我国首次实现超200公里单光子三维成像

看得更远、更清楚，一直是人类的不懈追求。量子信息技术的发展加深了我们对光的理解和操控，也启发我们开展基于单光子探测的新型成像技术（Quantum inspired computational imaging）。
▏什么是光子成像光子作为光量子性的体现，是光能被检测到的最小能量单元。传统相机通过对不同位置光强的探测，实现物体成像。单光子成像的核心就是通过探测每个光子的三维时空信息(x,y,t)，结合光子的统计特性重构出物体的图像。
单光子成像雷达作为一种具有单光子级探测灵敏度和皮秒级时间分辨率的新兴激光雷达成像技术，是实现远距离光学成像的理想方案。目前，我国科研团队通过单像素单光子成像算法、近红外波段高效率单光子收集和探测、近衍射极限收发一体光学控制等核心技术，首次实现超过200公里的远距离单光子三维成像，将成像距离从十公里突破到百公里量级，为远距离目标识别、对地观测等领域应用开辟新道路。该成果近期发表于国际知名学术期刊《光学》。
▏研发历程
该团队于2019年在城市环境中首次实现45公里的单光子三维成像，突破了由英国哈利瓦特大学保持的10公里最远距离记录。在此基础上，他们通过进一步技术突破，将成像距离拓展到201.5公里，成像灵敏度达到平均每个像素0.4个信号光子。不仅如此，三维成像还能体现出空间距离。如上图，红色部分代表距离测绘点较远，蓝色部分代表距离测绘点较近。那么，我国的科研团队是如何做到这一切的呢？
首先，是利用光子的三维信息和量子统计特性，利用单光子雷达向远处目标发一束光，然后通过目标返回的光子，来测量一个三维图像。同时引入计算摄像学的最新技术，实现特殊的成像功能。例如，当入射光已经微弱至传统相机无法工作的强度时，单光子成像技术能够突破经典成像的信噪比极限，每个像素仅探测一个光子，也能够复原出物体的三维图像，从而能够提升现有遥感和侦察系统的工作距离和成像质量。又例如，对于隐藏在角落的物体，可以通过计算光子在墙面的散射和飞行过程，复原出视线外物体的三维图像，从而对隐藏的物体进行识别和跟踪，这是有望应用于安防、反恐等特殊场合的最新技术。
▏亚像素扫描技术、反卷积算法与有效的光子成像算法
如果物体离目标几十公里之远，那么激光雷达发出的光，能返回来光子非常少，这是给应用场景带来的常见阻碍之一。由于光学器件的衍射限制，随着光的传播，光束的距离越远，扩散得就会越严重。
1、亚像素扫描技术为提高分辨率和进行准确识别，即识别反射的光斑里到底有哪些内容，我国科研团队使用了亚像素扫描技术。该技术可以理解为用手电筒照出一个大光斑，为识别光斑中的内容，就需要精细地平移手电筒，由于光斑与光斑之间的平移非常小，因此叫做亚像素扫描。此外，亚像素扫描，还可进行几厘米光斑的移动，每移动一下就可以测到一些信号。多次移动后，就能探测出半米光斑中的内容。
2、反卷积算法反卷积算法的具体使用过程是，多次移动光斑后，会产生很多信号。在此基础之上，就可以设计算法，来解决远距离成像的难题。利用反卷积算法，该团队分别在白天和晚上，验证了 8.2 公里外的一个人体大小的 “模特”，当“模特” 的手做不同动作时，反卷积测法可以准确识别出上述动作。而如果没有这种方法，在成像中只有大概半米的分辨率，“模特”的任何姿态都会糊成一片，根本无法识别。
3、有效的光子计算成像算法因为200公里的目标太远，返回的光子又特别少，平均每个像素大概只有一个光子。如何用极少量光子，把一个目标的轮廓清晰地重构出来，也需要上述算法的加持。在晴朗的白天，人们通过望远镜大约可以看 10 公里左右。通过该团队的技术，即便在雾霾天气下，200 公里的成像也可以顺利进行。
上图为：201.5 km成像结果，（a）可见光相机图，（b）算法重构结果图，（c）重构结果立体视图。
▏遇到的困难
我国的科研团队研发出一款新型雷达体系——单光子成像雷达系统。将高性能单光子收集和探测技术和光子重构算法这 “一硬一软” 结合起来。该雷达系统的优势在于其灵敏度更高、体积更小，能探测的距离也更远，在同等探测距离需求下，能耗也更低。
白天成像条件有限，很多实验都得在晚上做，并且要不停地调试。科研团队经常需要耗费几周的时间，才能做出比较好的系统调制数据。而且，研究人员还需要从一个杂乱的的、噪音很大的系统里，利用算法把图像给重构出来。只有这样，才能让原本肉眼无法识别的模糊图像，变成清晰图像。
对于很多实验都是在晚上做，这主要是因为，单光子雷达的原理是发一束光到一个目标，然后目标会进行光的散射。在这种情况下，太阳光是实验需要摒弃的，因为研究人员只需要目标返回来的光。对于激光雷达来说，通过镜面反射过来的阳光，就是一种光学上的噪音，即无用的光子。
当然，系统调好后，在白天同样可以实现主动成像，即全天候成像。本次研究的成果亮点在于，相比现有系统其提供了一个能力更强的系统。百公里量级的主动成像能力是传统的激光雷达无法做到的。
不久的将来，这一成果在无人驾驶和卫星探测等方面也将得到更好的应用。这束光可能用在激光雷达上，也可能在未来间接地用于你所搜索的每一个天气预报中。（图片来源于网络）作者 | 顾俊哲计算机科学与技术硕士，毕业后从事网络信息收集与整理工作，关注大众科普知识，探索前沿科技。