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單光子激光雷達(dá)從一公里外看穿煙霧和偽裝 研究人員設(shè)計(jì)了一種單光子飛行時(shí)間激光雷達(dá)系統(tǒng)，能夠獲取距離達(dá)1公里遠(yuǎn)的物體或場(chǎng)景的高分辨率三維圖像。這一新系統(tǒng)能夠在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下，或當(dāng)物體被樹葉或偽裝網(wǎng)遮蔽時(shí)，實(shí)現(xiàn)詳細(xì)成像，從而有助于增強(qiáng)安全、監(jiān)控和遙感能力。 來(lái)自英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成員Aongus McCarthy表示：“我們的系統(tǒng)使用的單光子探測(cè)器的效率大約是其他研究小組報(bào)告的類似激光雷達(dá)系統(tǒng)中部署的探測(cè)器的兩倍，并且系統(tǒng)時(shí)間分辨率至少提高了10倍。這些改進(jìn)使成像系統(tǒng)能夠從目標(biāo)收集更多散射光子，并實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率。” 在《Optica》雜志上，來(lái)自英國(guó)和美國(guó)的多機(jī)構(gòu)研究小組展示了新系統(tǒng)能夠構(gòu)建出325米外清晰可辨的人臉三維圖像。  研究人員使用新的成像系統(tǒng)從32米外對(duì)樂高角色進(jìn)行成像。 研究人員來(lái)自赫瑞瓦特大學(xué)的Gerald Buller小組、格拉斯哥大學(xué)的Robert Hadfield小組、NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Matthew Shaw小組以及麻省理工學(xué)院的Karl Berggren小組。 新論文的第一作者M(jìn)cCarthy說(shuō)：“這種測(cè)量系統(tǒng)可以改進(jìn)安全和監(jiān)控系統(tǒng)，例如，通過煙霧或霧霾以及雜亂場(chǎng)景獲取詳細(xì)的深度圖像。它還可以在各種環(huán)境中遠(yuǎn)程識(shí)別物體，并監(jiān)測(cè)建筑物或巖壁的移動(dòng)，以評(píng)估沉降或其他潛在危險(xiǎn)。” 基于光的測(cè)距 單光子飛行時(shí)間深度成像系統(tǒng)利用激光脈沖從系統(tǒng)到物體上某一點(diǎn)再返回所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算物體的距離。然后對(duì)物體上的各個(gè)點(diǎn)重復(fù)這些飛行時(shí)間測(cè)量，以獲取三維信息。 新系統(tǒng)使用了一種由麻省理工學(xué)院和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研究小組開發(fā)的超靈敏探測(cè)器，稱為超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）。SNSPD能夠檢測(cè)單個(gè)光子，這意味著可以使用非常低功率的激光，包括對(duì)人眼安全的激光，在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)量。 為了降低噪聲水平，探測(cè)器被冷卻到僅低于1開爾文的溫度，使用由格拉斯哥大學(xué)小組設(shè)計(jì)和建造的緊湊型低溫冷卻系統(tǒng)。 研究人員將冷卻的SNSPD與赫瑞瓦特大學(xué)McCarthy設(shè)計(jì)的新型定制單像素掃描收發(fā)器結(jié)合，該收發(fā)器工作在1550納米波長(zhǎng)。他們還添加了先進(jìn)的定時(shí)設(shè)備，以測(cè)量極精確的時(shí)間間隔——精確到萬(wàn)億分之一秒（皮秒）。 為了直觀理解，光在1000皮秒內(nèi)可以傳播約300毫米（約1英尺）。這種精度使得從325米遠(yuǎn)處區(qū)分深度相差約1毫米的表面成為可能。 McCarthy說(shuō)：“這些因素都在距離、激光功率水平、數(shù)據(jù)采集時(shí)間和深度分辨率之間的權(quán)衡中提供了更大的靈活性。此外，由于SNSPD探測(cè)器可以在1550納米以上的波長(zhǎng)工作，這一設(shè)計(jì)為開發(fā)中紅外單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)打開了大門，這可以進(jìn)一步增強(qiáng)通過霧、煙霧和其他遮蔽物的成像能力。”  研究人員設(shè)計(jì)了一種單光子飛行時(shí)間激光雷達(dá)系統(tǒng)，能夠生成遠(yuǎn)處物體和人臉的高分辨率三維圖像。上圖顯示了在白天從45米外成像的3D打印柱子。下圖描繪了325米外一個(gè)可識(shí)別的人臉。 3D測(cè)量遠(yuǎn)處的物體 研究人員在赫瑞瓦特大學(xué)校園內(nèi)對(duì)其激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)量了45米、325米和1公里外的物體。 為了評(píng)估空間和深度分辨率，他們掃描了一個(gè)定制的3D打印目標(biāo)，該目標(biāo)具有不同大小和高度的柱子。系統(tǒng)在白天45米和325米處解析了小至1毫米的特征——深度分辨率比他們之前實(shí)現(xiàn)的提高了約10倍。他們還使用每像素1毫秒的采集時(shí)間、對(duì)人眼安全的3.5毫瓦激光和最少的數(shù)據(jù)處理，在這些距離上捕獲了人臉的三維圖像。 McCarthy說(shuō)：“系統(tǒng)的出色深度分辨率意味著它特別適合對(duì)雜亂物體（如樹葉或偽裝網(wǎng)）后面的物體進(jìn)行成像，這對(duì)于數(shù)碼相機(jī)來(lái)說(shuō)是困難的。例如，它可以區(qū)分位于偽裝網(wǎng)后面幾厘米的物體，而分辨率較差的系統(tǒng)則無(wú)法識(shí)別該物體。” 雖然激光雷達(dá)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)范圍限制在1公里內(nèi)，但研究人員計(jì)劃在10公里的距離上測(cè)試該系統(tǒng)，并探索通過煙霧和霧霾等大氣遮蔽物進(jìn)行成像。 未來(lái)的工作還將集中在使用先進(jìn)的計(jì)算方法加速數(shù)據(jù)分析，并實(shí)現(xiàn)對(duì)更遠(yuǎn)場(chǎng)景的成像。 相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.544877 |
