中国科大实现 200 公里单光子三维成像

据中国科学技术大学网站，中国科学技术大学教授潘建伟、徐飞虎等实现超过 200 公里的远距离单光子三维成像，首次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、对地观测等领域的应用开辟了新道路。该成果于近期发表在国际学术知名期刊《Optica》上。

据介绍，潘建伟、徐飞虎研究组经过长期的成像算法和光学技术攻关，发展了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。研究团队于 2019 年在城市环境中实现了距离达 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最远距离纪录（10 公里）。

在此基础上，研究团队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。为了实现百公里单光子成像，研究团队搭建了全新的单光子雷达系统（图 1），并发展了针对远距离成像的多项新技术，包括原创的时间滤波抑制噪声技术（提高信噪比达 50 倍），自主研制的小型化高效率、低噪声铟镓砷红外单光子探测器（探测效率 19.3%，暗计数 0.1kHz），对整套光学系统进行光学镀膜（系统透过率提高 2 倍）等。

▲ 图 1：单光子成像实验装置图：(a)201.5 km 外目标的可见光相机图，(b)光学系统示意图，(c)实验装置实物，(d)实验场地图 | 图源：中国科学技术大学网站

IT之家了解到，基于此单光子雷达系统，研究人员于 2020 年 1 月在新疆的高山上对百公里外的多个目标进行三维成像（图 2），并测试了单光子计算成像算法；结果显示该系统可以在 200 公里范围内进行精确的三维成像，成像灵敏度达到单像素单光子。

▲ 图 2：201.5 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。

据悉，该研究工作对于面向低功耗、高分辨率等实用化需求的远距离激光雷达研究具有重要应用价值。