超精确激光雷达可在一公里外看穿烟雾和伪装

想象一下，透过浓雾、树叶或伪装网，能够捕捉到远处物体（甚至是人脸）的高分辨率三维图像。 这正是一种新型单光子激光雷达系统能够在一公里之外做到的。通过使用比以前版本效率高两倍的先进探测器和比以前版本高十倍的定时分辨率，研究人员实现了令人难以置信的远距离成像精度。

研究人员还利用新的成像系统对 32 米外的乐高角色进行了成像。 资料来源：Aongus McCarthy，赫瑞瓦特大学

研究人员开发出一种单光子飞行时间激光雷达系统，能够在 1 公里以外捕捉高分辨率三维图像。 这种先进的系统即使在困难的条件下，或者当物体被树叶或伪装部分遮挡时，也能提供详细的成像，从而增强安防、监控和遥感功能。

"研究小组成员、英国赫瑞瓦特大学的 Aongus McCarthy 说："我们的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的探测器的两倍，系统定时分辨率至少提高了 10 倍。"这些改进使得成像系统能够从目标收集到更多的散射光子，实现更高的空间分辨率。"

在Optica（Optica出版集团的高影响力研究期刊）上，来自英国和美国的多机构研究小组显示，新系统可以在325米外构建三维图像，描绘出清晰可辨的人脸。 研究人员分别来自赫瑞瓦特大学杰拉尔德-布勒（Gerald Buller）小组、格拉斯哥大学罗伯特-哈德菲尔德（Robert Hadfield）小组、 美国国家航空航天局喷气推进实验室的马修-肖研究小组和麻省理工学院的卡尔-伯格伦研究小组。

新论文的第一作者麦卡锡说："这种测量系统可以改进安防和监控系统，例如，可以透过烟雾和杂乱的场景获取详细的深度图像。它还可以远程识别各种环境中的物体，监测建筑物或岩壁的移动，以评估沉降或其他潜在危险。"

研究人员设计出了一种单光子飞行时间激光雷达系统，它可以生成一定距离外物体和人脸的高分辨率三维图像。 上图显示的是在光天化日下从 45 米外拍摄的 3D 打印柱子图像。 下图描绘的是 325 米外可辨认的人脸。 图片来源：赫瑞瓦特大学 Aongus McCarthy

单光子飞行时间深度成像系统利用激光脉冲从系统到物体上的一个点再返回所需的时间来计算物体的距离。 然后对物体上的各点重复进行这些飞行时间测量，以获得三维信息。

新系统使用了一种超灵敏探测器，称为超导纳米线单光子探测器（SNSPD），由麻省理工学院和JPL研究小组共同开发。 SNSPD可以探测到单光子，这意味着可以使用功率很低的激光器（包括护眼激光器）在很短的时间内进行远距离测量。 为了降低噪音水平，探测器在格拉斯哥大学小组设计和制造的紧凑型低温冷却器系统中冷却到略低于1开尔文的温度。

研究人员将冷却式 SNSPD 与赫瑞瓦特大学麦卡锡设计的新型定制单像素扫描收发器相结合，该收发器的工作波长为 1550 纳米。 他们还增加了先进的计时设备，以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，仅 1000 皮秒，光就能传播约 300 毫米（约 1 英尺）。 这种精确度使我们能够在 325 米外分辨出深度相差约 1 毫米的表面。

麦卡锡说："这些因素都提高了在距离、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 探测器的工作波长超过 1550 nm，这种设计为开发中红外单光子激光雷达系统打开了大门，可进一步增强透过雾、烟和其他遮蔽物的成像效果。"

研究人员在赫瑞瓦特大学校园内对其激光雷达系统进行了实地测试，分别对 45 米、325 米或 1 公里外的物体进行了测量。

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，该目标的支柱尺寸和高度各不相同。 在 45 米和 325 米的日光下，该系统能分辨出小至 1 毫米的特征--深度分辨率比他们以前达到的分辨率高出约 10 倍。 他们还使用每像素 1 毫秒的采集时间、对眼睛安全的 3.5 毫瓦激光器和最低限度的数据处理，在这些距离上捕捉到了人脸的三维图像。

麦卡锡说："该系统出色的深度分辨率意味着，它特别适合对杂物（如树叶或伪装网）后面的物体进行成像，而这种情况对数码相机来说是很困难的。例如，它可以分辨出伪装网后几厘米处的物体，而分辨率较低的系统则无法分辨出该物体。"

虽然激光雷达系统的实地试验范围仅限于1公里，但研究人员计划在长达10公里的距离上对该系统进行测试，并探索通过烟雾等大气遮蔽物成像的方法。 未来的工作还将侧重于使用先进的计算方法来加速数据分析，并对更远的场景进行成像。

编译自/ScitechDaily