研究人員開發出一種結構緊湊、重量輕的單光子機載雷射雷達系統，該系統可利用低功率雷射器擷取高分辨率三維圖像。這一進展可使單光子雷射雷達在環境監測、三維地形測繪和物體識别等航空和航天應用中得到實用。
單光子雷射雷達使用單光子探測技術來測量雷射脈沖到達物體和傳回所需的時間。單光子雷射雷達尤其适用于機載應用，因為即使在植被茂密或城市地區等惡劣環境中，它也能實作高精度的三維地形和物體測繪。
來自中國科學技術大學的研究團隊成員徐飛虎說：“在資源有限的無人機或衛星上使用單光子雷射雷達技術需要縮小整個系統并降低能耗。我們能夠将最新的技術發展融入到系統中，與其他最先進的機載雷射雷達系統相比，該系統采用了最低的雷射功率和最小的光學孔徑，同時在探測距離和成像分辨率方面仍保持良好的性能。”
在《Optica》雜志上，研究人員展示了該系統在使用亞像素掃描和新型三維解卷積算法時，能夠實作超越光的衍射極限的成像分辨率。他們還展示了該系統在白天利用小型飛機捕捉大面積高分辨率三維圖像的能力。
徐飛虎說：“最終，我們的工作有可能增強我們對周圍世界的了解，并有助于為所有人創造一個更可持續、更知情的未來。例如，我們的系統可以部署在無人機或小型衛星上，監測森林景觀的變化，如森林砍伐或對森林健康的其他影響。它還可以在地震發生後用于生成三維地形圖，幫助評估破壞程度并為救援隊提供指導，進而挽救生命。”
研究人員通過在一架小型飛機上使用該系統，在白天捕捉大面積區域的高分辨率三維圖像，展示了該系統在現實世界中的能力。
縮小的單光子雷射雷達
新型機載單光子雷射雷達系統的工作原理是從雷射器向地面發送光脈沖。這些脈沖在物體上反彈，然後被稱為單光子雪崩二極管（SPAD）陣列的非常靈敏的探測器捕獲。這些探測器提高了對單光子的靈敏度，能夠更有效地探測反射的雷射脈沖，進而可以使用較低功率的雷射。為了縮小整個系統的尺寸，研究人員使用了光學孔徑為 47 毫米的小型望遠鏡作為接收光學器件。
通過測量傳回的單光子的飛行時間，可以計算出光線到達地面和傳回所需的時間。然後就可以利用計算成像算法從這些資訊中重建詳細的地形三維圖像。
徐飛虎說：“新系統的一個關鍵部分是特殊的掃描鏡，它可以進行連續的精細掃描，捕捉地面目标的亞像素資訊。此外，一種新的光子高效計算算法可以從少量原始光子檢測中提取這種亞像素資訊，進而能夠克服弱信号和強太陽噪聲帶來的挑戰，重建超分辨率三維圖像。”
地面和空中測試
研究人員進行了一系列測試，以驗證新系統的能力。飛行前的地面測試證明了該技術的有效性，并表明該系統能夠在預設設定下從1.5公裡外以15厘米的分辨率進行雷射雷達成像。一旦采用了亞像素掃描和三維解卷積技術，研究人員就能在同樣的距離上顯示出 6 厘米的有效分辨率。
研究人員還在中國浙江省義烏市的一架小型飛機上使用該系統進行了為期數周的日間實驗。這些實驗成功揭示了各種地貌和物體的詳細特征，證明了該系統在真實世界場景中的功能性和可靠性。
研究小組目前正在努力提高該系統的性能和內建度，長期目标是将其安裝在小型衛星等星載平台上。在實作商業化之前，該系統的穩定性、耐用性和成本效益也需要改進。
相關連結：Yu Hong et al, Airborne single-photon LiDAR towards small-size and low-power payload, Optica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.518999
論文連結：https://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.518999
來自：光行天下
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