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概述
研究人員開發(fā)出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的單光子機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，可以用低功率激光獲取高分辨率的 3D 圖像。這一進(jìn)展可使單光子激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、 3D 地形測(cè)繪和物體識(shí)別等空中和太空應(yīng)用中成為現(xiàn)實(shí)。
單光子激光雷達(dá)使用單光子探測(cè)技術(shù)來測(cè)量激光脈沖到達(dá)物體和返回所需的時(shí)間。單光子激光雷達(dá)尤其適用于機(jī)載應(yīng)用，因?yàn)榧词乖谥脖幻芑虺鞘械貐^(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(tuán)隊(duì)成員，來自于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的徐飛虎教授說：“在資源有限的無(wú)人機(jī)或衛(wèi)星上使用單光子激光雷達(dá)技術(shù)，需要縮小整個(gè)系統(tǒng)的體積并降低能耗。我們能夠?qū)⒆钚碌募夹g(shù)發(fā)展融入到系統(tǒng)中，與其他最先進(jìn)的機(jī)載激光雷達(dá)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(xué)孔徑，同時(shí)在探測(cè)距離和成像分辨率方面仍然保持良好的性能。”
圖 1. (a) 機(jī)載單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。(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(xué)系統(tǒng)的細(xì)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(shí)，能夠達(dá)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(jī)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(qiáng)我們對(duì)周圍世界的了解，并有助于為所有人創(chuàng)造一個(gè)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(wú)人機(jī)或小型衛(wèi)星上，監(jiān)測(cè)森林景觀的變化，如森林砍伐或?qū)ι纸】档钠渌绊憽Ｋ€可以在地震發(fā)生后用于生成 3D 地形圖，幫助評(píng)估破壞程度并為救援隊(duì)提供指導(dǎo)，從而挽救生命。”
縮小的單光子激光雷達(dá)
新型機(jī)載單光子激光雷達(dá)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(cè)器捕獲。這些探測(cè)器提高了對(duì)單光子的靈敏度，能夠更有效地探測(cè)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(gè)系統(tǒng)的尺寸，研究人員使用了光學(xué)孔徑為 47 mm 的小型望遠(yuǎn)鏡作為接收光學(xué)器件。
通過測(cè)量返回的單光子的飛行時(shí)間，可以計(jì)算出光線到達(dá)地面和返回所需的時(shí)間。然后就可以利用計(jì)算成像算法從這些信息中重建詳細(xì)的地形 3D 圖像。
徐飛虎教授說：“新系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分是特殊的掃描反射鏡，它可以進(jìn)行連續(xù)的精細(xì)掃描，捕捉地面目標(biāo)的亞像素信息。此外，新的光子高效計(jì)算算法還能從少量原始光子檢測(cè)中提取這種亞像素信息，從而克服弱信號(hào)和強(qiáng)太陽(yáng)噪聲帶來的挑戰(zhàn)，重建超分辨率 3D 圖像。”
圖 2. 機(jī)載單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)中的亞像素精細(xì)掃描。掃描反射鏡可以補(bǔ)償飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，并在數(shù)據(jù)采集過程中產(chǎn)生一個(gè)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(cè)試
研究人員進(jìn)行了一系列測(cè)試，以驗(yàn)證新系統(tǒng)的能力。飛行前的地面測(cè)試證實(shí)了該技術(shù)的有效性，并表明該系統(tǒng)能夠在默認(rèn)設(shè)置下從 1.5 km 外以 15 cm 的分辨率進(jìn)行激光雷達(dá)成像。一旦采用了亞像素掃描和 3D 解卷積技術(shù)，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(jī)上使用該系統(tǒng)進(jìn)行了為期數(shù)周的日間實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)成功揭示了各種地貌和物體的詳細(xì)特征，證實(shí)了該系統(tǒng)在真實(shí)世界場(chǎng)景中的功能性和可靠性。
圖 3. 230m×470m 區(qū)域的 3D 成像結(jié)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(zhǎng)期目標(biāo)是將其安裝在小型衛(wèi)星等星載平臺(tái)上。在實(shí)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(jìn)。
參考文獻(xiàn)：Yu Hong, Shijie Liu等人，《Airborne single-photon LiDAR towards a small-sized and low-power payload》，《Optica》（2024）。
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