概述

研究人员开发出了一种结构紧凑、重量轻的单光子机载激光雷达系统，可以用低功率激光获取高分辨率的 3D 图像。这一进展可使单光子激光雷达在环境监测、 3D 地形测绘和物体识别等空中和太空应用中成为现实。

单光子激光雷达使用单光子探测技术来测量激光脉冲到达物体和返回所需的时间。单光子激光雷达尤其适用于机载应用，因为即使在植被茂密或城市地区等具有挑战性的环境中，它也能高精度地绘制地形和物体的 3D 地图。

该研究团队成员，来自于中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心的徐飞虎教授说：“在资源有限的无人机或卫星上使用单光子激光雷达技术，需要缩小整个系统的体积并降低能耗。我们能够将最新的技术发展融入到系统中，与其他最先进的机载激光雷达系统相比，该系统采用了最低的激光功率和最小的光学孔径，同时在探测距离和成像分辨率方面仍然保持良好的性能。”

图 1. (a) 机载单光子激光雷达系统的总体设计。(b) 安装在陀螺稳定支架上的系统主要组件。(c) 收发器光学系统的细节。资料来源：Yu Hong, Shijie Liu等人，《Airborne single-photon LiDAR towards a small-sized and low-power payload》，《Optica》（2024）。

在《Optica》上，研究人员展示了该系统在使用亚像素扫描和新型 3D 解卷积算法时，能够达到超越光的衍射极限的成像分辨率。他们还展示了该系统在白天利用小型飞机捕捉大面积高分辨率 3D 图像的能力。

徐飞虎教授表示：“最终，我们的工作有可能增强我们对周围世界的了解，并有助于为所有人创造一个更可持续、更明智的未来。例如，我们的系统可以部署在无人机或小型卫星上，监测森林景观的变化，如森林砍伐或对森林健康的其他影响。它还可以在地震发生后用于生成 3D 地形图，帮助评估破坏程度并为救援队提供指导，从而挽救生命。”

缩小的单光子激光雷达

新型机载单光子激光雷达系统的工作原理是从激光器向地面发送光脉冲。这些脉冲从物体上反弹，然后被称为单光子雪崩二极管（SPAD）阵列的非常灵敏的探测器捕获。这些探测器提高了对单光子的灵敏度，能够更有效地探测反射的激光脉冲，从而可以使用较低功率的激光。为了缩小整个系统的尺寸，研究人员使用了光学孔径为 47 mm 的小型望远镜作为接收光学器件。

通过测量返回的单光子的飞行时间，可以计算出光线到达地面和返回所需的时间。然后就可以利用计算成像算法从这些信息中重建详细的地形 3D 图像。

徐飞虎教授说：“新系统的一个关键部分是特殊的扫描反射镜，它可以进行连续的精细扫描，捕捉地面目标的亚像素信息。此外，新的光子高效计算算法还能从少量原始光子检测中提取这种亚像素信息，从而克服弱信号和强太阳噪声带来的挑战，重建超分辨率 3D 图像。”

图 2. 机载单光子激光雷达系统中的亚像素精细扫描。扫描反射镜可以补偿飞机的运动，并在数据采集过程中产生一个像素的 FoV 偏移。资料来源：Yu Hong, Shijie Liu等人，《Airborne single-photon LiDAR towards a small-sized and low-power payload》，《Optica》（2024）。

地面和空中测试

研究人员进行了一系列测试，以验证新系统的能力。飞行前的地面测试证实了该技术的有效性，并表明该系统能够在默认设置下从 1.5 km 外以 15 cm 的分辨率进行激光雷达成像。一旦采用了亚像素扫描和 3D 解卷积技术，研究人员就能在同样的距离上显示出 6 cm 的有效分辨率。

研究人员还在义乌市的一架小型飞机上使用该系统进行了为期数周的日间实验。这些实验成功揭示了各种地貌和物体的详细特征，证实了该系统在真实世界场景中的功能性和可靠性。

图 3.  230m×470m 区域的 3D 成像结果示例区域。颜色表示高度，副图和主图使用了不同的颜色映射。资料来源：Yu Hong, Shijie Liu等人，《Airborne single-photon LiDAR towards a small-sized and low-power payload》，《Optica》（2024）。

研究小组目前正在努力提高该系统的性能和集成度，长期目标是将其安装在小型卫星等星载平台上。在实现商业化之前，该系统的稳定性、耐用性和成本效益也需要改进。

参考文献：Yu Hong, Shijie Liu等人，《Airborne single-photon LiDAR towards a small-sized and low-power payload》，《Optica》（2024）。