概述

研究人員開發(fā)出了一種結構緊湊、重量輕的單光子機載激光雷達系統(tǒng)，可以用低功率激光獲取高分辨率的 3D 圖像。這一進展可使單光子激光雷達在環(huán)境監(jiān)測、 3D 地形測繪和物體識別等空中和太空應用中成為現(xiàn)實。

單光子激光雷達使用單光子探測技術來測量激光脈沖到達物體和返回所需的時間。單光子激光雷達尤其適用于機載應用，因為即使在植被茂密或城市地區(qū)等具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，它也能高精度地繪制地形和物體的 3D 地圖。

該研究團隊成員，來自于中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心的徐飛虎教授說：“在資源有限的無人機或衛(wèi)星上使用單光子激光雷達技術，需要縮小整個系統(tǒng)的體積并降低能耗。我們能夠將最新的技術發(fā)展融入到系統(tǒng)中，與其他最先進的機載激光雷達系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)采用了最低的激光功率和最小的光學孔徑，同時在探測距離和成像分辨率方面仍然保持良好的性能?！?/p>

圖 1. (a) 機載單光子激光雷達系統(tǒng)的總體設計。(b) 安裝在陀螺穩(wěn)定支架上的系統(tǒng)主要組件。(c) 收發(fā)器光學系統(tǒng)的細節(jié)。資料來源：Yu Hong, Shijie Liu等人，《Airborne single-photon LiDAR towards a small-sized and low-power payload》，《Optica》（2024）。

在《Optica》上，研究人員展示了該系統(tǒng)在使用亞像素掃描和新型 3D 解卷積算法時，能夠達到超越光的衍射極限的成像分辨率。他們還展示了該系統(tǒng)在白天利用小型飛機捕捉大面積高分辨率 3D 圖像的能力。

徐飛虎教授表示：“最終，我們的工作有可能增強我們對周圍世界的了解，并有助于為所有人創(chuàng)造一個更可持續(xù)、更明智的未來。例如，我們的系統(tǒng)可以部署在無人機或小型衛(wèi)星上，監(jiān)測森林景觀的變化，如森林砍伐或對森林健康的其他影響。它還可以在地震發(fā)生后用于生成 3D 地形圖，幫助評估破壞程度并為救援隊提供指導，從而挽救生命?！?/p>

縮小的單光子激光雷達

新型機載單光子激光雷達系統(tǒng)的工作原理是從激光器向地面發(fā)送光脈沖。這些脈沖從物體上反彈，然后被稱為單光子雪崩二極管（SPAD）陣列的非常靈敏的探測器捕獲。這些探測器提高了對單光子的靈敏度，能夠更有效地探測反射的激光脈沖，從而可以使用較低功率的激光。為了縮小整個系統(tǒng)的尺寸，研究人員使用了光學孔徑為 47 mm 的小型望遠鏡作為接收光學器件。

通過測量返回的單光子的飛行時間，可以計算出光線到達地面和返回所需的時間。然后就可以利用計算成像算法從這些信息中重建詳細的地形 3D 圖像。

徐飛虎教授說：“新系統(tǒng)的一個關鍵部分是特殊的掃描反射鏡，它可以進行連續(xù)的精細掃描，捕捉地面目標的亞像素信息。此外，新的光子高效計算算法還能從少量原始光子檢測中提取這種亞像素信息，從而克服弱信號和強太陽噪聲帶來的挑戰(zhàn)，重建超分辨率 3D 圖像?！?/p>

圖 2. 機載單光子激光雷達系統(tǒng)中的亞像素精細掃描。掃描反射鏡可以補償飛機的運動，并在數(shù)據(jù)采集過程中產(chǎn)生一個像素的 FoV 偏移。資料來源：Yu Hong, Shijie Liu等人，《Airborne single-photon LiDAR towards a small-sized and low-power payload》，《Optica》（2024）。

地面和空中測試

研究人員進行了一系列測試，以驗證新系統(tǒng)的能力。飛行前的地面測試證實了該技術的有效性，并表明該系統(tǒng)能夠在默認設置下從 1.5 km 外以 15 cm 的分辨率進行激光雷達成像。一旦采用了亞像素掃描和 3D 解卷積技術，研究人員就能在同樣的距離上顯示出 6 cm 的有效分辨率。

研究人員還在義烏市的一架小型飛機上使用該系統(tǒng)進行了為期數(shù)周的日間實驗。這些實驗成功揭示了各種地貌和物體的詳細特征，證實了該系統(tǒng)在真實世界場景中的功能性和可靠性。

圖 3.  230m×470m 區(qū)域的 3D 成像結果示例區(qū)域。顏色表示高度，副圖和主圖使用了不同的顏色映射。資料來源：Yu Hong, Shijie Liu等人，《Airborne single-photon LiDAR towards a small-sized and low-power payload》，《Optica》（2024）。

研究小組目前正在努力提高該系統(tǒng)的性能和集成度，長期目標是將其安裝在小型衛(wèi)星等星載平臺上。在實現(xiàn)商業(yè)化之前，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、耐用性和成本效益也需要改進。

參考文獻：Yu Hong, Shijie Liu等人，《Airborne single-photon LiDAR towards a small-sized and low-power payload》，《Optica》（2024）。