光子计数激光雷达又被称为单光子激光雷达,是一种具有高灵敏度、高时间分辨率的激光雷达。它采用能探测低至单个光子量级弱回波信号的光电探测器—单光子探测器作为光电转换器件,再配合高精度的时间相关单光子计时技术(Time correlated single photon counting,TCSPC)可以完成弱信号的高精度探测,适用于远距离、低反射率目标等回波强度受限的场景。目前光子计数激光雷达系统已经得到了广泛的研究和应用。在探测距离方面,光子计数激光雷达已经能完成几十公里到几百公里的目标成像任务;在缩短成像时间方面,研究人员提出了多波束、阵列式和频率互用等体制的光子计数激光雷达;在提高成像质量方面,基于图像空间相关性、噪声信号统计特性差异等的重建算法得到了广泛的关注。然而,目前针对水下目标探测的光子计数激光雷达却研究较少。相对于传统的激光雷达,将光子计数激光雷达应用到水下目标探测拥有多种优势。首先,由于水对光的衰减作用很强,传统的激光雷达在水下的探测距离受到极大限制,使用光子计数激光雷达有利于提升水下探测距离;其次,水下成像的某些任务场景如水下线缆或管道成像等需要重建出较高精度的三维图像作为检修的依据,光子计数激光雷达的时间分辨率极高有利于提升三维图像的质量。但是,将光子计数激光雷达应用到水下目标探测会遇到一系列新的问题。水对光有较强的后向散射,该后向散射对于系统而言是强噪声光,并且该噪声光和传统的背景噪声光不相同,传统的背景噪声光一般认为是恒定的而后向散射噪声是随着距离和出射光强度发生变化的。水下目标的探测就是要在后向散射噪声的干扰中重建出目标距离信息。为了扩展光子计数激光雷达的应用范围,使其适用于水下应用环境,对光子计数激光雷达水下目标探测的一些关键技术进行了研究。主要包括光在水下的传输特性研究、光子计数激光雷达水下目标探测概率模型的建立、水下高噪声环境下的成像方法、水下光子计数成像距离游走误差的校正和低累加时间成像方法。这些研究的创新点为:1)提出了光子计数激光雷达水下目标探测概率模型。用体散射函数(Volume Scatter Function,VSF)来定量的描述后向散射的强度分布并根据光学几何约束和泊松探测模型推导了目标探测概率的表达式。使用该表达式分析得出,不同于陆地激光雷达,水下光子计数激光雷达提高出射光能量并不一定能提升目标探测概率,出射光能量的提升会导致后向散射变强即噪声变大。类似地,近距离目标由于更强的后向噪声也不一定比远距离目标的探测概率更高,要想得到高的目标探测概率需要综合考虑后向散射噪声和回波信号的强度。2)提出了针对水下高后向散射噪声的成像方法,即首信号光子组方法。该方法能高效的从混有噪声的计数中识别出信号计数。首信号光子组成像方法不同于传统的固定时间成像方法,该方法对每个像素的探测时间都是不同的,表现为高反射率回波强的像素点探测时间短而低反射率回波弱的像素点探测时间长,优化了整个成像探测过程使成像时间能由场景内的回波情况进行自适应的分配。通过仿真和实验验证了该方法的可行性,和峰值法、互相关法、解混合法和首光子法对比表明该方法在高噪声情况下能更好的完成对距离图像的重建。3)提出了水下距离游走误差的校正方法。针对光子计数激光雷达由于死时间的存在造成的距离游走误差问题,提出了基于先验模型的水下目标光子计数激光雷达校正方法。先由光子计数激光雷达探测模型推导出了距离游走误差和回波光子强度关系的先验关系,而后提出基于聚类方法的噪声信号分离算法,使用分离后的噪声和信号计数来估计回波光子数目,该数目结合先验模型可以得到需要校正的距离游走误差量。本方法是首次报道的针对水下环境距离游走误差的校正方法。4)提出了低累加时间光子计数成像方法。针对水下低累加时间成像的需求,提出了低累加时间成像方法。在硬件上改变了传统的单SPAD结构而改用双SPAD探测器同时进行探测。在算法上针对低累加时间信号计数缺失和噪声淹没信号等问题设计了基于图像空间相关性的重建算法。室内实验表明了该低累加时间成像方法能极大的缩减成像时间,水下实验也表明了该方法有助于提升成像的效率。特别地,本研究设计、制造和装配了光子计数激光雷达样机系统并使用该系统对上述水下目标探测的关键技术展开了研究,水下实验验证了所提出方法的可行性,也验证了光子计数激光雷达应用于水下目标探测的可行性,有利于扩展了光子计数激光雷达的应用范围和推动水下光子计数激光雷达的发展,为后续的水下光子计数激光雷达技术的研究提供了基础。