机载单光子激光雷达系统实现高分辨率三维成像

发布时间：2024-05-24 16:33:32 栏目：精选知识

导读 研究人员开发出一种紧凑轻便的单光子机载激光雷达系统，该系统可以用低功率激光获取高分辨率 3D 图像。这一进展可能使单光子激光雷达在环...

研究人员开发出一种紧凑轻便的单光子机载激光雷达系统，该系统可以用低功率激光获取高分辨率 3D 图像。这一进展可能使单光子激光雷达在环境监测、3D 地形测绘和物体识别等航空航天应用中变得实用。



单光子激光雷达使用单光子探测技术来测量激光脉冲往返物体所需的时间。它特别适用于机载应用，因为它即使在茂密的植被或城市地区等具有挑战性的环境中也能对地形和物体进行高精度的三维测绘。

“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并降低其能耗，”中国科学技术大学研究团队成员徐飞虎表示。“我们能够将最新的技术发展融入到一个系统中，与其他最先进的机载激光雷达系统相比，该系统采用最低的激光功率和最小的光学孔径，同时仍保持良好的探测范围和成像分辨率性能。”

在Optica Publishing Group旗下高影响力研究期刊《Optica》上，研究人员展示了该系统在与亚像素扫描和新的 3D 反卷积算法结合使用时能够实现超越光衍射极限的成像分辨率。他们还展示了该系统能够在白天在小型飞机上捕捉大面积高分辨率 3D 图像的能力。

“最终，我们的工作有可能增进我们对周围世界的了解，并为所有人创造一个更加可持续和知情的未来，”徐说。“例如，我们的系统可以部署在无人机或小型卫星上，以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。它还可以在后用于生成 3D 地形图，帮助评估损坏程度并引导救援队，从而挽救生命。”

缩小单光子激光雷达

新型机载单光子激光雷达系统的工作原理是将激光脉冲发射到地面。这些脉冲从物体上反射回来，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。这些探测器对单光子的灵敏度更高，可以更有效地检测反射的激光脉冲，从而可以使用功率较低的激光器。为了减小整个系统的尺寸，研究人员使用光学孔径为 47 毫米的小型望远镜作为接收光学系统。

通过测量返回的单个光子的飞行时间，可以计算出光子往返地面所需的时间。然后，可以使用计算成像算法根据这些信息重建地形的详细 3D 图像。

“新系统的一个关键部分是特殊的扫描镜，它可以进行连续精细扫描，捕捉地面目标的亚像素信息，”徐说。“此外，一种新的光子高效计算算法可以从少量原始光子探测中提取这些亚像素信息，尽管信号弱、太阳噪声强，但仍能重建超分辨率三维图像。”

地面和空中测试

研究人员进行了一系列测试来验证新系统的功能。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 公里外以 15 厘米的分辨率进行激光雷达成像。一旦他们实施亚像素扫描和 3D 反卷积，研究人员就能够从相同的距离展示 6 厘米的有效分辨率。

研究人员还在中国浙江省义乌市的一架小型飞机上对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形和物体的详细特征，证实了该系统在现实场景中的功能性和可靠性。

目前，该团队正致力于提升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太空平台上。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提高。