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看得更遠(yuǎn)、更清楚，一直是人類的不懈追求。量子信息技術(shù)的發(fā)展加深了我們對(duì)光的理解和操控，也啟發(fā)我們開展基于單光子探測(cè)的新型成像技術(shù)（Quantum inspired computational imaging）。▏什么是光子成像光子作為光量子性的體現(xiàn)，是光能被檢測(cè)到的最小能量單元。傳統(tǒng)相機(jī)通過對(duì)不同位置光強(qiáng)的探測(cè)，實(shí)現(xiàn)物體成像。單光子成像的核心就是通過探測(cè)每個(gè)光子的三維時(shí)空信息(x,y,t)，結(jié)合光子的統(tǒng)計(jì)特性重構(gòu)出物體的圖像。單光子成像雷達(dá)作為一種具有單光子級(jí)探測(cè)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。目前，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)通過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(cè)、近衍射極限收發(fā)一體光學(xué)控制等核心技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)超過200公里的遠(yuǎn)距離單光子三維成像，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(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用開辟新道路。該成果近期發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)》。▏研發(fā)歷程該團(tuán)隊(duì)于2019年在城市環(huán)境中首次實(shí)現(xiàn)45公里的單光子三維成像，突破了由英國(guó)哈利瓦特大學(xué)保持的10公里最遠(yuǎn)距離記錄。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。不僅如此，三維成像還能體現(xiàn)出空間距離。如上圖，紅色部分代表距離測(cè)繪點(diǎn)較遠(yuǎn)，藍(lán)色部分代表距離測(cè)繪點(diǎn)較近。那么，我國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)是如何做到這一切的呢？首先，是利用光子的三維信息和量子統(tǒng)計(jì)特性，利用單光子雷達(dá)向遠(yuǎn)處目標(biāo)發(fā)一束光，然后通過目標(biāo)返回的光子，來測(cè)量一個(gè)三維圖像。同時(shí)引入計(jì)算攝像學(xué)的最新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特殊的成像功能。例如，當(dāng)入射光已經(jīng)微弱至傳統(tǒng)相機(jī)無法工作的強(qiáng)度時(shí)，單光子成像技術(shù)能夠突破經(jīng)典成像的信噪比極限，每個(gè)像素僅探測(cè)一個(gè)光子，也能夠復(fù)原出物體的三維圖像，從而能夠提升現(xiàn)有遙感和偵察系統(tǒng)的工作距離和成像質(zhì)量。又例如，對(duì)于隱藏在角落的物體，可以通過計(jì)算光子在墻面的散射和飛行過程，復(fù)原出視線外物體的三維圖像，從而對(duì)隱藏的物體進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，這是有望應(yīng)用于安防、反恐等特殊場(chǎng)合的最新技術(shù)。▏亞像素掃描技術(shù)、反卷積算法與有效的光子成像算法如果物體離目標(biāo)幾十公里之遠(yuǎn)，那么激光雷達(dá)發(fā)出的光，能返回來光子非常少，這是給應(yīng)用場(chǎng)景帶來的常見阻礙之一。由于光學(xué)器件的衍射限制，隨著光的傳播，光束的距離越遠(yuǎn)，擴(kuò)散得就會(huì)越嚴(yán)重。1、亞像素掃描技術(shù)為提高分辨率和進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，即識(shí)別反射的光斑里到底有哪些內(nèi)容，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)使用了亞像素掃描技術(shù)。該技術(shù)可以理解為用手電筒照出一個(gè)大光斑，為識(shí)別光斑中的內(nèi)容，就需要精細(xì)地平移手電筒，由于光斑與光斑之間的平移非常小，因此叫做亞像素掃描。此外，亞像素掃描，還可進(jìn)行幾厘米光斑的移動(dòng)，每移動(dòng)一下就可以測(cè)到一些信號(hào)。多次移動(dòng)后，就能探測(cè)出半米光斑中的內(nèi)容。2、反卷積算法反卷積算法的具體使用過程是，多次移動(dòng)光斑后，會(huì)產(chǎn)生很多信號(hào)。在此基礎(chǔ)之上，就可以設(shè)計(jì)算法，來解決遠(yuǎn)距離成像的難題。利用反卷積算法，該團(tuán)隊(duì)分別在白天和晚上，驗(yàn)證了 8.2 公里外的一個(gè)人體大小的 “模特”，當(dāng)“模特” 的手做不同動(dòng)作時(shí)，反卷積測(cè)法可以準(zhǔn)確識(shí)別出上述動(dòng)作。而如果沒有這種方法，在成像中只有大概半米的分辨率，“模特”的任何姿態(tài)都會(huì)糊成一片，根本無法識(shí)別。3、有效的光子計(jì)算成像算法因?yàn)?00公里的目標(biāo)太遠(yuǎn)，返回的光子又特別少，平均每個(gè)像素大概只有一個(gè)光子。如何用極少量光子，把一個(gè)目標(biāo)的輪廓清晰地重構(gòu)出來，也需要上述算法的加持。在晴朗的白天，人們通過望遠(yuǎn)鏡大約可以看 10 公里左右。通過該團(tuán)隊(duì)的技術(shù)，即便在霧霾天氣下，200 公里的成像也可以順利進(jìn)行。上圖為：201.5 km成像結(jié)果，（a）可見光相機(jī)圖，（b）算法重構(gòu)結(jié)果圖，（c）重構(gòu)結(jié)果立體視圖。▏遇到的困難我國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款新型雷達(dá)體系——單光子成像雷達(dá)系統(tǒng)。將高性能單光子收集和探測(cè)技術(shù)和光子重構(gòu)算法這 “一硬一軟” 結(jié)合起來。該雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于其靈敏度更高、體積更小，能探測(cè)的距離也更遠(yuǎn)，在同等探測(cè)距離需求下，能耗也更低。白天成像條件有限，很多實(shí)驗(yàn)都得在晚上做，并且要不停地調(diào)試?？蒲袌F(tuán)隊(duì)經(jīng)常需要耗費(fèi)幾周的時(shí)間，才能做出比較好的系統(tǒng)調(diào)制數(shù)據(jù)。而且，研究人員還需要從一個(gè)雜亂的的、噪音很大的系統(tǒng)里，利用算法把圖像給重構(gòu)出來。只有這樣，才能讓原本肉眼無法識(shí)別的模糊圖像，變成清晰圖像。對(duì)于很多實(shí)驗(yàn)都是在晚上做，這主要是因?yàn)?，單光子雷達(dá)的原理是發(fā)一束光到一個(gè)目標(biāo)，然后目標(biāo)會(huì)進(jìn)行光的散射。在這種情況下，太陽光是實(shí)驗(yàn)需要摒棄的，因?yàn)檠芯咳藛T只需要目標(biāo)返回來的光。對(duì)于激光雷達(dá)來說，通過鏡面反射過來的陽光，就是一種光學(xué)上的噪音，即無用的光子。當(dāng)然，系統(tǒng)調(diào)好后，在白天同樣可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)成像，即全天候成像。本次研究的成果亮點(diǎn)在于，相比現(xiàn)有系統(tǒng)其提供了一個(gè)能力更強(qiáng)的系統(tǒng)。百公里量級(jí)的主動(dòng)成像能力是傳統(tǒng)的激光雷達(dá)無法做到的。不久的將來，這一成果在無人駕駛和衛(wèi)星探測(cè)等方面也將得到更好的應(yīng)用。這束光可能用在激光雷達(dá)上，也可能在未來間接地用于你所搜索的每一個(gè)天氣預(yù)報(bào)中。（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）作者 | 顧俊哲計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)碩士，畢業(yè)后從事網(wǎng)絡(luò)信息收集與整理工作，關(guān)注大眾科普知識(shí)，探索前沿科技。

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