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激光雷达的波束窄，测量精度高，定向性好，但传统的激光雷达采用线性探测，不能高效利用回波信号中的能量，并且受限于激光发射功率和探测器增益因而灵敏度不高、易受到噪声干扰，因此限制了探测距离等。论文网

光子计数激光雷达普遍采用高重复频率、低脉冲能量的激光器作为探测光源和工作在盖革模式（Geiger-mode）下的雪崩光电二极管作为关键接受元件，通过对单个光子的计数替代了常规激光雷达对波形的检测，这样回波光子的能量就被充分利用，并且减小了接受望远镜口径，降低了激光器内部损坏的风险，增强长期可靠性，减轻了重量，降低了功耗[2]。光子计数激光雷达提高了激光雷达探测的距离和精度，越来越显示出它的优势，近些年成为许多学者的研究热点。但在实际测距应用中，由于信号噪声的关系到激光雷达在跟踪定位等方面的精准性，特别是在远距离激光雷达应用中，回波信号相当弱，噪声有时会把信号淹没，这些问题说明光子计数激光雷达仍存在改进之处，我们需要投入更多的精力进行研究，为相应的领域提供更加成熟的技术支持。

1。2  国内外研究进展

1。1。1  国外研究进展

2002年，林肯实验室[3]研制出4×4阵列雪崩光电二极管，在盖革模式或者光子计数模式下工作。阵列中的16个 APD像素中的每一个配合到定制外部定时电路。视场（FOV）中的整个4×4的APD阵列的场扫描与多达128×128个象素，以产生更大的图像。

2002年， M。 A。 Albota[4]等开发出一种三维成像激光雷达，具有3cm的距离分辨率和单光子探测灵敏度。这种激光雷达原型机将全固态技术应用于激光光源和探测器阵列当中。此外，该激光雷达的电光探测器采用的是MIT林肯实验室研制的4×4阵列雪崩光电二极管。并预测了激光雷达在三维成像领域中的应用潜力。

2003年，D。G。Fouche[5]研究了采用单脉冲直接检测盖革模式APD激光雷达的探测概率，虚警概率，由此理论研究了盖革模式APD激光雷达的探测性能，其中，对于固定速率的噪声，可以通过降低t来提高检测和虚警概率；此外，当背景光噪声显著且支配暗电流噪声时，或者当激光信号是十光电子或更多的量级，可以通过减少光落在检测器上的量改善探测概率。

2005年，M。 Henriksson [6]等研究了将光子计数雪崩光电二极管的检测概率应用于雷达系统，通过比较得出了在低噪声水平时，盖革模式的APD和比例模式光子计数APD性能相似，但是在更高的噪声水平情况下，正比模式检测器性能更好但同时产生更多鬼点。

2009年，P。Gatt[7]等对盖革模式雪崩光电二极管激光雷达接收器的性能特点和检测统计进行研究，得出了适用于任意死区时间和任意多样性激光散斑影响的盖革模式雪崩光电二极管的性能指标理论表达式。

1。2。2  国内研究进展

1。3  本文主要研究问题

在光子计数激光雷达测距中，信号噪声关系到激光雷达在跟踪，定位等方面的精准性，尤其是在距离较远的激光雷达应用中，回波信号强度受到平方反比定律的制约强度可能相当弱，强噪声有时会把信号淹没。所以本文的主要任务是建立理论模型，计算不同背景光噪声对光子计数激光雷达工作过程的影响，进行定性定量分析，涉及测距准确度、精密度、探测率、累计次数等等方面。提出减小噪声对探测率，虚警率和信噪比影响的方法，进一步提高光子计数激光雷达的测距性能。

2  光子计数激光雷达的工作原理