其他
成像专题 | 单光子激光雷达200+公里远距离成像 (OSA Optica)
200公里远距离单光子成像
Single-photon Imaging Over 200 km本期导读
人类对视觉感知的孜孜追求包含了如何看得更高，看得更远。近年发展迅猛的远距离主动成像能够提供探测目标的高分辨三维图像，在遥感和目标识别等领域有着广阔的应用前景。作为实现远距离主动成像的重要手段，单光子激光雷达通过用激光束照射探测目标，并测量反射光信号的飞行时间(ToF)，从而得到目标的距离信息，通过对探测物体进行二维扫描，就能得到三维的距离信息。其具有单光子级探测灵敏度和皮秒级时间分辨率。近年来，有关单光子激光雷达的研究受到广泛关注。在成像距离方面，单光子雷达的三维成像距离已被拓展至45km。然而，进一步拓展成像距离面临着巨大的挑战，因为随着成像距离的不断增加，从目标返回的信号光子数愈发稀少。另外，近端大气对激光的背向散射会带来大量的背景噪声，从而将微弱的信号淹没。简单的提高激光功率无法解决远距离条件下极低的信噪比问题。为了解决目前远距离三维成像存在的问题，来自中国科学技术大学单光子成像团队发展了三个先进成像技术，研制了一套高效率，低噪声，共轴单光子激光雷达系统，最终实现了距离达到201.5km，每个像素只有0.44个信号光子的三维主动成像。该研究工作近期发表于光学领域顶级期刊《Optica》上。
远距离三维主动成像示意图
技术路线
1 高效率的收集和探测手段
大多数单光子成像实验都需要收集并且探测到回来的光子，传统的激光雷达使用的探测器的灵敏度是受限制的，只能响应1nW量级的光强，或者说换算成光子，大概10^9个光子。对于百公里距离，目标经过漫反射后能够被收集的信号仅单光子量级，需要能够提供单光子灵敏度的单光子探测器。该研究工作研制了高灵敏度，极低噪声的InGaAs红外单光子探测器。作为单光子激光雷达的核心器件，此探测器具有19.3%的探测效率，以及0.1kHz的暗计数率。利用深度制冷技术，将探测器运行在173K的低温下，使得暗计数率相比之前系统大大降低，是此实验实现极低噪声激光雷达系统的关键之一。此外，研究人员对望远镜进行了针对1550 nm波段的镀膜，使得其透过率从原来的50%提升到了95%，提升了回波信号的收集效率。
2 噪声压制技术
百公里的远距离主动成像能够探测的信号光子非常稀少。激光雷达的背景噪声主要来源于两个方面的背向散射噪声，一是大气和本地光学器件对激光脉冲的背向散射，二是由持续不断的激光器放大自发辐射（ASE）噪声产生的背向散射。这两类噪声无法简单地用探测器门控的方法解决，针对这一问题，该研究提出了一套时间滤波技术来压制噪声。具体来说，在一个周期（T）中设置了激光发射时段（R）和探测时段（D），并在之间设置了一段时间间隔（W），使用了一个高隔离度的声光调制器配合两个模式之间的快速切换。在激光发射时段内，激光发射高频的脉冲，此时探测器处于门控关闭状态，从而隔离激光脉冲背向散射的噪声。在探测器时段内，探测器探测目标返回的信号光子，此时声光调制器处于关闭状态，从而隔离探测时段内来自激光的ASE噪声。而设置在发射和探测时段的间隔（W），能够进一步压制来自于近场大气反射产生的噪声。这种噪声压制技术可以实现仅有0.4 kHz背景计数的低噪声系统。（a） 信号控制示意图 ； （b）时间滤波噪声压制技术示意图
3 单光子成像算法
对于远距离成像的原始数据，往往只有少量的信号光子混杂着相对大量的背景噪声。研究人员近期发展了一套机器学习算法，能够实现准确的三维图像的重构恢复。通过探索时间和空间维度上的关联，所训练的神经网络可以在每个像素少于1个光子，并且信噪比为0.01的情形下恢复出目标的三维图像，并且能够很好地应用于实际实验数据，具体可参考相关研究工作 [J. Peng et al., “Photon-efficient 3D imaging with a non-local neural network,” in European Conference on Computer Vision (ECCV), 2020]。不同算法三维图像重构结果对比图
结果展示
该研究工作首先展现了系统的高精度三维成像能力，对9.8km外的塔楼和25.1 km外的轮船进行了三维成像（如下图所示）。
对9.8km外的塔楼成像结果 (a)可见光相机图 (b)(c)(d)(e)(f)算法重构结果，图像为160×160个像素，每个像素平均3.47个光子。
对距离25.1 km的邮轮进行成像的结果 (a) 可见光相机图； (b)(c)(d)(e)(f)为采用不同算法进行重构的结果，每个像素平均4个光子。
其次，为了展现系统的远距离成像能力，对124.0km外的山体进行了成像。
124.0 km外的场景成像结果（a）可见光相机图 ；(b)（c）算法重构结果
进一步，对201.5 km外的山坡进行了成像，所得图像为320×512个像素，全图数据的信噪比为0.03，每个像素的平均光子数为2.23。
对201.5 km外的场景成像的结果（a）可见光相机图 （b) (c) 算法重构结果
该系统还具备实现百公里绝对距离精确测量的能力，对162.5 km外的非合作目标进行了测距，测距精度3.5cm，测距速度可达到20Hz，每次测距平均包含4.04个信号光子。
测距信号示意图：横轴为距离，纵轴为光子计数
总而言之，该研究工作涵盖的远距离单光子成像系统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。远距离主动成像将会是学术界和产业界长期的研究热点，该成果一方面可能引领遥感监测等领域有关新式成像系统的研究，同时，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。
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.
技术详见：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.408657
*该技术分享所涉及文字及图片源于作者提供及网络公开素材,不做任何商业用途。
回顾与预告
上期回顾：成像专题 | 显微成像中深度学习实现单透镜消色差（APL Photonics）欢迎点击查阅
Contact: intelligent.optics.sharing@gmail.com
END