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看得更遠、更清楚，一直是人類的不懈追求。量子信息技術的發展加深了我們對光的理解和操控，也啟發我們開展基于單光子探測的新型成像技術（Quantum inspired computational imaging）。▏什么是光子成像光子作為光量子性的體現，是光能被檢測到的最小能量單元。傳統相機通過對不同位置光強的探測，實現物體成像。單光子成像的核心就是通過探測每個光子的三維時空信息(x,y,t)，結合光子的統計特性重構出物體的圖像。單光子成像雷達作為一種具有單光子級探測靈敏度和皮秒級時間分辨率的新興激光雷達成像技術，是實現遠距離光學成像的理想方案。目前，我國科研團隊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、近衍射極限收發一體光學控制等核心技術，首次實現超過200公里的遠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，為遠距離目標識別、對地觀測等領域應用開辟新道路。該成果近期發表于國際知名學術期刊《光學》。▏研發歷程該團隊于2019年在城市環境中首次實現45公里的單光子三維成像，突破了由英國哈利瓦特大學保持的10公里最遠距離記錄。在此基礎上，他們通過進一步技術突破，將成像距離拓展到201.5公里，成像靈敏度達到平均每個像素0.4個信號光子。不僅如此，三維成像還能體現出空間距離。如上圖，紅色部分代表距離測繪點較遠，藍色部分代表距離測繪點較近。那么，我國的科研團隊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計特性，利用單光子雷達向遠處目標發一束光，然后通過目標返回的光子，來測量一個三維圖像。同時引入計算攝像學的最新技術，實現特殊的成像功能。例如，當入射光已經微弱至傳統相機無法工作的強度時，單光子成像技術能夠突破經典成像的信噪比極限，每個像素僅探測一個光子，也能夠復原出物體的三維圖像，從而能夠提升現有遙感和偵察系統的工作距離和成像質量。又例如，對于隱藏在角落的物體，可以通過計算光子在墻面的散射和飛行過程，復原出視線外物體的三維圖像，從而對隱藏的物體進行識別和跟蹤，這是有望應用于安防、反恐等特殊場合的最新技術。▏亞像素掃描技術、反卷積算法與有效的光子成像算法如果物體離目標幾十公里之遠，那么激光雷達發出的光，能返回來光子非常少，這是給應用場景帶來的常見阻礙之一。由于光學器件的衍射限制，隨著光的傳播，光束的距離越遠，擴散得就會越嚴重。1、亞像素掃描技術為提高分辨率和進行準確識別，即識別反射的光斑里到底有哪些內容，我國科研團隊使用了亞像素掃描技術。該技術可以理解為用手電筒照出一個大光斑，為識別光斑中的內容，就需要精細地平移手電筒，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，還可進行幾厘米光斑的移動，每移動一下就可以測到一些信號。多次移動后，就能探測出半米光斑中的內容。2、反卷積算法反卷積算法的具體使用過程是，多次移動光斑后，會產生很多信號。在此基礎之上，就可以設計算法，來解決遠距離成像的難題。利用反卷積算法，該團隊分別在白天和晚上，驗證了 8.2 公里外的一個人體大小的 “模特”，當“模特” 的手做不同動作時，反卷積測法可以準確識別出上述動作。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”的任何姿態都會糊成一片，根本無法識別。3、有效的光子計算成像算法因為200公里的目標太遠，返回的光子又特別少，平均每個像素大概只有一個光子。如何用極少量光子，把一個目標的輪廓清晰地重構出來，也需要上述算法的加持。在晴朗的白天，人們通過望遠鏡大約可以看 10 公里左右。通過該團隊的技術，即便在霧霾天氣下，200 公里的成像也可以順利進行。上圖為：201.5 km成像結果，（a）可見光相機圖，（b）算法重構結果圖，（c）重構結果立體視圖。▏遇到的困難我國的科研團隊研發出一款新型雷達體系——單光子成像雷達系統。將高性能單光子收集和探測技術和光子重構算法這 “一硬一軟” 結合起來。該雷達系統的優勢在于其靈敏度更高、體積更小，能探測的距離也更遠，在同等探測距離需求下，能耗也更低。白天成像條件有限，很多實驗都得在晚上做，并且要不停地調試。科研團隊經常需要耗費幾周的時間，才能做出比較好的系統調制數據。而且，研究人員還需要從一個雜亂的的、噪音很大的系統里，利用算法把圖像給重構出來。只有這樣，才能讓原本肉眼無法識別的模糊圖像，變成清晰圖像。對于很多實驗都是在晚上做，這主要是因為，單光子雷達的原理是發一束光到一個目標，然后目標會進行光的散射。在這種情況下，太陽光是實驗需要摒棄的，因為研究人員只需要目標返回來的光。對于激光雷達來說，通過鏡面反射過來的陽光，就是一種光學上的噪音，即無用的光子。當然，系統調好后，在白天同樣可以實現主動成像，即全天候成像。本次研究的成果亮點在于，相比現有系統其提供了一個能力更強的系統。百公里量級的主動成像能力是傳統的激光雷達無法做到的。不久的將來，這一成果在無人駕駛和衛星探測等方面也將得到更好的應用。這束光可能用在激光雷達上，也可能在未來間接地用于你所搜索的每一個天氣預報中。（圖片來源于網絡）作者 | 顧俊哲計算機科學與技術碩士，畢業后從事網絡信息收集與整理工作，關注大眾科普知識，探索前沿科技。

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