据处理结果
下图7是经过单光子测量后得到的树冠和屋顶的距离信息。实际上，在测试中，因为测试距离与空间目标实际距离相比，要近很多，需要用衰减片（一种光学镜片，光经过它以后能量会衰减）将返回激光的能量降低到每次最多只能接收到1个光子（通过激光雷达方程式进行计算），以模拟远距离光传播时的真实回波信号。
图7 单光子探测获得目标距离信息（包含树冠和屋顶）
5、总结
本文通过介绍光学仪器的结构，以及单光子探测器的工作机理，获得了对单个光子，这种人眼无法感知的量子的感知波形，对极远距离空间目标光子探测的方法有了初步了解。
参考文献：
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彭启康等.nGaAs/InP APD近红外单光子探测技术的研究进展[J].科技资讯. 2017(01)
丁宇星等.基于激光二极管的光子计数激光测距技术[J].科学技术与工程. 2018(25)
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