中科大實現200公里單光子三維成像 應用前景遼闊

2021-03-25 15:10:49 最後更新日期:2021-03-25 18:15:14
五郎

評論員,關注戰略問題、軍事歷史、軍事裝備。

螢幕截圖 2021 03 25 下午5.36.50研究組在《光學》期刊發表的關於此次200公里遠距離單光子三維成像實驗的示意圖。圖中小圖 (a) 為此次實驗的被觀測點,小圖 (d) 為臨時實驗室的位置,兩者距離201.5公里。小圖 (b) 為實驗裝置的示意圖、(c)為實驗裝置外觀。

據內地《科技日報》24日報道,中國科學技術大學潘建偉、徐飛虎研究組,早前實現超過200公里的遠距離單光子三維成像,首次將成像距離從十公里突破到百公里量級,為遠距離目標識別、對地觀測等領域的應用開辟了新道路。成果日前發表在國際學術期刊《光學》上。

報道指,潘建偉、徐飛虎研究組經過長期的成像算法和光學技術攻關,發展了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、近衍射極限收發一體光學控制等核心技術。研究團隊於 2019 年在城市環境中實現了距離達 45 公里的單光子三維成像,突破了由英國哈利瓦特大學保持的最遠距離10 公里的紀錄。在此基礎上,研究團隊通過進一步技術突破,將成像距離增加到 201.5 公里,成像靈敏度達到平均每個像素 0.4 個信號光子。

為了實現百公里單光子成像,研究團隊搭建了全新的單光子雷達系統,並發展了針對遠距離成像的多項新技術,包括原創的時間濾波抑制噪聲技術,信噪比提高達50倍;自主研製的小型化高效率、低噪聲銦鎵砷紅外單光子探測器;以及對整套光學系統進行光學鍍膜等。

基於此單光子雷達系統,研究人員於2020年1月在新疆的高山上對百公里外的多個目標進行三維成像,並測試了單光子計算成像算法。結果顯示,該系統可以在200公里範圍內進行精確的三維成像,成像靈敏度達到單像素單光子。

立體成像激光雷達

報道中所謂的「單光子三維成像」,其實就是可以同時測距及立體成像的激光雷達。報道稱,單光子成像雷達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成像技術,是實現遠距離光學成像的理想方案。然而,隨著成像距離的增加,從目標返回的信號光子急劇減少;大氣擾動和散射、太陽背景、單光子探測器的暗電流等方面會帶來大量的背景噪聲;簡單地提高激光功率無法解決遠距離條件下信噪比極低的問題,因此,實現遠距離成像雷達面臨著巨大挑戰。

該研究工作對於低功耗、高分辨率等實用化需求的遠距離激光雷達研究具有重要應用價值。據研究團隊發表在《光學》期刊的論文稱,研究團隊製造的單光子激光雷達系統主要使用在室溫下運行的商用現貨設備,其中的光源是標準光纖激光器,而探測器則是緊湊的低噪聲砷化鎵/磷化銦單光子雪崩偵測器(InGaAs / InP SPAD)。該收發器系統包括一個商業卡塞格林(反射式)望遠鏡,該望遠鏡具有280 mm的適中望遠鏡孔徑,以及一個定制的集成光學平台。

新研究成果的使用前景

其實立體成像激光雷達技術早已經實用化,單光子激光雷達也已安裝在美國的探測衛星、高空機載平台上使用,用以觀測或測量地球表面,成像精度達到厘米級。不過,由於在地球大氣層中能做成大氣擾動和散射的區域主要發生在距地面100公里以內,從高空或外太空環境使用激光雷達,光子需要穿透的大氣層距離較短。

從研究組發表到《光學》期刊的描述來研判,測試地點在新疆烏魯木齊附近,在位於鄯善海拔1770米的觀測點向西發射單光子激光,到達201.5公里外海拔4562米的天格爾峰,全程處於大氣層對流層內,而且所使用的單光子激光功率只有60瓦,這個研究成果對於立體成像激光雷達的實用化進程邁出重要一步。

研究組指,他們開發的系統採用緊湊型設計,只配備低功率激光器和現成的商用組件,實驗證明了他們已經提出了一種單光子激光探測在稠密大氣層中有效降噪的解決方案以及高效算法。所開發的技術未來還適用於其他波長,包括有透水能力的 532 nm 波長。而通過採用大功率激光和高效SPAD陣列,多光束單光子激光雷達也可以用於無需掃描的快速成像。

可以想像,此一技術實用化後,可增強安裝在近地軌道或微型衛星上的低功率單光子激光雷達的效能,作為對傳統成像(電磁波、紅外、可見光)方法以外的補充,用於高分辨率主動成像和遠距離傳感。

 

發佈於 科學新知
By 2021-03-25

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