超精確光達新技術：可在一公里外穿透煙霧偽裝捕捉3D圖像

想像一下，能夠穿透濃霧、樹葉或偽裝網，捕捉到遠處物體（甚至是人臉）的高解析度3D圖像。這正是新型單光子光達系統能夠在一公里之外做到的。透過使用比以前版本效率高兩倍的先進探測器，以及比以前版本高十倍的時間解析度，研究人員實現了令人難以置信的遠距離成像精度。

研究人員開發出一種光達系統，能夠在 1 公里以外捕捉高解析度3D圖像。這種先進的系統即使在困難的條件下，或者當物體被樹葉或偽裝部分遮擋時，也能提供詳細的成像，從而增強安防、監控和遙感功能。

「研究小組成員、英國赫瑞瓦特大學的 Aongus McCarthy 說：『我們的系統使用的單光子探測器的效率，大約是其他研究小組報告的類似光達系統中部署的探測器的兩倍，系統時間解析度至少提高了 10 倍。』這些改進使得成像系統能夠從目標收集到更多的散射光子，實現更高的空間解析度。」

在 Optica（Optica 出版集團的高影響力研究期刊）上，來自英國和美國的多機構研究小組顯示，新系統可以在 325 公尺外構建3D圖像，描繪出清晰可辨的人臉。研究人員分別來自赫瑞瓦特大學 Gerald Buller 小組、格拉斯哥大學 Robert Hadfield 小組、美國國家航空航天局噴射推進實驗室的 Matthew Shaw 研究小組和麻省理工學院的 Karl Berggren 研究小組。

新論文的第一作者麥卡錫說：「這種測量系統可以改進安防和監控系統，例如，可以透過煙霧和雜亂的場景獲取詳細的深度圖像。它還可以遠端識別各種環境中的物體，監測建築物或岩壁的移動，以評估沉降或其他潛在危險。」

研究人員設計出一種光達系統，它可以生成一定距離外物體和人臉的高解析度3D圖像。上圖顯示的是在光天化日下，從 45 公尺外拍攝的 3D 列印柱子圖像。下圖描繪的是 325 公尺外可辨認的人臉。圖片來源：赫瑞瓦特大學 Aongus McCarthy

這個系統利用雷射脈衝從系統到物體上的一個點再返回所需的時間，來計算物體的距離。然後對物體上的各點重複進行這些飛行時間測量，以獲得3D資訊。

新系統使用了一種超靈敏探測器，稱為超導奈米線單光子探測器（SNSPD），由麻省理工學院和 JPL 研究小組共同開發。 SNSPD 可以探測到單光子，這意味著可以使用功率很低的雷射器（包括護眼雷射器），在很短的時間內進行遠距離測量。為了降低噪音水平，探測器在格拉斯哥大學小組設計和製造的緊湊型低溫冷卻器系統中，冷卻到略低於 1 開爾文的溫度。

研究人員將冷卻式 SNSPD，與赫瑞瓦特大學麥卡錫設計的新型客製化單像素掃描收發器相結合，該收發器的工作波長為 1550 奈米。他們還增加了先進的計時設備，以測量極其精確的時間間隔——精確到萬億分之一秒（皮秒）。從這個角度來看，僅 1000 皮秒，光就能傳播約 300 毫米（約 1 英尺）。這種精確度使我們能夠在 325 公尺外，分辨出深度相差約 1 毫米的表面。

麥卡錫說：「這些因素都提高了在距離、雷射功率水平、數據採集時間和深度解析度之間權衡的靈活性。此外，由於 SNSPD 探測器的工作波長超過 1550 奈米，這種設計為開發中紅外單光子光達系統打開了大門，可進一步增強透過霧、煙和其他遮蔽物的成像效果。」

研究人員在赫瑞瓦特大學校園內對其光達系統進行了實地測試，分別對 45 公尺、325 公尺或 1 公里外的物體進行了測量。

為了評估空間和深度解析度，他們掃描了一個客製化的 3D 列印目標，該目標的支柱尺寸和高度各不相同。在 45 公尺和 325 公尺的日光下，該系統能分辨出小至 1 毫米的特徵——深度解析度比他們以前達到的解析度高出約 10 倍。他們還使用每像素 1 毫秒的採集時間、對眼睛安全的 3.5 毫瓦雷射器和最低限度的數據處理，在這些距離上捕捉到了人臉的3D圖像。

麥卡錫說：「該系統出色的深度解析度意味著，它特別適合對雜物（如樹葉或偽裝網）後面的物體進行成像，而這種情況對數位相機來說是很困難的。例如，它可以分辨出偽裝網後幾公分處的物體，而解析度較低的光達系統則無法分辨出該物體。」

雖然光達系統的實地試驗範圍僅限於 1 公里，但研究人員計劃在長達 10 公里的距離上對該系統進行測試，並探索透過煙霧等大氣遮蔽物成像的方法。 未來的工作還將側重於使用先進的計算方法來加速數據分析，並對更遠的場景進行成像。

編譯自/ScitechDaily