随着遥感探测技术领域的飞速发展，对于更精确、更轻便的测绘工具的需求日益增长。激光雷达技术因其能提供高精度的空间数据而受到广泛关注，但传统激光雷达体积大且耗能高，限制了其在资源受限的无人机或卫星上的应用。为解决这些问题，中国科学技术大学徐飞虎教授研究团队开发出一种新型的紧凑且轻便的单光子机载激光雷达系统（DOI: doi.org/10.1364/OPTICA.518999）。该系统采用低功率激光器，不仅大幅降低了能耗，同时通过创新的单光子检测技术和先进的3D成像算法，实现了高分辨率的三维地形测绘。此技术的突破为激光雷达技术在航空和太空应用中提供了新的可能性，从而有助于更精细地理解和监控我们的自然环境和城市结构。
研究团队开发了一种紧凑且轻便的单光子机载激光雷达系统，此系统使用低功率激光器来捕捉高分辨率的3D图像，这使得单光子激光雷达在空中及太空环境中的应用变得更为实用，例如在环境监测、3D地形测绘及物体识别等方面。单光子激光雷达利用单光子检测技术来计算激光脉冲触及物体并返回的时间，这对于机载应用尤其重要，因为即便是在密集植被或城市等复杂环境下，也能进行高精度的3D映射。
图1 一种新的紧凑和轻型单光子机载激光雷达系统可以使单光子激光雷达实用于空中和空间应用
徐飞虎教授表示：“在资源受限的无人机或卫星上使用单光子激光雷达技术，需要缩减系统体积并降低能耗。我们能够将最新的技术进展融入到一个系统中，与其他最先进的机载激光雷达系统相比，该系统在保持较低激光功率和最小光学孔径的同时，在检测范围和成像分辨率方面仍然保持良好的性能。”
研究人员表明，结合亚像素扫描技术和新的3D反卷积算法，该系统能够实现超越光衍射极限的成像分辨率。他们还演示了该系统如何在白天使用小型飞机在大范围内捕获高分辨率的3D图像。
徐飞虎教授进一步说道：“最终，我们的研究有望增进对世界的理解，并为所有人创造一个更可持续、更明智的未来。例如，我们的系统可以被部署在无人机或小型卫星上，监测森林景观的变化，如森林砍伐或其他对森林健康的影响。它还可以在地震后用于生成3D地形图，助力评估损害程度并指导救援工作，从而有可能挽救生命。”
新型机载单光子激光雷达系统
新的机载单光子激光雷达系统工作原理是：通过向地面发射激光脉冲，并捕获这些脉冲从地面物体反射回来的信号。这些反射信号由一种称为单光子雪崩二极管（SPAD）阵列的高度灵敏的探测器捕获。这些探测器极大提升了对单光子的灵敏度，使得系统即使在使用低功率激光器的情况下也能有效检测反射的激光脉冲。
为了缩小系统的体积，研究人员采用了直径为47 mm的小型望远镜作为接收光学元件。
通过测量反射光子的飞行时间，系统能够计算光从发射到接收所需的总时间。利用这些数据，结合高级的计算成像算法，便能重构地面的精确3D图像。
徐飞虎教授解释说：“新系统的一大亮点是采用了特殊的扫描镜，它能进行连续而精细的扫描，从而捕获地面目标的亚像素级信息。此外，我们还开发了一种新的高效光子计算算法，该算法能够从数量有限的原始光子探测中提取亚像素信息。尽管面临弱信号和强烈太阳噪声的挑战，这种算法仍然能够实现超高分辨率的3D成像。”
地面和空中测试
研究团队开展了一系列测试，以验证新系统的性能。通过飞行前的地面测试，技术的有效性得到了证实，测试结果显示该系统在默认设置下可从1.5 km距离实现15 cm的激光雷达成像分辨率。
图2 研究人员通过在一架小型飞机上使用该系统在白天拍摄大面积的高分辨率3D图像
在实施亚像素扫描和3D反卷积技术后，研究人员进一步证明了系统从同一距离能够达到6 cm的有效分辨率。
此外，研究人员还在浙江义乌使用一架小型飞机进行了为期数周的日间实验。这些实验成功展示了各种地形和物体的详细特征，进一步证明了该系统在实际环境中的功能性和可靠性。
目前，该研究团队正致力于提升系统的性能和集成度，其长期目标是将此技术部署在小型卫星等星载平台上。在系统商业化之前，还需进一步提升其稳定性、耐用性和成本效益。
