机载单光子激光雷达系统实现高分辨率三维成像！

最近，研究人员开发了一种紧凑轻便的单光子机载激光雷达系统，该系统可以用低功率激光获取高分辨率3D图像。该成果可以将单光子激光雷达用于环境监测、3D地形测绘和目标识别等航空和太空应用中。

单光子激光雷达使用单光子探测技术来测量激光脉冲往返于物体之间所需的时间。它对于机载应用特别有用，因为即使在植被茂密或城市地区等具有挑战性的环境中，它也可以实现高度精确的地形和物体3D映射。

来自中国科学技术大学的研究小组成员徐飞虎表示:“在资源有限的无人机或卫星上使用单光子激光雷达技术，需要缩小整个系统并降低其功耗。我们能够将最新的技术发展融入到一个系统中，与其他最先进的机载激光雷达系统相比，该系统采用最低的激光功率和最小的光学孔径，同时在探测范围和成像分辨率方面仍然保持良好的性能。”

在高影响力研究期刊《Optica》上，研究人员展示了该系统在与亚像素扫描以及新的3D反卷积算法一起使用时，能够实现超过光衍射极限的成像分辨率。他们还展示了该系统白天在小型飞机上捕获大面积高分辨率3D图像的能力。

徐飞虎说:“最终，该成果有可能增进我们对周围世界的了解。例如，我们的系统可以部署在无人机或小型卫星上，以监测森林景观的变化，例如森林砍伐或对森林健康的影响。它还可以在地震后用于生成3D地形图，帮助评估破坏程度，指导救援队挽救生命。”

缩小单光子激光雷达

新的机载单光子激光雷达系统通过从激光器向地面发射光脉冲来工作。这些脉冲从物体上反射，然后被非常灵敏的探测器SPAD（single-photon avalanche diode）阵列捕获。这些探测器提高了对单光子的灵敏度，能够更有效地检测反射的激光脉冲，从而使低功率激光器成为可能。为了减小整个系统的尺寸，研究人员使用了光学孔径为47毫米的小型望远镜作为接收光学器件。

测量返回单光子的飞行时间可以计算光到达地面和返回所需的时间。然后，利用计算成像算法，可以根据这些信息重建地形的详细3D图像。

徐飞虎表示：“新系统的一个关键部分是特殊的扫描镜，它可以进行连续的精细扫描，捕获地面目标的亚像素信息。此外，一种新的光子高效计算算法可以从少量原始光子探测中提取亚像素信息，从而在微弱信号和强烈太阳噪声带来的挑战下重建超分辨率3D图像。”

地面和空中试验

研究人员进行了一系列测试来验证新系统的性能。飞行前的地面测试证实了该技术的有效性，并表明该系统能够在默认设置下从1.5公里外进行分辨率为15厘米的激光雷达成像。一旦他们实现了亚像素扫描和3D反卷积，研究人员就能够证明在相同距离外的有效分辨率为6厘米。

研究人员还在中国浙江省义乌市的一架小型飞机上对该系统进行了为期数周的日间实验。这些实验成功地揭示了各种地形和物体的详细特征，证实了系统在现实场景中的功能和可靠性。

该团队目前正在努力提高系统的性能和集成度，其长期目标是将其安装在小型卫星等太空平台上。在商业化之前，该系统的稳定性、耐用性和成本效益也需要改进。