单光子激光雷达可提供距离达1公里的详细3D图像！

研究人员设计了一种单光子飞行时间激光雷达系统，可以获得1公里外物体或场景的高分辨率3D图像。新系统可以帮助增强安全、监控和遥感，即使在具有挑战性的环境条件下，或者当物体被树叶或伪装网遮挡时，也能实现详细的成像。

来自英国赫瑞瓦特大学的研究小组成员Aongus McCarthy说：“我们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探测器的两倍，并且系统定时分辨率至少好10倍。这些改进使成像系统能够从目标收集更多的散射光子，并实现更高的空间分辨率。”

在研究期刊《Optica》上，来自英国和美国的一个多机构研究小组表明，新系统可以构建一个3D图像，描绘325米外人的清晰可识别的人脸。这些研究人员分别来自赫瑞瓦特大学的Gerald Buller小组、格拉斯哥大学的Robert Hadfield小组、美国宇航局喷气推进实验室的Matthew Shaw小组和麻省理工学院的Karl Berggren小组。

这篇论文的一作McCarthy说：“这种类型的测量系统可以改善安全和监控系统，例如，可以通过烟雾或雾以及混乱的场景获得详细的深度图像。它还可以远程识别各种环境中的物体，监测建筑物或岩面的移动，以评估下沉或其他潜在危险。”

光测距

单光子飞行时间深度成像系统使用激光脉冲从系统到达物体上的一点并返回的时间来计算到物体的距离。然后，这些飞行时间测量在物体的各个点上重复进行，以获得3D信息。

新系统使用一种超灵敏的探测器，称为超导纳米线单光子探测器（ superconducting nanowire single-photon detector，简称SNSPD），由麻省理工学院和喷气推进实验室的研究小组开发。SNSPD可以检测到单个光子，这意味着低功率的激光器，包括人眼安全的激光器，可以在很短的时间内进行长距离的测量。为了降低噪音水平，探测器在格拉斯哥大学小组设计和建造的紧凑型制冷机系统中被冷却到略低于1开尔文。

研究人员将冷却的SNSPD与一个新的定制单像素扫描收发器结合在一起，该收发器工作在1550纳米波长，由赫瑞瓦特大学的McCarthy设计。他们还增加了先进的计时设备来测量极其精确的时间间隔——精确到万亿分之一秒（皮秒）。从这个角度来看，在1000皮秒内，光可以传播约300毫米（约1英尺）。这种精度使得从325米外区分深度约为1毫米的表面成为可能。

McCarthy说：“这些因素提高了在距离、激光功率水平、数据采集时间和深度分辨率之间权衡的灵活性。此外，由于SNSPD探测器可以在波长超过1550纳米的波长下工作，因此该设计为开发中红外单光子激光雷达系统打开了大门，该系统可以进一步增强雾、烟和其他遮挡物的成像能力。”

远距离物体的三维测量

研究人员在赫瑞瓦特大学校园内对他们的激光雷达系统进行了实地测试，测量了45米、325米或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，该目标具有不同的支柱尺寸和高度。该系统在45米和325米的日光下分辨出小至1毫米的特征——深度分辨率比以前的深度分辨率提高了大约10倍。他们还利用每像素1毫秒的采集时间、对眼睛安全的3.5兆瓦激光和最小的数据处理，在这些距离上捕获了人脸的3D图像。

McCarthy说：“该系统出色的深度分辨率意味着它将特别适合于成像杂乱的物体，比如树叶或伪装网，这对数码相机来说是很困难的。例如，它可以识别位于伪装网后面几厘米的物体，而分辨率较低的系统则无法识别出该物体。”

虽然激光雷达系统的现场试验仅限于1公里的范围，但研究人员计划在10公里的距离上测试该系统，并通过烟雾和雾等大气遮挡物探索成像。未来的工作还将集中在使用先进的计算方法来加速数据分析和实现更遥远场景的成像。