中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、徐飛虎等實(shí)現(xiàn)超過200公里的遠(yuǎn)距離單光子三維成像，首次將成像距離從十公里突破到百公里量級(jí)，為遠(yuǎn)距離目標(biāo)識(shí)別、對(duì)地觀測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新道路。該成果于近期發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)知名期刊《Optica》上[Optica 8,344-349, 2021]。

如何“看得更遠(yuǎn)、看得更清”是人類對(duì)視覺感知的不懈追求。近年來發(fā)展的激光雷達(dá)成像技術(shù)能夠?qū)δ繕?biāo)場(chǎng)景進(jìn)行高精度三維成像。單光子成像雷達(dá)作為一種具有單光子級(jí)探測(cè)靈敏度和皮秒級(jí)時(shí)間分辨率的新興激光雷達(dá)成像技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光學(xué)成像的理想方案。然而，如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離單光子成像雷達(dá)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著成像距離的拓展，從目標(biāo)返回的信號(hào)光子急劇減少；大氣擾動(dòng)和散射、太陽背景、單光子探測(cè)器的暗電流等方面會(huì)帶來大量的背景噪聲；簡(jiǎn)單的提高激光功率無法解決遠(yuǎn)距離條件下信噪比極低的問題；因此，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離成像雷達(dá)面臨著巨大挑戰(zhàn)。

潘建偉、徐飛虎研究組經(jīng)過長(zhǎng)期的成像算法和光學(xué)技術(shù)攻關(guān)，發(fā)展了單像素單光子成像算法、近紅外波段高效率單光子收集和探測(cè)、近衍射極限收發(fā)一體光學(xué)控制等核心技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)于2019年在城市環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了距離達(dá)45公里的單光子三維成像[Photonics Research 8, 1532(2020)]，突破了由英國(guó)哈利瓦特大學(xué)保持的最遠(yuǎn)距離紀(jì)錄（10公里）。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)一步技術(shù)突破，將成像距離拓展到201.5公里，成像靈敏度達(dá)到平均每個(gè)像素0.4個(gè)信號(hào)光子[Optica 8,344, 2021]。為了實(shí)現(xiàn)百公里單光子成像，研究團(tuán)隊(duì)搭建了全新的單光子雷達(dá)系統(tǒng)（圖1），并發(fā)展了針對(duì)遠(yuǎn)距離成像的多項(xiàng)新技術(shù)，包括原創(chuàng)的時(shí)間濾波抑制噪聲技術(shù)（提高信噪比達(dá)50倍），自主研制的小型化高效率、低噪聲銦鎵砷紅外單光子探測(cè)器（探測(cè)效率19.3%， 暗計(jì)數(shù)0.1kHz），對(duì)整套光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)鍍膜（系統(tǒng)透過率提高2倍）等�；�于此單光子雷達(dá)系統(tǒng)，研究人員于2020年1月在新疆的高山上對(duì)百公里外的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行三維成像（圖2），并測(cè)試了單光子計(jì)算成像算法；結(jié)果顯示該系統(tǒng)可以在200公里范圍內(nèi)進(jìn)行精確的三維成像，成像靈敏度達(dá)到單像素單光子。

圖1.單光子成像實(shí)驗(yàn)裝置圖：(a)201.5 km外目標(biāo)的可見光相機(jī)圖，(b)光學(xué)系統(tǒng)示意圖，(c)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物，(d)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地圖。

圖2.201.5 km成像結(jié)果（a）可見光相機(jī)圖，（b）算法重構(gòu)結(jié)果圖，（c）重構(gòu)結(jié)果立體視圖。

該研究工作對(duì)于面向低功耗、高分辨率等實(shí)用化需求的遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)研究具有重要應(yīng)用價(jià)值。審稿人對(duì)該工作給予高度評(píng)價(jià)，稱贊“在遠(yuǎn)距離成像上的成就令人印象深刻”（the achievement of long-range imaging is impressive）、“在遠(yuǎn)距離單光子成像中的一次壯舉”（an almost “heroic” attempt at single photon lidar imaging at very long distances）。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生黎正平、葉俊天和黃鑫是本論文的共同第一作者。該工作得到科技部、基金委、中科院、安徽省和上海市等部門的資助和支持。

論文鏈接：https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-8-3-344&id=449006