激光雷达是一种主动遥感技术,利用激光照亮目标,并探测激光回波信号,从而获得目标的距离等信息。由于激光雷达具有高精度、小型化、低功耗等优势,在地形地貌测量、植被探测、大气物理研究等领域发挥着重要作用。突破激光雷达的工作距离限制,以及提高系统探测速率,是当前该方向的两个研究重点。单光子探测技术结合时间相关单光子计数技术(TCSPC)能够将回波信号探测灵敏度提高至量子极限,大幅提升了激光雷达的工作距离和性能。另一方面,多光束体制能够实现大幅宽快速扫描探测,是提高激光雷达探测速率的重要方法。本文结合以上两种技术,发展出多光束光子计数激光成像雷达,实现了远距离快速激光扫描成像。本论文围绕光子计数激光测距和成像开展关键技术研究:1)大规模高性能多通道单光子探测器;2)多光束产生和接收技术;3)多通道高精度飞行时间测量技术。其中,基于盖革模式硅雪崩光电二极管(Si APD),发展基于FPGA的多通道主动抑制技术和多通道光纤耦合技术,实现100通道单光子探测器。该探测器体积小、功耗低,平均探测效率大于30%@532nm,暗计数小于3kcps,是当前规模最多的分立器件组成的多通道单光子探测系统之一;基于衍射光学元件(DOE)和光纤阵列,实现了 100光束激光产生与接收,解决了大规模多光束高精度收发匹配装调难题,各通道耦合一致性达到90%,光纤通道间串扰小于1%;基于FPGA板卡,实现了 100通道高精度时间数字转换测量(TDC),时间分辨率达到64ps,并且利用FPGA并行运算优势,实现了板上TCSPC,最后将100通道光子飞行时间数据通过USB接口上传至计算机,实现100光束激光扫描成像,实验中,最大三维成像距离超过2.5km,精度达到26mm,而平均到达探测器的回波光信号仅为0.0065/脉冲。另外,针对单光子探测器在激光三维成像和测距的实际应用中受到背景光干扰和测量模糊距离等问题,本文开展了啁啾脉冲调制激光测距技术和日盲紫外激光成像技术的研究。其中,基于正弦门低通滤波探测技术,实现InGaAs/InPAPD,1.5GHz高速单光子探测器,将死时间降低至6.4ns,从而实现200MHz调制带宽的啁啾脉冲调制激光测距,解决了"距离模糊"问题;基于Si APD单光子探测器和266nm脉冲激光,利用地表日盲紫外波段太阳光辐射几乎为零的条件,克服了背景光干扰,实现了日光下百米量程、厘米级精度的日盲紫外激光三维成像。本论文的主要研究内容和创新点如下:1.基于FPGA实现了 100通道Si APD单光子探测器,结合多光束收发装置和基于TCSPC技术的多通道数据采集系统,完成了 100光束光子计数激光成像系统的搭建和测试。1)通过改进APD的制冷和光纤耦合工艺,采用光纤耦合的APD阵列,结合FPGA逻辑处理电路,实现了 100通道单光子探测器的研制。探测器包括雪崩信号提取模块、主动抑制模块、电源模块和温控模块。100通道单光子探测器在532nm的平均探测效率为36.8%,暗噪声计数小于3 × 103cps,时间抖动约为800ps,并且各个探测通道之间不存在信号串扰。2)在激光发射端,利用DOE对激光器出射的激光信号进行分束,产生100光束的一维光束阵列。在回波接收端,接收镜接收到的回波光信号,直接耦合进入1×100的光纤阵列中,实现了激光信号的高精度收发。3)基于100通道Si APD单光子探测器,并结合100通道TCSPC数据采集模块以及二维扫描平台,完成了 100光束光子计数激光成像。系统单次可以采集较大幅宽,通过扫描的方法,可以快速获得目标表面距离信息的密集点云,提高了成像系统的工作效率。最终,实现了公里级探测量程,厘米级距离测量精度的激光三维成像。2.发展正弦门低通滤波InGaAs/InPAPD单光子探测技术,实现了 1.5GHz门控高速单光子探测器,并将其应用于啁啾脉冲调制激光测距系统中。1)正弦门低通滤波方案,通过高速正弦门来实现对APD雪崩状态的快速抑制和恢复,并根据门信号引起的尖峰噪声信号和雪崩信号在频域上的差异,借助于合适的低通滤波器,即可从尖峰噪声信号中提取出有效的雪崩信号。基于该方案,我们实现了 1.5GHz正弦门控的InGaAs/InPAPD的单光子探测器,其有效探测门宽约为200Ps,死时间约为6.4ns,可以完成"准连续"工作的高速单光子探测。2)啁啾脉冲调制激光测距系统中,啁啾脉冲调制信号的调制带宽决定了系统的测距精度。通过减小单光子探测器的死时间的方法可以提高调制带宽,进而改善系统的测距精度。基于1.5GHz正弦门控的InGaAs/InPAPD的单光子探测器,啁啾脉冲调制信号的调制带宽可以达到200MHz以上,同时保持30dB的频谱信噪比,系统的测距精度优于0.12m。3.完成了实用小型化Si APD单光子探测器研制,并将其应用于266nm激光成像,结合时间相关单光子计数器(TCSPC),实现了日光下的日盲紫外激光成像。单光子探测器在266nm波段的探测效率约为3%。由于大气层的强烈吸收作用,在地面上几乎不存在日盲紫外波段的太阳辐射,系统可以在日光下正常工作,实现了全天时的激光三维成像。