机载单光子激光雷达系统实现高分辨率3D成像

_ 2024年5月6日

机载单光子激光雷达系统实现高分辨率3D成像

来源: 中国机器视觉网

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心的研究团队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。

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表示：“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

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。

徐飞虎教授认为：“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。”