Optica | 200公里单光子三维成像

论文导读

      单光子成像技术具有超高灵敏度和皮秒时间分辨率，在弱光信号感知与探测、远距离三维成像和传感、极限环境成像等方面具有重要科学意义和广泛的应用价值与前景。中国科学技术大学教授潘建伟、徐飞虎等近期发展了多项单光子成像算法和技术，实现了超过200公里的远距离单光子三维成像，首次将成像距离突破到了百公里量级，该成果于近期发表在国际学术知名期刊Optica上，题为:“Single-photon imaging over 200 km”[Optica 8(3), 344, 2021]，同时被Nature杂志以“Device sketches objects 200 kilometres away, one photon at a time”为题进行了专题报道。这项工作为远距离、低功耗、高分辨的单光子激光成像和探测研究奠定了基础。

研究背景

      近年来，单光子探测技术被应用至激光雷达领域，形成了一类新式雷达——单光子雷达。此类雷达具有单光子级的探测灵敏度和皮秒级的时间精度，极大地提升了激光雷达的探测能力和距离分辨能力。单光子雷达技术已成为了国际上众多科研单位及企业的研究热点。单光子雷达利用脉冲激光束照射探测目标，并利用单光子探测器测量反射光信号的飞行时间（TOF）得到目标的距离信息；进一步通过对探测物体进行二维扫描，得到物体的三维轮廓信息。单光子雷达领域的一个研究焦点是如何拓展成像距离。随着成像距离的拓展，从目标返回的信号光子急剧减少，造成信噪比的急剧下降；并且，大气扰动和散射、太阳背景、单光子探测器的暗计数等方面会带来大量的背景噪声，简单地提高激光功率无法解决远距离条件下信噪比极低的问题。因此，实现远距离单光子成像雷达面临着巨大挑战。

技术突破

      潘建伟、徐飞虎领导的单光子成像研究团队经过长期科研攻关，在光学技术、单光子探测技术和成像算法等方面取得了突破。在光学探测技术方面，研究团队发展了超分辨单光子成像技术，并对8公里外的人体姿态识别[Optics Express 28(3), 4076, 2020]；同时发展了高效率低噪声的光学收集与探测技术，实现了1.4公里外的非视域成像和探测[PNAS 118(10), e2024468118, 2021]。在算法方面，研究团队自主提出了基于深度学习的单光子重构算法[ECCV, 225, 2020]，其算法性能处于国际领先水平。基于上述技术和算法的研究，研究团队在城市环境中实现了距离达45公里的单光子三维成像[Photonics Research 8(9), 1532, 2020]，打破了由英国赫瑞瓦特大学保持的单光子成像距离纪录（10公里），此研究成果入选“2020年中国光学十大进展”。

      在前期的技术基础上，研究团队通过进一步技术突破，将成像距离拓展到201.5公里，成像灵敏度达到平均每个像素0.4个信号光子。为实现百公里单光子成像，研究团队搭建了全新的单光子雷达系统（图1），并发展了针对远距离成像的多项新技术。

      首先，团队研制了高灵敏度，极低噪声的小型化InGaAs红外单光子探测器， 此探测器具有19.3%的探测效率，以及0.1KHz的暗计数率；其次，团队对整套光学系统进行了光学镀膜，使得其在1550nm波段的透过率提高了2倍，提升了回波信号的收集效率；同时，团队发展了一套时间滤波技术来有效地压制噪声——通过在激光发射周期和探测周期之间设置一段时间间隔，并使用一个高隔离度的声光调制器在两个周期间进行切换，从而隔离激光脉冲背向散射的噪声和探测周期内来自激光的ASE噪声。有了上述新技术的支撑，团队搭建了一套适用于百公里量级的远距离单光子成像雷达，相较于前期45km系统，新系统的信噪比提升了50倍。

      基于此单光子雷达系统，研究人员开展了多种不同目标的成像测试。其中，为测试该系统的高分辨成像能力，团队对25.1 km外的一艘邮轮进行了成像，并测试了多种单光子计算成像算法的表现。

      其后，研究团队于2020年1月在新疆进行百公里单光子成像实验，对百公里外的多个目标进行了三维成像。结果显示该系统可以在200公里范围内进行精确的三维成像，成像灵敏度达到每像素0.4个信号光子。

结论

      在该项工作中，为了解决目前远距离单光子三维成像存在的问题，团队发展了一系列先进技术，研制了一套高效率，低噪声，共轴的单光子雷达系统，突破了远距离条件下信号衰减和大气散射噪声等对成像距离的限制，并通过利用少光子三维成像算法，最终实现了距离达到201.5 km，每个像素仅需0.44个信号光子的三维主动成像。

      研究团队所进行的远距离单光子成像研究对于面向低功耗和高分辨率的超远距离激光雷达研究具有里程碑式的重要意义，或将引领遥感监测等领域有关新式成像系统的研究，同时，该研究对于成像科学中的一个基本问题——终极灵敏度极限的讨论有着重要的价值。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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