遠(yuǎn)距離單光子三維成像超過200公里 從十公里突破到百公里量級(jí)

看得更遠(yuǎn)、更清，是人類的不懈追求。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、徐飛虎教授等實(shí)現(xiàn)超過200公里的遠(yuǎn)距離單光子三維成像，首次將成像距離從十公里突破到百公里量級(jí)，為遠(yuǎn)距離目標(biāo)識(shí)別、對(duì)地觀測等領(lǐng)域應(yīng)用開辟了新道路。該成果近期發(fā)表于《光學(xué)》。

單光子成像雷達(dá)作為一種具有單光子級(jí)探測靈敏度和皮秒級(jí)時(shí)間分辨率的新興激光雷達(dá)成像技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光學(xué)成像的理想方案。然而，如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離單光子成像雷達(dá)，是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

潘建偉、徐飛虎團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期攻關(guān)，發(fā)展了單像素單光子成像算法、近紅外波段高效率單光子收集和探測、近衍射極限收發(fā)一體光學(xué)控制等核心技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)于2019年在城市環(huán)境中實(shí)現(xiàn)45公里的單光子三維成像，突破了由英國哈利瓦特大學(xué)保持的10公里最遠(yuǎn)距離紀(jì)錄。在此基礎(chǔ)上，他們通過進(jìn)一步技術(shù)突破，將成像距離拓展到201.5公里，成像靈敏度達(dá)到平均每個(gè)像素0.4個(gè)信號(hào)光子。

為了實(shí)現(xiàn)百公里單光子成像，該團(tuán)隊(duì)搭建全新的單光子雷達(dá)系統(tǒng)，并發(fā)展了針對(duì)遠(yuǎn)距離成像的多項(xiàng)新技術(shù)，包括原創(chuàng)的時(shí)間濾波抑制噪聲技術(shù)，自主研制的小型化高效率、低噪聲銦鎵砷紅外單光子探測器，對(duì)整套光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)鍍膜等。基于全新的單光子雷達(dá)系統(tǒng)，他們于2020年1月在新疆的高山上對(duì)百公里外的多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行三維成像，并測試了單光子計(jì)算成像算法。結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以在200公里范圍內(nèi)進(jìn)行精確的三維成像，成像靈敏度達(dá)到單像素單光子。

該成果對(duì)于面向低功耗、高分辨率等實(shí)用化需求的遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)研究具有重要應(yīng)用價(jià)值。審稿人稱贊該成果“在遠(yuǎn)距離成像上的成就令人印象深刻”，是“在遠(yuǎn)距離單光子成像中的一次壯舉”。(桂運(yùn)安)

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