单光子计数成像技术在暗弱目标探测、激光遥感、自动驾驶等领域均展现出了极大的应用潜力。为了探究如何利用该技术得到更多维度的目标信息，提出并验证了一种获取目标姿态的方法。将目标处于不同姿态时的单光子计数三维成像图（深度图）建成数据库，作为先验信息，通过求取库中图像与目标实际的单光子计数成像深度图（姿态未知）的相关系数，选取相关性最强的库中姿态作为目标实际姿态。采用单光子阵列探测器搭建实验系统，激光发散照明目标，以20°为单位构建数据库中的-60°至40°的目标深度图。结合库中数据与姿态分别处于-45°和25°时的目标深度图，利用所提方法估计目标姿态并验证其准确性。在该两种姿态下，分别做出光子计数为10，50，100时的深度图，以探究目标实际姿态与库中对应姿态的相似度和光子计数间的关系。以15°和20°为单位对目标进行多轴旋转，以探究目标进行多轴姿态变化时所提方法的可行性。改变背景噪声，在信号光子与背景光子数比值（SBR）分别为8.13，4.83，3.21，0.72的条件下对目标进行三维成像，探究背景噪声对估计成功率的影响。以木头人玩具为目标，以30°为单位建立数据库，对处于-20°和20°的木头人玩具进行成像并验证所提方法对复杂目标姿态估计的可行性。实验结果表明：所提方法可成功对目标实际姿态进行估计。目标实际姿态与库中对应姿态的相关性和光子计数成正相关，高SBR有利于准确估计目标姿态。

提出一种基于单光子阵列相机的激光测速方法，该方法可以在单光子量级的回波强度下，同时实现对目标横向速度和径向速度的测量。搭建了一套室内阵列测速激光雷达系统，验证了阵列时间相关单光子计数技术对运动目标进行横向和径向测速的可行性。通过信号预处理方法从空间和时间两个维度滤除背景噪声，利用质心检测和峰值检测确定目标的时变三维空间坐标，利用最小二乘法进行数据的线性拟合获得目标的横向和径向速度值。结果表明，帧积累数与最佳的测速性能有关。该方法可以在微弱的光照环境下实现对远距离运动目标的速度测量，未来还有望实现目标速度图像的获取，为远距离复杂运动目标的识别提供技术支撑。

采用时间相关单光子计数技术的激光雷达具有更高的灵敏度，而利用偏振探测技术可以增加对目标的识别能力。搭建了基于偏振检测的时间相关单光子计数成像系统，对不同材质、相同和不同深度的目标进行了成像。结果表明，在单脉冲回波光子数0.04个的情况下，能够利用偏振探测方法获得目标回波的偏振信息，且对比强度图像和深度图像，偏振图像中目标的边缘更加清晰。

单光子激光雷达是一种基于微弱光探测的新型激光雷达技术，可实现单个光子探测与计数，目前已达到了理论的探测极限。单光子激光雷达技术与弱光探测、超远距探测、人工智能等技术领域紧密结合并共同发展，产生了诸多研究成果。不同于传统激光雷达，单光子激光雷达通过对回波光子信号进行时间累积恢复出回波信号的离散波形，获取目标距离与反射率信息。回顾了单光子激光雷达系统和相关算法的发展历史，重点介绍了典型的单光子激光雷达系统与图像重建算法，讨论了单光子激光雷达在远距离探测和无人驾驶领域的技术应用和发展现状，并对其未来发展前景进行了展望。

为了论证单光子成像技术天基应用可行性，分析了光学系统后向散射影响消除、单光子雪崩光电探测噪声抑制、自由运行模式等关键问题。基于偏振滤波理论、泊松统计滤波理论，选取重尾型脉冲激光函数，采用蒙特卡罗仿真方法，构建了星载单光子计数成像系统仿真模型，并仿真了不同轨道高度、不同重复次数和门控时间间隔条件下的光子计数结果。结果表明，脉冲激光回波光子计数波形与发射波形相近，仿真情况与实际相符，单光子成像距离存在阈值，当重复次数低于开门次数时，存在漏检现象。根据本研究的参数设置，在500 km的轨道高度上，当重复次数为2000、开门次数为2000时，激光测距精度可达0.09 m。所提相关方法可以为星载单光子计数成像系统指标分配和在轨参数调整提供技术支撑。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)是生物体内重要的辅酶分子, 在细胞能量代谢中发挥着关键作用。 金属离子可以影响NADH所参与的酶促反应, 其中铝离子（Al3+）对神经系统具有毒性, 可以引发神经退行性疾病。 因此, Al3+和NADH分子间相互作用的研究有助于了解Al3+对生物体内TCA循环和酶促反应的影响, 具有重要的生物学意义。 本文采用紫外-可见吸收和稳态荧光光谱, 结合时间相关单光子计数技术(TCSPC), 研究了Al3+对水溶液中NADH的本征荧光光谱和分子构象变化的影响。 紫外-可见吸收光谱显示, NADH与Al3+的结合不会改变NADH分子腺嘌呤和烟酰胺两个本征发色团的吸收特性。 为避免NADH分子内两个本征发色团之间的荧光共振能量转移效应的影响, 采用340 nm作为激发波长, 比较了NADH与Al3+作用前后的荧光特性。 实验结果证实, Al3+可以与NADH焦磷酸盐桥上的两个氧原子相结合, 使NADH分子的结构变得相对更加刚性, 从而抑制NADH分子在溶液中的转动等非辐射过程, 导致NADH分子平均荧光寿命增加, 最终引起NADH分子荧光强度随Al3+浓度的增加而线性增强。 进一步, 采用NADH本征荧光寿命振幅比的研究方法表征了NADH分子在溶液中的两种主要构象形式: 腺嘌呤和烟酰胺相互堆积的折叠构象以及腺嘌呤和烟酰胺相互分离的展开构象。 研究发现, Al3+会打破溶液中NADH分子展开构象和折叠构象的平衡状态, 促使辅酶NADH分子的展开构象转变为折叠构象, 最终达到新的动态平衡, 并且当NADH和Al3+以不大于1∶2的浓度比结合时, NADH分子两种构象的振幅比与铝离子浓度的对数间存在线性关系, 在Al3+浓度检测等领域具有良好的应用前景。

发展适用于低光子数应用环境的荧光寿命分析方法对快速荧光寿命显微成像(FLIM)方法的发展和应用都具有重要意义。受高密度单分子定位显微成像中压缩感知算法的启发,将荧光寿命分析看成一个稀疏逆问题,提出了一种基于交替下降条件梯度(ADCG)的荧光寿命分析新方法,并通过对模拟数据和实验数据进行分析,验证了ADCG-FLIM算法即使在低光子数情形下依然能够较好地分析荧光寿命,从而有利于活细胞快速FLIM技术的发展和应用。

通过时间相关单光子计数法检测含有杂质的植物油中的荧光光子的寿命, 通过其荧光寿命与纯净植物油的荧光寿命对比, 以此为依据可以鉴别出植物油中是否掺入其他油。此方法的优点在于利用荧光寿命检测方法不受光源波动、老化以及外界杂散光的影响, 而且只要植物油中掺入了其他有杂质的油就能被检测出来, 与掺入的油的浓度无关。因此荧光寿命测量对检测植物油的纯度表现出更好的检测精度及稳定性。实验结果也证明了荧光寿命法检测地沟油的方案具有可行性, 且样品处理步骤简单, 用于检测的用量少, 检测结果准确可靠。

在使用时间关联单光子计数的量子保密通信、量子密码术等量子光学领域中，雪崩光电二极管(APD)拥有广泛的应用。然而在其工作过程中，吸收层接收到光子形成载流子，载流子个数在倍增层进行指数型增益，每个载流子通过P-N 结结点均有一定概率发出光子，发出的光子在一定条件下会串扰进入另一个雪崩二极管。在盖革模式下进行单光子探测时，这种串扰光子会严重影响时间关联单光子计数的实验结果。研究了APD 雪崩原理，实验中做出了串扰峰对比度比较高的现象，分析了影响串扰峰间距和形状的因素，提出通过光隔离规避串扰现象，并通过实验验证了这种避免串扰方法的可行性。