中國科學家發明新型單光子相機 實現全球最遠距離單光子成像雷達

8.2千米外對人的姿態識別

遠程45千米主動成像圖解

透過霧霾看清45千米外的一棟樓，這不是「神話」，而是中國科學家已經實現的成果。

中國科學技術大學教授徐飛虎和研究團隊近日發表一篇題為《45千米單光子計算三維成像》（Singlephoton computational 3D imaging at 45 km）的論文。在該論文研究中，中科大團隊實現了45千米的遠距離成像，並已具備百千米成像的能力。未來該團隊會就100千米的成像技術進行深入的實驗。

徐飛虎2017年從麻省理工學院歸國開展工作，回國後加入中科大潘建偉院士團隊，一直致力於發展實用化量子信息技術。他曾首次提出單像素單光子成像方法，實現了全球最遠距離的單光子成像雷達，並保持著國際領先地位。

長距離主動成像面臨著巨大挑戰

在本次45千米成像研究之前，業內一直面臨著長距離主動成像難的困局。隨著距離的變遠，遠距離雷射雷達的回波信號會出現嚴重衰減，只能返回微弱的回波光子，而返回的光子又混入很強的背景噪聲，因此長距離主動成像一直面臨著巨大挑戰。具體來說，雷射雷達是向遠處目標發一束光，然後通過目標返回的光子，來測量一個三維圖像。比如，無人車之所以可以導航，正是雷射雷達在發揮作用。現在的問題是，如果物體離目標幾十千米之遠，那麼發光物發出的光，能返回來光子非常少。

這給應用場景帶來的常見阻礙之一，便是無人駕駛導航的能耗增大。無人車導航的一般作用距離是一千米左右。通過技術手段，降低無人車雷射雷達的能耗，一直是業界的期待。

第二個常見阻礙是空間雷射成像雷達，其涉及到兩方面。首先是地對空，即從地面對天上的飛行目標，進行遠距離的目標探測與識別。假如飛機距離地面幾十千米到上百千米，就會很難識別。其次是空對地，以衛星對地面的對地觀測為例，衛星打一束雷射下來，地面返回光給衛星，然後衛星進行探測。如果衛星距離地面四五百千米，就需要用到遠距離雷射成像手段。

基於上述常見的市場痛點，該團隊展開遠距離成像的研究，並發明了單光子相機技術。

實現遠距離亞瑞利解析度成像

本次研究的主要內容是，發展出有效的單光子相機遠距離成像方法，並實現45千米的遠距離主動成像。

2020年初，徐飛虎所在中科大團隊曾實現8.2千米的成像，並解決了解析度問題，實現了對人類不同姿態的識別。而本次成果，則在原來基礎上將成像距離提升到45千米。這超過此前英國Gerald Buller團隊實現的10千米雷射成像雷達紀錄。

45千米主動成像是什麼概念？這意味著無論在白天和晚上，觀察者都能從45千米之外，把目標大樓的輪廓、大樓的窗戶等信息準確地拍出來。

具體來說，本次研究通過亞像素掃描以及適用於遠程應用的反卷積兩種方法，最終實現遠距離亞瑞利解析度（Subsurface Rayleigh）成像。

亞像素掃描：可探測小光斑內容物

由於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。以手電筒為例，晚上用它照近處的牆，會看到一個比較小的光斑；但如果用手電筒照幾十米外的牆，光斑就會擴得很大。這便是光學器件的衍射極限，也是解析度限制。

以該團隊早先研究的8.2千米成像為例，把一束光從這麼遠的距離打過去，光斑會非常大。即使用望遠鏡去調製，光斑直徑也高達半米左右。由於光斑過大，成像系統無法識別光斑裡面的內容，這一邏輯可以概括為：光斑決定著成像系統的解析度。

由於人們的日常拍照，通常在幾米範圍內，所以不會涉及高解析度。但對於遠距離特別是10千米以外的成像，解析度就非常重要。面對半米的光斑，成像系統的解析度只有半米，人的姿態等相關信息都無法識別。

為提高解析度和進行準確識別，即識別半米的光斑裡到底有哪些內容，該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，由於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，還可進行幾釐米光斑的移動，每移動一下就可以測到一些信號。多次移動後，就能探測出半米光斑中的內容。

反卷積算法：解決遠距離成像難題

反卷積算法的具體使用過程是，多次移動光斑後，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8.2千米外的成像。據徐飛虎介紹，該團隊當時放了一個人體大小的「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解析度，「模特」的任何姿態都會糊成一片，根本無法識別。

「一硬一軟」：單光子探測手段

和光子有效的計算成像算法45千米成像在8.2千米的基礎上，使用新的探測技術和算法，實現了更遠距離的成像。徐飛虎說，從8.2千米的成像到45千米的成像，是巨大量級的進步。

由於回波光子都是平方關係，從8.2千米成像進步到45千米成像，回波信號基本上要降低36倍。在45千米成像上，該團隊可以把解析度做到0.5米，即可以拍出一些高樓窗戶的輪廓，甚至連窗戶是單扇、還是雙扇都能拍出來。

研究中主要用到兩項技術，一項技術是在系統上做探測，即讓一束光「行走」45千米並打到目標上，然後通過目標的漫反射返回。據徐飛虎介紹，哪怕只有一兩個光子返回，該團隊的實驗系統也能有效收集並探測到。

另一項技術是，為實現本次研究目的，在硬體上，該團隊發展出一套高精尖的單光子成像探測手段；在軟體上，該團隊則發展出新的算法——光子有效的計算成像算法。

一硬一軟的結合，正是為了解決以下難題：白天測量時返回的光子，可能是從45千米外的目標返回的，也可能來自太陽光。如果該光子是太陽光漏進來的，那就不包含任何目標信息，而只有目標返回來的光子才能幫助成像。這時就需要用算法，把太陽光的噪音光子濾掉，同時提取目標返回的信號光子。此外，因為45千米的目標太遠，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，把一個大樓的輪廓清晰地重構出來，也需要上述算法的加持。

另外，該團隊發展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，徐飛虎和團隊最終創造出上述單光子成像雷達系統。他表示，該雷達系統的優勢在於其靈敏度更高、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。比如，在晴朗的白天，人們通過望遠鏡大約可以看10千米左右。通過該團隊的技術，即便在霧霾天氣下，45千米的成像也可以順利進行。

研究中，中科大團隊從上海崇明島，對上海市區另一座大樓進行拍攝，拍的過程中霧霾很重，用望遠鏡的能見度大概只有3到5千米。而通過該團隊的技術，能夠拓展到45千米。這可以理解為給用戶創造出一個新型望遠鏡，即在霧霾天氣中，依然可以看得更遠，實現「霧裡看花」。反射光太強破壞了雷達，從而導致無人導航失靈。

這跟光汙染的概念有些相似，對於雷射雷達來說，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。而他們在調試系統時，肯定不希望進來噪音，於是經常在晚上做實驗。當然，系統調好後，在白

實現全天時成像能力徐飛虎表示，本次研究曾遇到不少困難。由於45千米成像的要求較高，所以選址非常困難。他們在上海找了很多位置，找了一兩個月，才找到崇明島上的一個賓館。找到後就開始從賓館的20層，往浦東這邊進行觀測。

白天成像條件有限，很多實驗都得在晚上做，並且要不停地調試。中科大團隊的幾位博士生，在賓館熬了兩三個月，由於實驗條件艱苦，經常是熬了好幾周，才能做出比較好的系統調製。

而且，研究人員還需要從一個很糊的、噪音很大的系統裡，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。

對於很多實驗都是在晚上做，徐飛虎解釋稱，雷射雷達的原理是發一束光到一個目標，然後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。

過去幾年，曾出現過車主使用無人駕駛輔助功能出車禍的事件，主要就是因為雷射雷達出問題。他總結稱，有兩次事故都是因為旁邊的一塊玻璃，將陽光反射到車載雷射雷達上，由於天同樣可以實現主動成像，即全天候成像。

「看見更多的光」長距離成像的常見應用場景，有衛星對地面的遠距離監測、基站雷達的遠距離檢測等等。中科大團隊的研究成果，具備在同等遠距離檢測下、能耗更低的優勢。具體到衛星監測成像來說，其一般用於觀測城市的變化，比如有哪些新的建築建成；再比如衛星可以飛到森林地段，觀測整體森林的生長狀況；此外，還可以觀測天氣，如果氣象部門從中科大團隊的產品中獲取天氣信息，那麼就可能更精確地分析天氣變化。以北京為例，加載這種成像能力的產品，好比高倍望遠鏡，用戶可以從市區看到大興機場飛機的起飛降落。目前，該團隊已經把技術拓展到100千米以上。

目前，該團隊仍需要突破一些技術局限。由於市場需求量較小，導致當前單光子探測器的造價較高，如果可以像晶片一樣量產，造價就可以降下來。

該研究涉及的技術，在業界還處於研發階段，隨著技術至臻成熟，市場就會越來越大。徐飛虎介紹稱，以車載雷射雷達為例，當前並沒有最有效的解決方案。而該團隊的成果，等於提供出一個可能的新思路，具體未來有多大的應用場景，也要看相關技術發展能否把造價降下來，以便把系統做得更好更集成。

也就是說，本次研究的成果亮點在於，相比現有系統其提供了一個能力更強的系統。本次成果的是從0到1的突破，數百千米量級的主動成像能力是傳統的雷射雷達無法做到的。不久的將來，中科大團隊上百千米成像的能力落地，無人駕駛和衛星探測等，也將得到更好的應用。