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單光子激光雷達從一公里外看穿煙霧和偽裝 研究人員設計了一種單光子飛行時間激光雷達系統(tǒng)，能夠獲取距離達1公里遠的物體或場景的高分辨率三維圖像。這一新系統(tǒng)能夠在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下，或當物體被樹葉或偽裝網(wǎng)遮蔽時，實現(xiàn)詳細成像，從而有助于增強安全、監(jiān)控和遙感能力。 來自英國赫瑞瓦特大學的研究團隊成員Aongus McCarthy表示：“我們的系統(tǒng)使用的單光子探測器的效率大約是其他研究小組報告的類似激光雷達系統(tǒng)中部署的探測器的兩倍，并且系統(tǒng)時間分辨率至少提高了10倍。這些改進使成像系統(tǒng)能夠從目標收集更多散射光子，并實現(xiàn)更高的空間分辨率�！� 在《Optica》雜志上，來自英國和美國的多機構(gòu)研究小組展示了新系統(tǒng)能夠構(gòu)建出325米外清晰可辨的人臉三維圖像。  研究人員使用新的成像系統(tǒng)從32米外對樂高角色進行成像。 研究人員來自赫瑞瓦特大學的Gerald Buller小組、格拉斯哥大學的Robert Hadfield小組、NASA噴氣推進實驗室的Matthew Shaw小組以及麻省理工學院的Karl Berggren小組。 新論文的第一作者McCarthy說：“這種測量系統(tǒng)可以改進安全和監(jiān)控系統(tǒng)，例如，通過煙霧或霧霾以及雜亂場景獲取詳細的深度圖像。它還可以在各種環(huán)境中遠程識別物體，并監(jiān)測建筑物或巖壁的移動，以評估沉降或其他潛在危險�！� 基于光的測距 單光子飛行時間深度成像系統(tǒng)利用激光脈沖從系統(tǒng)到物體上某一點再返回所需的時間來計算物體的距離。然后對物體上的各個點重復這些飛行時間測量，以獲取三維信息。 新系統(tǒng)使用了一種由麻省理工學院和噴氣推進實驗室研究小組開發(fā)的超靈敏探測器，稱為超導納米線單光子探測器（SNSPD）。SNSPD能夠檢測單個光子，這意味著可以使用非常低功率的激光，包括對人眼安全的激光，在極短的時間內(nèi)進行長距離測量。 為了降低噪聲水平，探測器被冷卻到僅低于1開爾文的溫度，使用由格拉斯哥大學小組設計和建造的緊湊型低溫冷卻系統(tǒng)。 研究人員將冷卻的SNSPD與赫瑞瓦特大學McCarthy設計的新型定制單像素掃描收發(fā)器結(jié)合，該收發(fā)器工作在1550納米波長。他們還添加了先進的定時設備，以測量極精確的時間間隔——精確到萬億分之一秒（皮秒）。 為了直觀理解，光在1000皮秒內(nèi)可以傳播約300毫米（約1英尺）。這種精度使得從325米遠處區(qū)分深度相差約1毫米的表面成為可能。 McCarthy說：“這些因素都在距離、激光功率水平、數(shù)據(jù)采集時間和深度分辨率之間的權(quán)衡中提供了更大的靈活性。此外，由于SNSPD探測器可以在1550納米以上的波長工作，這一設計為開發(fā)中紅外單光子激光雷達系統(tǒng)打開了大門，這可以進一步增強通過霧、煙霧和其他遮蔽物的成像能力�！�  研究人員設計了一種單光子飛行時間激光雷達系統(tǒng)，能夠生成遠處物體和人臉的高分辨率三維圖像。上圖顯示了在白天從45米外成像的3D打印柱子。下圖描繪了325米外一個可識別的人臉。 3D測量遠處的物體 研究人員在赫瑞瓦特大學校園內(nèi)對其激光雷達系統(tǒng)進行了現(xiàn)場測試，測量了45米、325米和1公里外的物體。 為了評估空間和深度分辨率，他們掃描了一個定制的3D打印目標，該目標具有不同大小和高度的柱子。系統(tǒng)在白天45米和325米處解析了小至1毫米的特征——深度分辨率比他們之前實現(xiàn)的提高了約10倍。他們還使用每像素1毫秒的采集時間、對人眼安全的3.5毫瓦激光和最少的數(shù)據(jù)處理，在這些距離上捕獲了人臉的三維圖像。 McCarthy說：“系統(tǒng)的出色深度分辨率意味著它特別適合對雜亂物體（如樹葉或偽裝網(wǎng)）后面的物體進行成像，這對于數(shù)碼相機來說是困難的。例如，它可以區(qū)分位于偽裝網(wǎng)后面幾厘米的物體，而分辨率較差的系統(tǒng)則無法識別該物體�！� 雖然激光雷達系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗范圍限制在1公里內(nèi)，但研究人員計劃在10公里的距離上測試該系統(tǒng)，并探索通過煙霧和霧霾等大氣遮蔽物進行成像。 未來的工作還將集中在使用先進的計算方法加速數(shù)據(jù)分析，并實現(xiàn)對更遠場景的成像。 相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.544877 |
