近日，科研人員在激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，成功研發(fā)出一種新型單光子飛行時(shí)間激光雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行高分辨率三維成像的能力，其應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了安全監(jiān)控、遙感探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。
據(jù)參與研究的英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)團(tuán)隊(duì)成員Aongus McCarthy介紹，他們所采用的單光子探測(cè)器效率顯著優(yōu)于同類系統(tǒng)，幾乎是其他研究小組所用探測(cè)器的兩倍。同時(shí)，該系統(tǒng)的時(shí)間分辨率也實(shí)現(xiàn)了大幅提升，至少提高了10倍。這些技術(shù)上的改進(jìn)使得新系統(tǒng)能夠從目標(biāo)物體上收集到更多的散射光子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率。
在《Optica》雜志上，由英國(guó)和美國(guó)多家機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合研究小組展示了該系統(tǒng)在325米外成功構(gòu)建出清晰可辨的人臉三維圖像。這一成果不僅驗(yàn)證了系統(tǒng)的先進(jìn)性，也為其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
該系統(tǒng)基于光的測(cè)距原理，通過(guò)測(cè)量激光脈沖從系統(tǒng)發(fā)射到物體上某一點(diǎn)再返回所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算物體的距離。隨后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)物體上的各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，以獲取完整的三維信息。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員采用了由麻省理工學(xué)院和NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）。這種探測(cè)器能夠檢測(cè)到單個(gè)光子，從而允許使用極低功率的激光進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)量，同時(shí)確保激光對(duì)人眼的安全性。
為了降低噪聲水平并提高探測(cè)器的靈敏度，研究團(tuán)隊(duì)將其冷卻至接近絕對(duì)零度的溫度。這一任務(wù)由格拉斯哥大學(xué)小組設(shè)計(jì)和建造的緊湊型低溫冷卻系統(tǒng)完成。研究人員還將冷卻后的SNSPD與赫瑞瓦特大學(xué)McCarthy設(shè)計(jì)的新型單像素掃描收發(fā)器相結(jié)合，該收發(fā)器工作在1550納米波長(zhǎng)。同時(shí)，他們還引入了先進(jìn)的定時(shí)設(shè)備，以測(cè)量精確到萬(wàn)億分之一秒（皮秒）的時(shí)間間隔。
據(jù)McCarthy介紹，這些技術(shù)因素在距離、激光功率水平、數(shù)據(jù)采集時(shí)間和深度分辨率之間提供了更大的靈活性。他進(jìn)一步指出，由于SNSPD探測(cè)器可以在1550納米以上的波長(zhǎng)工作，這一設(shè)計(jì)為開發(fā)中紅外單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)開辟了新途徑，有望進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)在霧、煙霧等遮蔽物中的成像能力。
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，研究人員在赫瑞瓦特大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。他們分別測(cè)量了45米、325米和1公里外的物體，并成功解析了小至1毫米的特征。在白天條件下，系統(tǒng)在45米和325米處展現(xiàn)出了卓越的深度分辨率，比他們之前實(shí)現(xiàn)的提高了約10倍。他們還使用對(duì)人眼安全的3.5毫瓦激光和每像素1毫秒的采集時(shí)間，在這些距離上成功捕獲了人臉的三維圖像。
盡管目前的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)范圍限制在1公里內(nèi)，但研究人員對(duì)未來(lái)充滿信心。他們計(jì)劃將測(cè)試距離擴(kuò)展至10公里，并探索系統(tǒng)在煙霧、霧霾等大氣遮蔽物中的成像能力。研究團(tuán)隊(duì)還將致力于利用先進(jìn)的計(jì)算方法加速數(shù)據(jù)分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)更遠(yuǎn)場(chǎng)景的快速成像。
