基于SPAD单光子相机的LiDAR技术革新

单光子光探测和测距（激光雷达）是在复杂环境中进行深度成像的关键技术。尽管最近取得了进展，一个开放的挑战是能够隔离激光雷达信号从其他假源，包括背景光和干扰信号。

本文介绍了一种基于量子纠缠光子对的LiDAR（光探测与测距）技术，该技术通过利用时空纠缠光子对及SAPD单光子相机的特性，显著提高了在复杂环境中的探测精度和抗干扰能力。该技术使用SPAD单光子相机作为探测端，并通过内置的时间相关单光子步进偏移计数技术来提高测量时间精度。光源使用了一个基于β-钡硼酸盐（BBO）晶体的非线性光学晶体来产生纠缠光子对。

通过精确控制光子对的发射和接收，以及利用SPAD单光子相机高速、高灵敏的特性，最终能够精确捕获从目标反射回来的光子。

该系统使用两种技术来提高测量的准确性和抗干扰能力：

1. 时间相关单光子步进偏移计数：通过记录每个单独光子的时间戳，能够以皮秒级的时间分辨率捕捉光子。这种高分辨率计时信息对于确定光子从目标反射回来的准确时间至关重要。使用SPAD单光子相机，这种相机具有单光子灵敏度和皮秒级的步进偏移时间分辨率。实验利用了时间门控技术，通过精细地移动时间窗口来捕捉光子，这有助于高精度地确定光子的飞行时间。具体到每个光子的时间戳记录，使用时间相关的单光子步进偏移计数技术，记录每个探测到的光子的到达时间，从而实现高精度的深度信息获取。

2. 时空反相关技术：通过利用纠缠光子对的时空反相关性，即使在干扰信号的存在下，也能区分目标光信号与其他光源。例如，实验中使用SPAD单光子相机设置特定的门控窗口，只有当纠缠光子对同时到达相机时，才会记录事件，从而有效过滤掉非目标光源的信号。

在该量子LiDAR系统的实验测试中，研究团队展示出了其在处理同步和异步的干扰信号方面的显著性能。系统通过使用时间门控和空间反相关技术，成功地从其他光源干扰中分离出目标光信号。实验结果显示，该系统能够在复杂的干扰环境下准确地成像和测距，即使在有意的欺骗攻击和背景LiDAR系统的干扰下也能保持高精度和高信噪比。

并且还通过更具体的测试场景如模拟多个LiDAR系统并行工作和环境光干扰，来验证量子LiDAR系统证明了其在实际应用中的可行性和优越性。实验和分析结果如下图所示：

这些实验不仅验证了量子LiDAR在技术上的前瞻性，也为未来其它应用领域提供了重要的参考价值。量子LiDAR技术通过利用量子纠缠光子对的独特性质，显著提升了LiDAR系统在复杂环境中的性能。特别是在高干扰的环境中，如多LiDAR系统操作或强烈背景光的情况下提高对目标物甄别的能力。

该实验中所应用的SPAD单光子相机为SwissSPAD2，其为瑞士Piimaging公司目前所产SPAD512²的前身，阵列像素为512×512，无读出暗噪声，帧率最高为100000帧/S，步进偏移精度为17ps。

未来，这种技术有望在自动驾驶、机器人技术以及民用遥感领域中发挥重要作用。