中科大實(shí)現(xiàn)超過200公里的遠(yuǎn)距離單光子三維成像

記者剛剛從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉院士、徐飛虎教授等實(shí)現(xiàn)超過200公里的遠(yuǎn)距離單光子三維成像，首次將成像距離從十公里突破到百公里量級，為遠(yuǎn)距離目標(biāo)識別、對地觀測等領(lǐng)域應(yīng)用開辟新道路。該成果近期發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)》。

看得更遠(yuǎn)、更清，是人類的不懈追求。單光子成像雷達(dá)作為一種具有單光子級探測靈敏度和皮秒級時(shí)間分辨率的新興激光雷達(dá)成像技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光學(xué)成像的理想方案。然而，如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離單光子成像雷達(dá)，是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

潘建偉、徐飛虎團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期攻關(guān)，發(fā)展了單像素單光子成像算法、近紅外波段高效率單光子收集和探測、近衍射極限收發(fā)一體光學(xué)控制等核心技術(shù)。

該團(tuán)隊(duì)于2019年在城市環(huán)境中實(shí)現(xiàn)45公里的單光子三維成像，突破了由英國哈利瓦特大學(xué)保持的10公里最遠(yuǎn)距離記錄。在此基礎(chǔ)上，他們通過進(jìn)一步技術(shù)突破，將成像距離拓展到201.5公里，成像靈敏度達(dá)到平均每個(gè)像素0.4個(gè)信號光子。

為實(shí)現(xiàn)百公里單光子成像，該團(tuán)隊(duì)搭建全新的單光子雷達(dá)系統(tǒng)，并發(fā)展了針對遠(yuǎn)距離成像的多項(xiàng)新技術(shù)，包括原創(chuàng)的時(shí)間濾波抑制噪聲技術(shù)，自主研制的小型化高效率、低噪聲銦鎵砷紅外單光子探測器等。

基于全新的單光子成像雷達(dá)系統(tǒng)，他們于2020年1月在新疆的高山上對百公里外的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行三維成像，并測試了單光子計(jì)算成像算法。

結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以在200公里范圍內(nèi)進(jìn)行精確的三維成像，成像靈敏度達(dá)到單像素單光子。

成果對于面向低功耗、高分辨率等實(shí)用化需求的遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)研究具有重要應(yīng)用價(jià)值。論文審稿人稱贊，該成果“在遠(yuǎn)距離成像上的成就令人印象深刻”，是“遠(yuǎn)距離單光子成像中的一次壯舉”。

單光子成像實(shí)驗(yàn)裝置圖：(a)201.5 km外目標(biāo)的可見光相機(jī)圖，(b)光學(xué)系統(tǒng)示意圖，(c)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物，(d)實(shí)驗(yàn)場地圖。

201.5 km成像結(jié)果(a)可見光相機(jī)圖，(b)算法重構(gòu)結(jié)果圖，(c)重構(gòu)結(jié)果立體視圖。