多波束激光雷达是目前效率最高的一种激光雷达方案，在机载/星载对地测绘和目标搜索等应用方向有重要的应用。美国NASA于2018年发射IceSatII卫星，搭载了6波束对地激光测高雷达，率先采用了单光子探测体制，解决多波束激光雷达载荷瓶颈。我国目前正在研制百波束量级的对地激光测高雷达，同样采用单光子探测体制突破载荷瓶颈。作为一项新技术，大规模波束单光子探测激光雷达还有许多技术瓶颈需要克服。

实验室基于单光子探测和精密光谱调控方面的技术积累，针对多波束单光子探测激光雷达，发展出一些列关键技术，申请发明专利4项，形成了单光子探测、多波束收发、宽视场背景噪声抑制、多通道光子计数测量分析等完整的技术链。3年前，我们研制成功了100波束单光子探测激光雷达(Opt. Express 25, 10189 (2017))，是目前波束数量最多的单光子探测激光雷达之一，并且在青海湖完成了25km外场试验，证明了单光子探测体制具有超高的探测灵敏度，是克服载荷瓶颈的独特优势。

为了在白天背景下实现大视场探测，传统的探测架构-利用焦平面探测阵列直接接收多波束回波的技术路线无法满足窄带滤光的技术限制，所以通常需要为每个波束配置独立的单光子探测器，使得大规模多波束激光雷达需要大量的单光子探测器，给载荷小型化带来巨大挑战。

最近，我们提出一种光子计数分析方法，采用激光脉冲重复频率复用，仅使用一个单光子探测器（左图），实现了16波束回波同时探测的激光成像（右图），理论上该方法能够同时探测超过1000波束的回波信号，极大地减少了单光子探测器的数量(Photon. Res. 7, 1381 (2019))。该方法采用多个不同脉冲重复频率的激光源，通过多同步时钟的多通道时间相关单光子符合计数，令非同步的激光回波信号等效成随机分布的背景噪声，有效分离各个回波的光子信号，并且通道间隔离度超过40dB，远优于探测阵列的像素间隔离度。

实验室与航天五院508所联合承担了多波束激光雷达的航天预研项目，我们发展的多波束单光子探测激光雷达技术链可以为航天激光测绘提供先进技术支撑。

图1. 重频复用的16波束单光子探测激光雷达原理及实验结果

来源：华东师范大学