想象一下，即使隔着浓雾、树叶或伪装网，也能捕捉到远处物体（甚至人脸）的高清三维图像。这正是新型单光子激光雷达系统能够做到的事情，其探测距离可达1公里。

研究人员使用了一种效率是之前版本两倍的高级探测器，以及一种时间分辨率高出十倍的探测器，从而在远程成像方面实现了不可思议的精确度。

研究人员开发了一种单光子飞行时间激光雷达系统，该系统能够从最远1公里外捕获高分辨率的3D图像。即使在条件困难或物体被树叶或伪装部分遮挡的情况下，该先进系统也能提供详细的成像，从而增强安全性、监测能力和遥感能力。

“我们的系统采用的单光子探测器效率大约是其他研究小组报告的同类激光雷达系统中探测器的两倍，并且系统的时间分辨率至少提高了10倍，”来自英国赫瑞瓦特大学的研究团队成员昂格斯·麦卡锡表示。“这些改进使成像系统能够从目标中收集到更多散射光子，从而实现更高的空间分辨率。”

在数百米外捕捉人脸

在Optica Publishing Group的高影响力研究期刊《Optica》上，一个由来自英国和美国的多机构研究人员组成的团队表明，该新系统可以构建一幅3D图像，呈现出325米外清晰可辨的人脸。研究人员分别来自赫瑞瓦特大学杰拉尔德·布勒的团队、格拉斯哥大学罗伯特·哈德菲尔德的团队、美国国家航空航天局喷气推进实验室马修·肖的团队以及麻省理工学院卡尔·伯格伦的团队。

“这种测量系统可以提高安全和监控系统的性能，例如，能够穿透烟雾或雾霾拍摄杂乱场景的详细深度图像，”新论文的第一作者麦卡锡说道，“它还能实现不同环境中物体的远程识别，监测建筑物或岩面的运动情况，以评估沉降或其他潜在危险。”

基于光的测距

单光子飞行时间深度成像系统利用激光脉冲从系统发射到物体上某点再反射回来的时间计算与物体的距离。然后，对物体上的各个点重复进行这些飞行时间测量，以获得三维信息。

新系统采用了一种超灵敏探测器，即麻省理工学院和喷气推进实验室研究团队研发的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。SNSPD能够探测到单个光子，这意味着包括人眼安全激光器在内的极低功率激光器，都可用于在极短时间内进行远距离测量。为了降低噪声水平，格拉斯哥大学团队设计并建造了一个紧凑型低温冷却器系统，将探测器冷却到略低于1开尔文的温度。

精确度和性能提升

研究人员将冷却后的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）与麦卡锡在赫瑞瓦特大学设计的新型定制单像素扫描收发器相结合，该收发器可在1550纳米波长下运行。他们还增加了先进的计时设备，以测量极精确的时间间隔，精确到十亿分之一秒（皮秒）。为了更直观地理解，在仅1000皮秒的时间内，光可以传播约300毫米（约1英尺）。这种精确度能够区分325米外深度相差约1毫米的表面。

麦卡锡（McCarthy）说：“这些因素都在远距离探测、激光功率水平、数据采集时间和深度分辨率之间的权衡中提高了灵活性。此外，由于超导纳米线单光子探测器可以在长于1550纳米的波长下运行，因此该设计为开发中红外单光子激光雷达系统开辟了道路，该系统可以进一步增强雾、烟和其他遮蔽物的成像效果。”

远距离物体的三维测量

研究人员通过在距物体45米、325米或1千米的位置进行测量，在赫瑞瓦特大学校园内对他们的激光雷达系统进行了现场测试。

为了评估其空间和深度分辨率，他们扫描了一个定制的3D打印目标，该目标具有不同大小和高度的立柱。该系统在45米和325米处的日光下能分辨出小至1毫米的特征，深度分辨率比之前提高了大约10倍。他们还使用1毫秒/像素的采集时间、对人眼安全的3.5毫瓦激光以及最少的数据处理，在这些距离上捕获了一张人脸的3D图像。

看透树叶和伪装

麦卡锡表示：“该系统具有出色的深度分辨率，非常适合对杂乱物体（如树叶或伪装网）后面的物体进行成像，而这对于数码相机而言将非常困难。例如，它能够辨别出伪装网后几厘米处的物体，而分辨率较差的系统则无法做到这一点。”

虽然激光雷达系统的现场试验仅限于1公里范围内，但研究人员计划测试系统在最多10公里距离上的表现，并探索通过烟雾等大气遮蔽物进行成像。未来的工作还将侧重于利用先进的计算方法加速数据分析，从而实现更远距离场景的成像。

参考文献：罗伯特·H·哈德菲尔德、德米特里·V·莫罗佐夫、马修·D·肖、安德鲁·D·拜尔、朱迪、杰拉尔德·S·布拉勒、豪尔赫·加西亚-阿门塔、马尔科·科兰杰洛、昂格斯·麦卡锡、瑞安·M·布里格斯、布鲁斯·邦布尔、格雷戈尔·G·泰勒、杰森·P·奥尔马拉斯、鲍里斯·科尔日、卡尔·K·伯格伦，《配备超低时序抖动超导纳米线单光子探测器的高分辨率远程深度成像激光雷达》，2025年2月19日，发表于《Optica》期刊。DOI：10.1364/OPTICA.544877