单光子激光雷达从一公里外看穿烟雾和伪装

研究人员设计了一种单光子飞行时间激光雷达系统，能够获取距离达1公里远的物体或场景的高分辨率三维图像。这一新系统能够在具有挑战性的环境条件下，或当物体被树叶或伪装网遮蔽时，实现详细成像，从而有助于增强安全、监控和遥感能力。 5M/%%Ox
来自英国赫瑞瓦特大学的研究团队成员Aongus McCarthy表示：“我们的系统使用的单光子探测器的效率大约是其他研究小组报告的类似激光雷达系统中部署的探测器的两倍，并且系统时间分辨率至少提高了10倍。这些改进使成像系统能够从目标收集更多散射光子，并实现更高的空间分辨率。” g^Ugl=f,
在《Optica》杂志上，来自英国和美国的多机构研究小组展示了新系统能够构建出325米外清晰可辨的人脸三维图像。 w-{#6/<kI5

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研究人员使用新的成像系统从32米外对乐高角色进行成像。

研究人员来自赫瑞瓦特大学的Gerald Buller小组、格拉斯哥大学的Robert Hadfield小组、NASA喷气推进实验室的Matthew Shaw小组以及麻省理工学院的Karl Berggren小组。
新论文的第一作者McCarthy说：“这种测量系统可以改进安全和监控系统，例如，通过烟雾或雾霾以及杂乱场景获取详细的深度图像。它还可以在各种环境中远程识别物体，并监测建筑物或岩壁的移动，以评估沉降或其他潜在危险。”
基于光的测距
单光子飞行时间深度成像系统利用激光脉冲从系统到物体上某一点再返回所需的时间来计算物体的距离。然后对物体上的各个点重复这些飞行时间测量，以获取三维信息。
新系统使用了一种由麻省理工学院和喷气推进实验室研究小组开发的超灵敏探测器，称为超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。SNSPD能够检测单个光子，这意味着可以使用非常低功率的激光，包括对人眼安全的激光，在极短的时间内进行长距离测量。
为了降低噪声水平，探测器被冷却到仅低于1开尔文的温度，使用由格拉斯哥大学小组设计和建造的紧凑型低温冷却系统。
研究人员将冷却的SNSPD与赫瑞瓦特大学McCarthy设计的新型定制单像素扫描收发器结合，该收发器工作在1550纳米波长。他们还添加了先进的定时设备，以测量极精确的时间间隔——精确到万亿分之一秒（皮秒）。
为了直观理解，光在1000皮秒内可以传播约300毫米（约1英尺）。这种精度使得从325米远处区分深度相差约1毫米的表面成为可能。
McCarthy说：“这些因素都在距离、激光功率水平、数据采集时间和深度分辨率之间的权衡中提供了更大的灵活性。此外，由于SNSPD探测器可以在1550纳米以上的波长工作，这一设计为开发中红外单光子激光雷达系统打开了大门，这可以进一步增强通过雾、烟雾和其他遮蔽物的成像能力。”

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研究人员设计了一种单光子飞行时间激光雷达系统，能够生成远处物体和人脸的高分辨率三维图像。上图显示了在白天从45米外成像的3D打印柱子。下图描绘了325米外一个可识别的人脸。

3D测量远处的物体
研究人员在赫瑞瓦特大学校园内对其激光雷达系统进行了现场测试，测量了45米、325米和1公里外的物体。
为了评估空间和深度分辨率，他们扫描了一个定制的3D打印目标，该目标具有不同大小和高度的柱子。系统在白天45米和325米处解析了小至1毫米的特征——深度分辨率比他们之前实现的提高了约10倍。他们还使用每像素1毫秒的采集时间、对人眼安全的3.5毫瓦激光和最少的数据处理，在这些距离上捕获了人脸的三维图像。
McCarthy说：“系统的出色深度分辨率意味着它特别适合对杂乱物体（如树叶或伪装网）后面的物体进行成像，这对于数码相机来说是困难的。例如，它可以区分位于伪装网后面几厘米的物体，而分辨率较差的系统则无法识别该物体。”
虽然激光雷达系统的现场试验范围限制在1公里内，但研究人员计划在10公里的距离上测试该系统，并探索通过烟雾和雾霾等大气遮蔽物进行成像。
未来的工作还将集中在使用先进的计算方法加速数据分析，并实现对更远场景的成像。
相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.544877

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