概述

研究人員開發出了一種結構緊湊、重量輕的單光子機載激光雷達係統，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境監測、 3D 地形測繪和物體(ti) 識別等空中和太空應用中成為(wei) 現實。

單光子激光雷達使用單光子探測技術來測量激光脈衝(chong) 到達物體(ti) 和返回所需的時間。單光子激光雷達尤其適用於(yu) 機載應用，因為(wei) 即使在植被茂密或城市地區等具有挑戰性的環境中，它也能高精度地繪製地形和物體(ti) 的 3D 地圖。

該研究團隊成員，來自於(yu) 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星上使用單光子激光雷達技術，需要縮小整個(ge) 係統的體(ti) 積並降低能耗。我們(men) 能夠將最新的技術發展融入到係統中，與(yu) 其他最先進的機載激光雷達係統相比，該係統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麵仍然保持良好的性能。”

圖 1. (a) 機載單光子激光雷達係統的總體(ti) 設計。(b) 安裝在陀螺穩定支架上的係統主要組件。(c) 收發器光學係統的細節。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，研究人員展示了該係統在使用亞(ya) 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(men) 還展示了該係統在白天利用小型飛機捕捉大麵積高分辨率 3D 圖像的能力。

徐飛虎教授表示：“最終，我們(men) 的工作有可能增強我們(men) 對周圍世界的了解，並有助於(yu) 為(wei) 所有人創造一個(ge) 更可持續、更明智的未來。例如，我們(men) 的係統可以部署在無人機或小型衛星上，監測森林景觀的變化，如森林砍伐或對森林健康的其他影響。它還可以在地震發生後用於(yu) 生成 3D 地形圖，幫助評估破壞程度並為(wei) 救援隊提供指導，從(cong) 而挽救生命。”

縮小的單光子激光雷達

新型機載單光子激光雷達係統的工作原理是從(cong) 激光器向地麵發送光脈衝(chong) 。這些脈衝(chong) 從(cong) 物體(ti) 上反彈，然後被稱為(wei) 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衝(chong) ，從(cong) 而可以使用較低功率的激光。為(wei) 了縮小整個(ge) 係統的尺寸，研究人員使用了光學孔徑為(wei) 47 mm 的小型望遠鏡作為(wei) 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麵和返回所需的時間。然後就可以利用計算成像算法從(cong) 這些信息中重建詳細的地形 3D 圖像。

徐飛虎教授說：“新係統的一個(ge) 關(guan) 鍵部分是特殊的掃描反射鏡，它可以進行連續的精細掃描，捕捉地麵目標的亞(ya) 像素信息。此外，新的光子高效計算算法還能從(cong) 少量原始光子檢測中提取這種亞(ya) 像素信息，從(cong) 而克服弱信號和強太陽噪聲帶來的挑戰，重建超分辨率 3D 圖像。”

圖 2. 機載單光子激光雷達係統中的亞(ya) 像素精細掃描。掃描反射鏡可以補償(chang) 飛機的運動，並在數據采集過程中產(chan) 生一個(ge) 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）。

地麵和空中測試

研究人員進行了一係列測試，以驗證新係統的能力。飛行前的地麵測試證實了該技術的有效性，並表明該係統能夠在默認設置下從(cong) 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(ya) 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(yi) 烏(wu) 市的一架小型飛機上使用該係統進行了為(wei) 期數周的日間實驗。這些實驗成功揭示了各種地貌和物體(ti) 的詳細特征，證實了該係統在真實世界場景中的功能性和可靠性。

圖 3.  230m×470m 區域的 3D 成像結果示例區域。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係統的性能和集成度，長期目標是將其安裝在小型衛星等星載平台上。在實現商業(ye) 化之前，該係統的穩定性、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）。