想象一下，透過濃霧、樹葉或偽裝網(wǎng)，能夠捕捉到遠處物體（甚至是人臉）的高分辨率三維圖像。 這正是一種新型單光子激光雷達系統(tǒng)能夠在一公里之外做到的。通過使用比以前版本效率高兩倍的先進探測器和比以前版本高十倍的定時分辨率，研究人員實現(xiàn)了令人難以置信的遠距離成像精度。

研究人員還利用新的成像系統(tǒng)對 32 米外的樂高角色進行了成像。 資料來源：Aongus McCarthy，赫瑞瓦特大學(xué)

研究人員開發(fā)出一種單光子飛行時間激光雷達系統(tǒng)，能夠在 1 公里以外捕捉高分辨率三維圖像。 這種先進的系統(tǒng)即使在困難的條件下，或者當物體被樹葉或偽裝部分遮擋時，也能提供詳細的成像，從而增強安防、監(jiān)控和遙感功能。

'研究小組成員、英國赫瑞瓦特大學(xué)的 Aongus McCarthy 說：'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，系統(tǒng)定時分辨率至少提高了 10 倍。'這些改進使得成像系統(tǒng)能夠從目標收集到更多的散射光子，實現(xiàn)更高的空間分辨率。'

在Optica（Optica出版集團的高影響力研究期刊）上，來自英國和美國的多機構(gòu)研究小組顯示，新系統(tǒng)可以在325米外構(gòu)建三維圖像，描繪出清晰可辨的人臉。 研究人員分別來自赫瑞瓦特大學(xué)杰拉爾德-布勒（Gerald Buller）小組、格拉斯哥大學(xué)羅伯特-哈德菲爾德（Robert Hadfield）小組、 美國國家航空航天局噴氣推進實驗室的馬修-肖研究小組和麻省理工學(xué)院的卡爾-伯格倫研究小組。

新論文的第一作者麥卡錫說：'這種測量系統(tǒng)可以改進安防和監(jiān)控系統(tǒng)，例如，可以透過煙霧和雜亂的場景獲取詳細的深度圖像。它還可以遠程識別各種環(huán)境中的物體，監(jiān)測建筑物或巖壁的移動，以評估沉降或其他潛在危險。'

研究人員設(shè)計出了一種單光子飛行時間激光雷達系統(tǒng)，它可以生成一定距離外物體和人臉的高分辨率三維圖像。 上圖顯示的是在光天化日下從 45 米外拍攝的 3D 打印柱子圖像。 下圖描繪的是 325 米外可辨認的人臉。 圖片來源：赫瑞瓦特大學(xué) Aongus McCarthy

單光子飛行時間深度成像系統(tǒng)利用激光脈沖從系統(tǒng)到物體上的一個點再返回所需的時間來計算物體的距離。 然后對物體上的各點重復(fù)進行這些飛行時間測量，以獲得三維信息。

新系統(tǒng)使用了一種超靈敏探測器，稱為超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD），由麻省理工學(xué)院和JPL研究小組共同開發(fā)。 SNSPD可以探測到單光子，這意味著可以使用功率很低的激光器（包括護眼激光器）在很短的時間內(nèi)進行遠距離測量。 為了降低噪音水平，探測器在格拉斯哥大學(xué)小組設(shè)計和制造的緊湊型低溫冷卻器系統(tǒng)中冷卻到略低于1開爾文的溫度。

研究人員將冷卻式 SNSPD 與赫瑞瓦特大學(xué)麥卡錫設(shè)計的新型定制單像素掃描收發(fā)器相結(jié)合，該收發(fā)器的工作波長為 1550 納米。 他們還增加了先進的計時設(shè)備，以測量極其精確的時間間隔--精確到萬億分之一秒（皮秒）。 從這個角度來看，僅 1000 皮秒，光就能傳播約 300 毫米（約 1 英尺）。 這種精確度使我們能夠在 325 米外分辨出深度相差約 1 毫米的表面。

麥卡錫說：'這些因素都提高了在距離、激光功率水平、數(shù)據(jù)采集時間和深度分辨率之間權(quán)衡的靈活性。此外，由于 SNSPD 探測器的工作波長超過 1550 nm，這種設(shè)計為開發(fā)中紅外單光子激光雷達系統(tǒng)打開了大門，可進一步增強透過霧、煙和其他遮蔽物的成像效果。'

研究人員在赫瑞瓦特大學(xué)校園內(nèi)對其激光雷達系統(tǒng)進行了實地測試，分別對 45 米、325 米或 1 公里外的物體進行了測量。

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，該目標的支柱尺寸和高度各不相同。 在 45 米和 325 米的日光下，該系統(tǒng)能分辨出小至 1 毫米的特征--深度分辨率比他們以前達到的分辨率高出約 10 倍。 他們還使用每像素 1 毫秒的采集時間、對眼睛安全的 3.5 毫瓦激光器和最低限度的數(shù)據(jù)處理，在這些距離上捕捉到了人臉的三維圖像。

麥卡錫說：'該系統(tǒng)出色的深度分辨率意味著，它特別適合對雜物（如樹葉或偽裝網(wǎng)）后面的物體進行成像，而這種情況對數(shù)碼相機來說是很困難的。例如，它可以分辨出偽裝網(wǎng)后幾厘米處的物體，而分辨率較低的系統(tǒng)則無法分辨出該物體。'

雖然激光雷達系統(tǒng)的實地試驗范圍僅限于1公里，但研究人員計劃在長達10公里的距離上對該系統(tǒng)進行測試，并探索通過煙霧等大氣遮蔽物成像的方法。 未來的工作還將側(cè)重于使用先進的計算方法來加速數(shù)據(jù)分析，并對更遠的場景進行成像。