机载单光子激光雷达系统实现高分辨率3D成像

研究人员开发了一种紧凑、轻便的单光子机载激光雷达系统，可以使用低功率激光获取高分辨率 3D 图像。这一进步可以使单光子激光雷达在环境监测、3D 地形测绘和物体识别等空气和太空应用中变得实用。

单光子激光雷达使用单光子探测技术来测量激光脉冲传播到物体并返回所需的时间。它对于机载应用特别有用，因为即使在茂密的植被或城市地区等具有挑战性的环境中，它也能实现高精度的地形和物体 3D 测绘。

中国科学技术大学研究小组成员徐飞虎表示：“在资源有限的无人机或卫星上使用单光子激光雷达技术需要缩小整个系统并降低能耗。”

“我们能够将最新的技术发展融入到一个系统中，与其他最先进的机载激光雷达系统相比，该系统采用最低的激光功率和最小的光学孔径，同时在检测范围和检测方面仍然保持良好的性能。成像分辨率。”

在Optica中，研究人员表明，当与亚像素扫描和新的 3D 反卷积算法结合使用时，该系统能够实现超越光衍射极限的成像分辨率。他们还展示了该系统在白天捕获小型飞机上大面积高分辨率 3D 图像的能力。

徐说：“最终，我们的工作有可能增强我们对周围世界的了解，并为所有人创造一个更加可持续和知情的未来。”

“例如，我们的系统可以部署在无人机或小型卫星上，以监测森林景观的变化，例如森林砍伐或对森林健康的其他影响。它还可以在后用于生成 3D 地形图，帮助评估影响的范围。破坏并指导救援队，有可能挽救生命。”

研究人员通过在小型飞机上使用该系统在白天捕获大面积的高分辨率 3D 图像，展示了该系统在现实世界中的能力。图片来源：徐飞虎，中国科学技术大学

缩小单光子激光雷达

新型机载单光子激光雷达系统的工作原理是从激光器向地面发送光脉冲。这些脉冲从物体上反弹，然后被称为单光子雪崩二极管 (SPAD) 阵列的非常灵敏的探测器捕获。这些探测器提高了对单光子的灵敏度，能够更有效地检测反射的激光脉冲，从而可以使用较低功率的激光器。为了减小整个系统的尺寸，研究人员使用光学孔径为 47 毫米的小型望远镜作为接收光学器件。

测量返回的单光子的飞行时间可以计算光传播到地面和返回所需的时间。然后可以使用计算成像算法根据这些信息重建地形的详细 3D 图像。

“新系统的一个关键部分是特殊的扫描镜，它可以执行连续的精细扫描，捕获地面目标的亚像素信息，”徐说。 “此外，一种新的光子高效计算算法可以从少量原始光子检测中提取子像素信息，从而能够重建超分辨率 3D 图像，尽管面临弱信号和强太阳噪声带来的挑战。”

地面和空中测试

研究人员进行了一系列测试来验证新系统的功能。飞行前的地面测试证实了该技术的有效性，并表明该系统能够在默认设置下从 1.5 公里外进行分辨率为 15 厘米的激光雷达成像。一旦实现了亚像素扫描和 3D 反卷积，研究人员就能够在相同距离处展示 6 厘米的有效分辨率。

研究人员还在中国浙江省义乌市的一架小型飞机上对该系统进行了数周的白天实验。这些实验成功地揭示了各种地形和物体的详细特征，证实了系统在现实场景中的功能和可靠性。

该团队目前正在努力提高该系统的性能和集成度，长期目标是将其安装在小型卫星等星载平台上。在商业化之前，系统的稳定性、耐用性和成本效益还需要提高。