Light Detection and Ranging (LIDAR) is a key enabling technology in our modern society, with widespread applications across multiple industries ranging from heavy industry such as manufacturing and mining to telecommunication and autonomous vehicles. LIDAR has also developed into a critical and widespread tool for scientific research, impacting a broad range of fields such as archaeology and atmospheric sensing, to name but two.At its core, LIDAR consists of three fundamental components: a source, an optical system, and a detector. The source generates the optical probe signal, the optical system directs the probe toward the target and collects the returned signal, and the detector records the reflected signal for further analysis to determine the target’s distance (and other variables such as velocity or reflectivity may be extracted depending on the LIDAR system). This dissertation primarily focuses on the source and detector, exploring different methodologies and applications of LIDAR, particularly in the context of single-photon detectors.

This thesis begins with an overview of the historical development of LIDAR and its natural progression towards incorporating single-photon-sensitive detectors to enhance performance. The operating principles of the most commonly used single-photon detectors are examined and compared, with a detailed discussion on how their performance characteristics and practical constraints influence LIDAR system functionality and design.

Following this, three fundamentally different types of light sources used for different LIDAR methods—pulsed, continuous, and chaotic—are explored. The operating principles of each method are detailed, including how distance information is encoded within each type of probe and the corresponding analysis required for its extraction. Additionally, the advantages and limitations of these LIDAR methods are discussed.

Light Detection and Ranging (LIDAR) är en kritisk teknologi i vårt moderna sammhälle med multipla applikationer inom många branscher. Alltifrån tunga industrier som tillverkning och gruvdrift till telekommunikation och autonoma fordon förlitar sig på LIDAR. Utöver detta har LIDAR utvecklats till ett kritiskt vetenskapligt verktyg som har haft stor påverkan inom bland annat arkeologi och atmosfäriska mätningar.

I grunden består LIDAR av tre grundläggande komponenter: en ljuskälla,ett optiskt system, och en detektor. Källan genererar den optiska sonderingssignalen, det optiska systemet riktar sonden mot målet och samlar in den återkommande signalen, och detektorn registrerar den återkommande signalen för vidare analys för att bestämma avståndet till målet (andra variabler så som hastighet och reflektivitet kan också utvinnas beroende på LIDAR systemet). Denna avhandling fokuserar främst på källan och detektorerna och uforskar olika metodologier och applikationer av LIDAR, i synnerhet i sammanhanget av enkel-foton detektorer.

Denna avhandling inleds med en översikt av LIDAR:s historiska utveckling och dess naturliga utveckling mot att inkludera en-foton-känsliga detektorer för att förbättra prestanda. De underliggade principerna för de mest vanliga enkel-foton detektorerna undersöks och jämförs med en detaljerad disskusionom hur deras prestanda och praktiska begränsningar påverkar LIDARsystemets funktionalitet och design.

Följande detta utforskar vi tre fundamentalt annorlunda typer av ljuskällor som används för LIDAR – pulsade, kontinuerliga, och kaotiska. Driftprincipernaför de olika LIDAR metoderna beskrivs, inklusive hur avståndsinformation är kodad i varje typ av sond samt motsvarande analys som krävs för dess extraktion. Utöver detta diskuteras även LIDAR-metodernas styrkor och begränsningar.