機載單光子激光雷達系統實現高分辨率三維成像！

最近，研究人員開發了一種緊湊輕便的單光子機載激光雷達系統，該系統可以用低功率激光獲取高分辨率3D圖像。該成果可以將單光子激光雷達用于環境監測、3D地形測繪和目標識別等航空和太空應用中。

單光子激光雷達使用單光子探測技術來測量激光脈沖往返于物體之間所需的時間。它對于機載應用特別有用，因為即使在植被茂密或城市地區等具有挑戰性的環境中，它也可以實現高度精確的地形和物體3D映射。

來自中國科學技術大學的研究小組成員徐飛虎表示:“在資源有限的無人機或衛星上使用單光子激光雷達技術，需要縮小整個系統并降低其功耗。我們能夠將最新的技術發展融入到一個系統中，與其他最先進的機載激光雷達系統相比，該系統采用最低的激光功率和最小的光學孔徑，同時在探測范圍和成像分辨率方面仍然保持良好的性能。”

在高影響力研究期刊《Optica》上，研究人員展示了該系統在與亞像素掃描以及新的3D反卷積算法一起使用時，能夠實現超過光衍射極限的成像分辨率。他們還展示了該系統白天在小型飛機上捕獲大面積高分辨率3D圖像的能力。

徐飛虎說:“最終，該成果有可能增進我們對周圍世界的了解。例如，我們的系統可以部署在無人機或小型衛星上，以監測森林景觀的變化，例如森林砍伐或對森林健康的影響。它還可以在地震后用于生成3D地形圖，幫助評估破壞程度，指導救援隊挽救生命。”

縮小單光子激光雷達

新的機載單光子激光雷達系統通過從激光器向地面發射光脈沖來工作。這些脈沖從物體上反射，然后被非常靈敏的探測器SPAD（single-photon avalanche diode）陣列捕獲。這些探測器提高了對單光子的靈敏度，能夠更有效地檢測反射的激光脈沖，從而使低功率激光器成為可能。為了減小整個系統的尺寸，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。

測量返回單光子的飛行時間可以計算光到達地面和返回所需的時間。然后，利用計算成像算法，可以根據這些信息重建地形的詳細3D圖像。

徐飛虎表示：“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，捕獲地面目標的亞像素信息。此外，一種新的光子高效計算算法可以從少量原始光子探測中提取亞像素信息，從而在微弱信號和強烈太陽噪聲帶來的挑戰下重建超分辨率3D圖像。”

地面和空中試驗

研究人員進行了一系列測試來驗證新系統的性能。飛行前的地面測試證實了該技術的有效性，并表明該系統能夠在默認設置下從1.5公里外進行分辨率為15厘米的激光雷達成像。一旦他們實現了亞像素掃描和3D反卷積，研究人員就能夠證明在相同距離外的有效分辨率為6厘米。

研究人員還在中國浙江省義烏市的一架小型飛機上對該系統進行了為期數周的日間實驗。這些實驗成功地揭示了各種地形和物體的詳細特征，證實了系統在現實場景中的功能和可靠性。

該團隊目前正在努力提高系統的性能和集成度，其長期目標是將其安裝在小型衛星等太空平臺上。在商業化之前，該系統的穩定性、耐用性和成本效益也需要改進。