研究人员成功设计出了新型激光雷达系统 首次实现利用量子探测在水下潜行时捕捉3D图像你都知道哪些？

　　近期，英国赫瑞瓦特大学和爱丁堡大学的研究人员成功设计出一种新型激光雷达系统，有史以来第一次利用量子探测在水下潜行时捕捉3D图像。该系统有着足够高的灵敏度，即使是在水下极其微弱的光环境下也能捕捉到详细的信息。该成果以“Submerged single-photon LiDAR imaging sensor used for real-time 3D scene reconstruction in scattering underwater environments”为题发表在Optics Express 上(DOI: 10.1364/OE.487129)。

　　图1 激光雷达系统在水箱中低光照条件下的成像效果图(左)和原图(右)对比

　　由于海水中的光线有限，且水中的任何颗粒都会散射光线并扭曲图像，因此想要通过海水获得水中清晰的3D图像非常具有挑战性。不过有一种基于量子的单光子探测技术具有非常高的穿透能力，即使在光照非常弱的情况下也能工作。在最新的研究中，研究人员将整个单光子激光雷达系统浸入一个长4米、宽3米、深2米的大水箱中进行实验。与他们早期的水下单光子探测实验相比，这项新研究是在精心控制的实验室条件下进行的，光学装置放置在水箱外，数据分析在离线进行，由此使得该技术更接近实际应用。该团队还进行了新的硬件和软件开发，使系统获得的3D图像能够实时重建。

　　研究团队主要成员、英国赫瑞瓦特大学皇家工程院研究员Aurora Maccarone表示，该技术在未来有望得到广泛的应用，比如包括水下风电场电缆和涡轮机的水下结构在内的水设施检修，水下考古遗址的监测调查以及**安全建设等。最重要的是，该研究使得人们可以在光照非常弱的情况下对感兴趣的场景进行成像，这对影响人们生活的海上电缆和能源设施的使用是具有非常大的意义的。与此通知，新型激光雷达还可以在无人的情况下进行检测，有利于减少海洋环境污染。

　　激光雷达系统通过测量激光从场景中物体反射并返回系统接收器所需的时间(飞行时间)来生成图像。传统的激光雷达成像系统很难观察到被浑水遮挡的目标的3D图像，因此，研究人员设计了一种新方法来克服这一困难。他们利用绿色脉冲激光光源照亮目标场景，然后使用单光子探测器阵列检测反射脉冲照明光。这种单光子探测器阵列检测能够实现超快弱光检测，并大大减少在高衰减水域等光照匮乏环境中的测量时间。

　　图2 (a)激光雷达系统示意图，包括光纤准直组件(FCP)、光学扩散器(D)、镜头(L1和L2)、带通滤波器(BP)和SPAD探测器阵列。(b) 基于SPAD检测器阵列的光学装置

　　Maccarone称，通过皮秒计时分辨率的飞行时间测量，他们可以在毫米尺度上轻松解决目标场景的细节。这种新方法还能够区分目标反射的光子和水中粒子反射的光子，使得其非常适用于高度浑浊的水中进行3D成像，无须担心光学散射破坏图像对比度和分辨率的影响。

　　另外，单光子探测器阵列需要数千个单光子探测器，每秒钟都会产生数百个事件，使得在短时间内检索和处理重建3D图像所需的数据变得极具挑战性，尤其是实时场景中的应用更加复杂。然而，该团队开发了专门用于在高度散射条件下成像的算法，并将其与广泛可用的图形处理单元(GPU)硬件结合使用。研究团队表示，赫瑞瓦特大学在单光子探测技术和单光子数据的图像处理方面有着深入的研究，这使得他们能够在极具挑战性的条件下成功设计出单光子成像技术。与此同时，爱丁堡大学在单光子雪崩二极管探测器阵列的设计和制造方面取得了根本性的进步，这对于以量子探测技术为基础构建紧凑而强劲的成像系统更是功不可没。

　　在实验室的光学平台上优化了光学设置后，研究人员将激光雷达系统连接到GPU上，以实现数据的实时处理，同时还实现了三维成像的多图像处理方法。一旦系统能够正常工作，他们就将其移入水箱中，并以可控的方式往水中加入一种散射剂，使水变浑以更加贴合实际场景。三种不同浑浊度的水下实验结果表明，在距离3米的受控高散射情况下，可以成功实现3D成像。

　　研究人员称，单光子技术正在迅速发展，并且他们的实验已经在水下环境中表现出非常理想的结果。这种新型激光雷达系统也可以用于更广泛的场景，以提高自由空间中的成像水平，比如在雾、烟或其他遮挡物的环境中。下一步，他们将致力于减小系统的尺寸，以便将其集成到水下航行器中。目前，团队正英国量子技术中心网络和InnovateUK寻求工业界合作，使得该技术可用于一系列水下应用。