超精準雷射雷達：一公里外穿透煙霧與偽裝成像

想像一下，能夠透過濃霧、樹葉，甚至是偽裝網，捕捉到遠方物體（甚至是人臉）的高解析度 3D 影像，這正是全新單光子雷射雷達系統（LiDAR）在一公里外就能做到的事。

研究人員運用了比先前版本效能高出兩倍的先進探測器，以及精準度提升十倍的時間解析技術，在遠距成像方面實現了令人難以置信的精準度。

英國和美國多所機構的研究團隊，在光學領域高影響力期刊《Optica》上發表成果，展示了新系統能從 325 公尺外構建出清晰可辨的人臉 3D 影像。參與研究的團隊來自赫瑞瓦特大學（Heriot - Watt University）傑拉德・布勒（Gerald Buller）小組、格拉斯哥大學（University of Glasgow）羅伯特・哈德菲爾德（Robert Hadfield）小組、美國國家航空暨太空總署（NASA）噴射推進實驗室（JPL）馬修・肖（Matthew Shaw）小組，以及麻省理工學院（MIT）卡爾・伯格倫（Karl Berggren）小組。

赫瑞瓦特大學的研究團隊成員奧古斯・麥卡錫（Aongus McCarthy）表示：「我們的系統使用的單光子探測器，效能比其他研究團隊在類似雷射雷達系統中所使用的探測器高出約兩倍，且系統時間解析度至少好上 10 倍。」這些改進讓成像系統能夠從目標物收集更多散射光子，從而達到更高的空間解析度。

這類測量系統有望提升安全與監控系統的效能。麥卡錫指出，它可以穿透煙霧或濃霧，獲取複雜場景的詳細深度影像，還能在各種環境中遠端識別物體，以及監測建築物或巖壁的移動，以評估下陷或其他潛在危險。

單光子飛行時間深度成像系統，是利用雷射脈衝從系統發射到物體上某一點，再反射回來所需的時間，來計算與物體之間的距離。透過對物體上各點重複進行飛行時間測量，就能獲得 3D 資訊。

新系統採用了由麻省理工學院和噴射推進實驗室研究團隊開發的超靈敏探測器——超導奈米線單光子探測器（SNSPD）。這種探測器能夠檢測到單個光子，這意味著可以使用低功率雷射（包括對眼睛安全的雷射），在短時間內進行長距離測量。為了降低噪音，格拉斯哥大學團隊設計並製造了一個小型低溫冷卻系統，將探測器冷卻至略低於 1 開爾文的溫度。

研究人員將冷卻後的 SNSPD 與赫瑞瓦特大學麥卡錫設計的新型單畫素掃描收發器相結合，該收發器工作波長為 1550 奈米。他們還新增了先進的定時裝置，能夠測量極其精準的時間間隔，精確度可達萬億分之一秒（皮秒）。作為參考，在 1000 皮秒內，光可以傳播約 300 毫米（約 1 英尺）。這種精準度使得系統能夠在 325 公尺外分辨出深度相差約 1 毫米的表面。

麥卡錫表示，這些因素在測量距離、雷射功率、資料採集時間和深度解析度之間的權衡上提供了更大的靈活性。此外，由於 SNSPD 探測器可以在波長超過 1550 奈米的情況下執行，這一設計為開發中紅外單光子雷射雷達系統開闢了道路，有望進一步提升透過煙霧和其他遮蔽物的成像能力。

研究人員在赫瑞瓦特大學校園內對雷射雷達系統進行了實地測試，對 45 公尺、325 公尺和 1 公里外的物體進行了測量。為了評估空間和深度解析度，他們掃描了一個定製的 3D 列印目標物，該目標物具有不同大小和高度的柱子。系統在 45 公尺和 325 公尺的日光條件下，能夠分辨出小至 1 毫米的特徵，深度解析度比之前的成果提高了約 10 倍。他們還使用每畫素 1 毫秒的採集時間、對眼睛安全的 3.5 毫瓦雷射，以及最少的資料處理，在這些距離上捕捉到了人臉的 3D 影像。

麥卡錫指出，該系統出色的深度解析度使其特別適用於對被雜物（如樹葉或偽裝網）遮蔽的物體進行成像，而這對於數位相機來說是難以做到的。例如，它能夠分辨出位於偽裝網後幾公分處的物體，而解析度較差的系統則無法做到。

雖然目前雷射雷達系統的實地測試範圍僅限於 1 公里，但研究人員計劃在長達 10 公里的距離上測試該系統，並探索透過煙霧和濃霧等大氣遮蔽物進行成像的能力。未來的研究還將集中於利用先進的計算方法加速資料分析，以實現對更遠場景的成像。

參考文獻：High - resolution long - distance depth imaging LiDAR with ultra - low timing jitter superconducting nanowire single - photon detectors by Robert H. Hadfield, Dmitry V. Morozov, Matthew D. Shaw, Andrew D. Beyer, Di Zhu, Gerald S. Buller, Jorge Garcia - Armenta, Marco Colangelo, Aongus McCarthy, Ryan M. Briggs, Bruce Bumble, Gregor G. Taylor, Jason P. Allmaras, Boris Korzh and Karl K. Berggren, 19 February 2025, Optica. DOI: 10.1364/OPTICA.544877