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摘要

光子计数激光雷达（Photon-counting LiDAR）凭借单光子级探测灵敏度和皮秒级时间分辨率，正在重新定义远距离三维成像的边界。然而，其物理本质决定了一个根本性矛盾：探测灵敏度越高，对噪声的 susceptibility 也越强。传统技术路线试图在空间分辨率、时间分辨率和去噪能力之间做取舍，但任何单项优化都难以突破信噪比的天花板。本文提出“空间-时间-去噪三合一”的终局方案——并非三种技术的简单叠加，而是在数据本源层面将三维空间坐标、光子飞行时间与噪声统计特性进行联合编码与协同处理，使三者从相互制约转为相互增益。本文系统梳理了这一新路径的技术演进、核心方法、关键突破与未来趋势。

关键词：光子计数LiDAR；时空联合去噪；单光子雪崩二极管；时间相关单光子计数；三维成像

一、引言：光子计数LiDAR的基本矛盾

光子计数LiDAR的核心器件——单光子雪崩二极管（SPAD）或超导纳米线单光子探测器（SNSPD）——能够检测单个光子级别的回波信号。配合时间相关单光子计数（TCSPC）技术，系统可通过统计大量激光脉冲的返回时间，重建目标的三维轮廓。这一技术路线在低光照、远距离场景中展现出传统线性探测LiDAR无法企及的优势。

然而，高灵敏度是一把双刃剑。在远距离探测中，系统接收的噪声光子量往往远大于信号光子量。强环境光、探测器暗计数、后脉冲效应等噪声源与信号光子一同被记录。传统解决方案依赖长时间积分——通过累积大量脉冲生成统计直方图来压制噪声——但这直接牺牲了成像速度。

由此衍生出一个经典的三难困境：空间分辨率（像素越细，每像素信号越稀疏）、时间分辨率