激光雷达实现高分辨率3D成像

       近日，研究人员证明，量子启发算法可以用于执行激光雷达成像与更高的深度分辨率，比传统方法有更多可能性。激光雷达利用激光脉冲获取环境或物体的三维信息，由于其深度分辨率有效，因此通常适用于大型物体（如地形特征或建筑结构）成像。

图1 20便士硬币的3D成像图。（图片来源：格拉斯哥大学Ashley Lyons）

       “虽然激光雷达可以用来成像一个人的整体形状，但它通常不能捕捉到更细微的细节，如面部特征，”英国格拉斯哥大学团队负责人Ashley Lyons说，“通过增加额外的深度分辨率，该技术可以捕捉到目标细节，不仅成像面部特征，甚至可以看清目标的指纹。”

       以上结果已发表在期刊《Optics Express》上。Lyons和第一作者Robbie Murray描述了这项新技术，并称为“成像双光子干涉激光雷达”。他们表示，它能够区分2毫米内的反射物体表面，并创建微米级分辨率的高分辨率三维图像。

       Lyons说：“这项工作可能会带来比现在更高分辨率的三维成像，可能帮助设计微特征的面部识别和跟踪应用。在实际应用中，传统激光雷达粗略估计物体位置，然后用我们的方法对物体进行细节测量。”

纠缠态光场

       这项新技术使用量子启发干涉测量技术，从相互干涉的两束光中提取信息。纠缠对光子——或称量子光——通常用于这种类型的的干涉测量，但基于光子纠缠的方法往往在光损耗较大的情况下表现不佳，而激光雷达的情况几乎总是如此。为了克服这个问题，该团队将他们从量子感应中的理论知识应用到经典（非经典）光上。

       “该技术利用量子纠缠的光子，所以在安装前，单位时间中产生足够光子对是非常有挑战性的。经典光不存在这些问题，而且通过调高激光功率可以避免高损耗。”

       当两个相同光子同时在分束器上相遇时，它们总是耦合在一起，或纠缠在一起，然后于同一方向出射。经典光表现出相同行为，但程度较轻——大多数经典光子都沿着相同方向运动，该团队利用光的经典效应，通过观察两个光子同时到达探测器的时间，非常精确地计算出光子的到达时间。

提高深度分辨率

       “时间差帮助实现深度测距，将其中一个光子发送到3D场景中，然后计算光子返回所需时间，”Lyons说，“因此，双光子干涉激光雷达的工作原理与传统的激光雷达非常相似，但是我们可以更精确地计算出光子到达探测器所需的时间，这直接转化为更高的深度分辨率。”

       此外，利用双光子干涉激光雷达，该团队探测一块2毫米厚的玻璃的两个反射面，演示了其高深度分辨率。传统激光雷达将无法区分这两个表面，但该团队能够清楚地测量这两个表面。他们还使用这种新方法创建了一个20便士硬币的详细3D图，其深度分辨率可达7微米（如图2）。因此，这表明，该方法可以捕捉并区分关键面部特征，或不同人之间的细节差异。

       在单光子水平上，双光子干涉激光雷达也能很好地工作，这可以用于增强非视线成像或通过高散射介质成像等更高难度的成像方法。

       目前，因为它需要扫描三个空间维度，所以成像时间较长。下一步，该团队期望通过减少3D信息扫描量，以加快成像过程。