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人類對視覺感知的孜孜追求包含了如何看得更高，看得更遠。近年發(fā)展迅猛的遠距離主動成像能夠提供探測目標(biāo)的高分辨三維圖像，在遙感和目標(biāo)識別等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。作為實現(xiàn)遠距離主動成像的重要手段，單光子激光雷達通過用激光束照射探測目標(biāo)，并測量反射光信號的飛行時間(ToF)，從而得到目標(biāo)的距離信息，通過對探測物體進行二維掃描，就能得到三維的距離信息。其具有單光子級探測靈敏度和皮秒級時間分辨率。

近年來，有關(guān)單光子激光雷達的研究受到廣泛關(guān)注。在成像距離方面，單光子雷達的三維成像距離已被拓展至45km。然而，進一步拓展成像距離面臨著巨大的挑戰(zhàn)，因為隨著成像距離的不斷增加，從目標(biāo)返回的信號光子數(shù)愈發(fā)稀少。另外，近端大氣對激光的背向散射會帶來大量的背景噪聲，從而將微弱的信號淹沒。簡單的提高激光功率無法解決遠距離條件下極低的信噪比問題。

為了解決目前遠距離三維成像存在的問題，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)單光子成像團隊發(fā)展了三個先進成像技術(shù)，研制了一套高效率，低噪聲，共軸單光子激光雷達系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了距離達到201.5km，每個像素只有0.44個信號光子的三維主動成像。該研究工作近期發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Optica》上。

遠距離三維主動成像示意圖

技術(shù)路線

1 高效率的收集和探測手段

大多數(shù)單光子成像實驗都需要收集并且探測到回來的光子，傳統(tǒng)的激光雷達使用的探測器的靈敏度是受限制的，只能響應(yīng)1nW量級的光強，或者說換算成光子，大概10^9個光子。對于百公里距離，目標(biāo)經(jīng)過漫反射后能夠被收集的信號僅單光子量級，需要能夠提供單光子靈敏度的單光子探測器。

該研究工作研制了高靈敏度，極低噪聲的InGaAs紅外單光子探測器。作為單光子激光雷達的核心器件，此探測器具有19.3%的探測效率，以及0.1kHz的暗計數(shù)率。利用深度制冷技術(shù)，將探測器運行在173K的低溫下，使得暗計數(shù)率相比之前系統(tǒng)大大降低，是此實驗實現(xiàn)極低噪聲激光雷達系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。此外，研究人員對望遠鏡進行了針對1550 nm波段的鍍膜，使得其透過率從原來的50%提升到了95%，提升了回波信號的收集效率。

2 噪聲壓制技術(shù)

百公里的遠距離主動成像能夠探測的信號光子非常稀少。激光雷達的背景噪聲主要來源于兩個方面的背向散射噪聲，一是大氣和本地光學(xué)器件對激光脈沖的背向散射，二是由持續(xù)不斷的激光器放大自發(fā)輻射（ASE）噪聲產(chǎn)生的背向散射。這兩類噪聲無法簡單地用探測器門控的方法解決，針對這一問題，該研究提出了一套時間濾波技術(shù)來壓制噪聲。

具體來說，在一個周期（T）中設(shè)置了激光發(fā)射時段（R）和探測時段（D），并在之間設(shè)置了一段時間間隔（W），使用了一個高隔離度的聲光調(diào)制器配合兩個模式之間的快速切換。在激光發(fā)射時段內(nèi)，激光發(fā)射高頻的脈沖，此時探測器處于門控關(guān)閉狀態(tài)，從而隔離激光脈沖背向散射的噪聲。在探測器時段內(nèi)，探測器探測目標(biāo)返回的信號光子，此時聲光調(diào)制器處于關(guān)閉狀態(tài)，從而隔離探測時段內(nèi)來自激光的ASE噪聲。而設(shè)置在發(fā)射和探測時段的間隔（W），能夠進一步壓制來自于近場大氣反射產(chǎn)生的噪聲。這種噪聲壓制技術(shù)可以實現(xiàn)僅有0.4 kHz背景計數(shù)的低噪聲系統(tǒng)。

（a） 信號控制示意圖 ；（b）時間濾波噪聲壓制技術(shù)示意圖

3 單光子成像算法

對于遠距離成像的原始數(shù)據(jù)，往往只有少量的信號光子混雜著相對大量的背景噪聲。研究人員近期發(fā)展了一套機器學(xué)習(xí)算法，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的三維圖像的重構(gòu)恢復(fù)。通過探索時間和空間維度上的關(guān)聯(lián)，所訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在每個像素少于1個光子，并且信噪比為0.01的情形下恢復(fù)出目標(biāo)的三維圖像，并且能夠很好地應(yīng)用于實際實驗數(shù)據(jù)，具體可參考相關(guān)研究工作 [J. Peng et al., “Photon-efficient 3D imaging with a non-local neural network,” in European Conference on Computer Vision (ECCV), 2020]。

不同算法三維圖像重構(gòu)結(jié)果對比圖

研究人員在實驗中測試了多種先進的計算重構(gòu)算法，對相同的遠距離成像數(shù)據(jù)進行處理并比較。并驗證了基于高效低噪的系統(tǒng)和這些先進的計算重構(gòu)算法，可以在兩百公里內(nèi)進行精確的三維成像，平均每個像素僅需不足1個信號光子。

結(jié)果展示

該研究工作首先展現(xiàn)了系統(tǒng)的高精度三維成像能力，對9.8km外的塔樓和25.1 km外的輪船進行了三維成像（如下圖所示）。

對9.8km外的塔樓成像結(jié)果 (a)可見光相機圖 (b)(c)(d)(e)(f)算法重構(gòu)結(jié)果，圖像為160×160個像素，每個像素平均3.47個光子。

對距離25.1 km的郵輪進行成像的結(jié)果 (a) 可見光相機圖； (b)(c)(d)(e)(f)為采用不同算法進行重構(gòu)的結(jié)果，每個像素平均4個光子。

其次，為了展現(xiàn)系統(tǒng)的遠距離成像能力，對124.0km外的山體進行了成像。

124.0 km外的場景成像結(jié)果（a）可見光相機圖；(b)（c）算法重構(gòu)結(jié)果

進一步，對201.5 km外的山坡進行了成像，所得圖像為320×512個像素，全圖數(shù)據(jù)的信噪比為0.03，每個像素的平均光子數(shù)為2.23。

對201.5 km外的場景成像的結(jié)果（a）可見光相機圖 （b) (c) 算法重構(gòu)結(jié)果

該系統(tǒng)還具備實現(xiàn)百公里絕對距離精確測量的能力，對162.5 km外的非合作目標(biāo)進行了測距，測距精度3.5cm，測距速度可達到20Hz，每次測距平均包含4.04個信號光子。

測距信號示意圖：橫軸為距離，縱軸為光子計數(shù)

總而言之，該研究工作涵蓋的遠距離單光子成像系統(tǒng)對于面向低功耗和高分辨率的超遠距離激光雷達研究具有里程碑式的重要意義。遠距離主動成像將會是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界長期的研究熱點，該成果一方面可能引領(lǐng)遙感監(jiān)測等領(lǐng)域有關(guān)新式成像系統(tǒng)的研究，同時，對于成像科學(xué)中的一個基本問題——終極靈敏度極限的討論有著重要的價值。

論文信息：

Zheng-Ping Li, Jun-Tian Ye, Xin Huang, Peng-Yu Jiang, Yuan Cao, Yu Hong, Chao Yu, Jun Zhang, Qiang Zhang, Cheng-Zhi Peng, Feihu Xu, and Jian-Wei Pan, 'Single-photon imaging over 200?km,' Optica 8(3), 2021.

技術(shù)詳見：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.408657

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