我國首次實現(xiàn)超200公里單光子三維成像

看得更遠(yuǎn)、更清楚，一直是人類的不懈追求。量子信息技術(shù)的發(fā)展加深了我們對光的理解和操控，也啟發(fā)我們開展基于單光子探測的新型成像技術(shù)（Quantum inspired computational imaging）。
▏什么是光子成像光子作為光量子性的體現(xiàn)，是光能被檢測到的最小能量單元。傳統(tǒng)相機(jī)通過對不同位置光強的探測，實現(xiàn)物體成像。單光子成像的核心就是通過探測每個光子的三維時空信息(x,y,t)，結(jié)合光子的統(tǒng)計特性重構(gòu)出物體的圖像。
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間分辨率的新興激光雷達(dá)成像技術(shù)，是實現(xiàn)遠(yuǎn)距離光學(xué)成像的理想方案。目前，我國科研團(tuán)隊通過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)，首次實現(xiàn)超過200公里的遠(yuǎn)距離單光子三維成像，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)》。
▏研發(fā)歷程
該團(tuán)隊于2019年在城市環(huán)境中首次實現(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)到平均每個像素0.4個信號光子。不僅如此，三維成像還能體現(xiàn)出空間距離。如上圖，紅色部分代表距離測繪點較遠(yuǎn)，藍(lán)色部分代表距離測繪點較近。那么，我國的科研團(tuán)隊是如何做到這一切的呢？
首先，是利用光子的三維信息和量子統(tǒng)計特性，利用單光子雷達(dá)向遠(yuǎn)處目標(biāo)發(fā)一束光，然后通過目標(biāo)返回的光子，來測量一個三維圖像。同時引入計算攝像學(xué)的最新技術(shù)，實現(xiàn)特殊的成像功能。例如，當(dāng)入射光已經(jīng)微弱至傳統(tǒng)相機(jī)無法工作的強度時，單光子成像技術(shù)能夠突破經(jīng)典成像的信噪比極限，每個像素僅探測一個光子，也能夠復(fù)原出物體的三維圖像，從而能夠提升現(xiàn)有遙感和偵察系統(tǒng)的工作距離和成像質(zhì)量。又例如，對于隱藏在角落的物體，可以通過計算光子在墻面的散射和飛行過程，復(fù)原出視線外物體的三維圖像，從而對隱藏的物體進(jìn)行識別和跟蹤，這是有望應(yīng)用于安防、反恐等特殊場合的最新技術(shù)。
▏亞像素掃描技術(shù)、反卷積算法與有效的光子成像算法
如果物體離目標(biāo)幾十公里之遠(yuǎn)，那么激光雷達(dá)發(fā)出的光，能返回來光子非常少，這是給應(yīng)用場景帶來的常見阻礙之一。由于光學(xué)器件的衍射限制，隨著光的傳播，光束的距離越遠(yuǎn)，擴(kuò)散得就會越嚴(yán)重。
1、亞像素掃描技術(shù)為提高分辨率和進(jìn)行準(zhǔn)確識別，即識別反射的光斑里到底有哪些內(nèi)容，我國科研團(tuán)隊使用了亞像素掃描技術(shù)。該技術(shù)可以理解為用手電筒照出一個大光斑，為識別光斑中的內(nèi)容，就需要精細(xì)地平移手電筒，由于光斑與光斑之間的平移非常小，因此叫做亞像素掃描。此外，亞像素掃描，還可進(jìn)行幾厘米光斑的移動，每移動一下就可以測到一些信號。多次移動后，就能探測出半米光斑中的內(nèi)容。
2、反卷積算法反卷積算法的具體使用過程是，多次移動光斑后，會產(chǎn)生很多信號。在此基礎(chǔ)之上，就可以設(shè)計算法，來解決遠(yuǎn)距離成像的難題。利用反卷積算法，該團(tuán)隊分別在白天和晚上，驗證了 8.2 公里外的一個人體大小的 “模特”，當(dāng)“模特” 的手做不同動作時，反卷積測法可以準(zhǔn)確識別出上述動作。而如果沒有這種方法，在成像中只有大概半米的分辨率，“模特”的任何姿態(tài)都會糊成一片，根本無法識別。
3、有效的光子計算成像算法因為200公里的目標(biāo)太遠(yuǎn)，返回的光子又特別少，平均每個像素大概只有一個光子。如何用極少量光子，把一個目標(biāo)的輪廓清晰地重構(gòu)出來，也需要上述算法的加持。在晴朗的白天，人們通過望遠(yuǎn)鏡大約可以看 10 公里左右。通過該團(tuán)隊的技術(shù)，即便在霧霾天氣下，200 公里的成像也可以順利進(jìn)行。
上圖為：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。
▏遇到的困難
我國的科研團(tuán)隊研發(fā)出一款新型雷達(dá)體系——單光子成像雷達(dá)系統(tǒng)。將高性能單光子收集和探測技術(shù)和光子重構(gòu)算法這 “一硬一軟” 結(jié)合起來。該雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其靈敏度更高、體積更小，能探測的距離也更遠(yuǎn)，在同等探測距離需求下，能耗也更低。
白天成像條件有限，很多實驗都得在晚上做，并且要不停地調(diào)試。科研團(tuán)隊經(jīng)常需要耗費幾周的時間，才能做出比較好的系統(tǒng)調(diào)制數(shù)據(jù)。而且，研究人員還需要從一個雜亂的的、噪音很大的系統(tǒng)里，利用算法把圖像給重構(gòu)出來。只有這樣，才能讓原本肉眼無法識別的模糊圖像，變成清晰圖像。
對于很多實驗都是在晚上做，這主要是因為，單光子雷達(dá)的原理是發(fā)一束光到一個目標(biāo)，然后目標(biāo)會進(jìn)行光的散射。在這種情況下，太陽光是實驗需要摒棄的，因為研究人員只需要目標(biāo)返回來的光。對于激光雷達(dá)來說，通過鏡面反射過來的陽光，就是一種光學(xué)上的噪音，即無用的光子。
當(dāng)然，系統(tǒng)調(diào)好后，在白天同樣可以實現(xiàn)主動成像，即全天候成像。本次研究的成果亮點在于，相比現(xiàn)有系統(tǒng)其提供了一個能力更強的系統(tǒng)。百公里量級的主動成像能力是傳統(tǒng)的激光雷達(dá)無法做到的。
不久的將來，這一成果在無人駕駛和衛(wèi)星探測等方面也將得到更好的應(yīng)用。這束光可能用在激光雷達(dá)上，也可能在未來間接地用于你所搜索的每一個天氣預(yù)報中。（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）作者 | 顧俊哲計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)碩士，畢業(yè)后從事網(wǎng)絡(luò)信息收集與整理工作，關(guān)注大眾科普知識，探索前沿科技。