基于SPAD單光子相機的LiDAR技術(shù)革新

基于SPAD單光子相機的LiDAR技術(shù)革新

單光子光探測和測距（激光雷達）是在復雜環(huán)境中進(jìn)行深度成像的關(guān)鍵技術(shù)。盡管zui近取得了進(jìn)展，一個(gè)開(kāi)放的挑戰是能夠隔離激光雷達信號從其他假源，包括背景光和干擾信號。

本文介紹了一種基于量子糾纏光子對的LiDAR（光探測與測距）技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)利用時(shí)空糾纏光子對及SAPD單光子相機的特性，顯著(zhù)提高了在復雜環(huán)境中的探測精度和抗干擾能力。該技術(shù)使用SPAD單光子相機作為探測端，并通過(guò)內置的時(shí)間相關(guān)單光子步進(jìn)偏移計數技術(shù)來(lái)提高測量時(shí)間精度。光源使用了一個(gè)基于β-鋇硼酸鹽（BBO）晶體的非線(xiàn)性光學(xué)晶體來(lái)產(chǎn)生糾纏光子對。

通過(guò)精確控制光子對的發(fā)射和接收，以及利用SPAD單光子相機高速、高靈敏的特性，zui終能夠精確捕獲從目標反射回來(lái)的光子。

該系統使用兩種技術(shù)來(lái)提高測量的準確性和抗干擾能力：

1. 時(shí)間相關(guān)單光子步進(jìn)偏移計數：通過(guò)記錄每個(gè)單獨光子的時(shí)間戳，能夠以皮秒級的時(shí)間分辨率捕捉光子。這種高分辨率計時(shí)信息對于確定光子從目標反射回來(lái)的準確時(shí)間至關(guān)重要。使用SPAD單光子相機，這種相機具有單光子靈敏度和皮秒級的步進(jìn)偏移時(shí)間分辨率。實(shí)驗利用了時(shí)間門(mén)控技術(shù)，通過(guò)精細地移動(dòng)時(shí)間窗口來(lái)捕捉光子，這有助于高精度地確定光子的飛行時(shí)間。具體到每個(gè)光子的時(shí)間戳記錄，使用時(shí)間相關(guān)的單光子步進(jìn)偏移計數技術(shù)，記錄每個(gè)探測到的光子的到達時(shí)間，從而實(shí)現高精度的深度信息獲取。   

2. 時(shí)空反相關(guān)技術(shù)：通過(guò)利用糾纏光子對的時(shí)空反相關(guān)性，即使在干擾信號的存在下，也能區分目標光信號與其他光源。例如，實(shí)驗中使用SPAD單光子相機設置特定的門(mén)控窗口，只有當糾纏光子對同時(shí)到達相機時(shí)，才會(huì )記錄事件，從而有效過(guò)濾掉非目標光源的信號。

在該量子LiDAR（光探測與測距）系統的實(shí)驗測試中，研究團隊展示出了其在處理同步和異步的干擾信號方面的顯著(zhù)性能。系統通過(guò)使用時(shí)間門(mén)控和空間反相關(guān)技術(shù)，成功地從其他光源干擾中分離出目標光信號。實(shí)驗結果顯示，該系統能夠在復雜的干擾環(huán)境下準確地成像和測距，即使在有意的欺騙攻擊和背景LiDAR系統的干擾下也能保持高精度和高信噪比。

并且還通過(guò)更具體的測試場(chǎng)景如模擬多個(gè)LiDAR（光探測與測距）系統并行工作和環(huán)境光干擾，來(lái)驗證量子LiDAR（光探測與測距）系統證明了其在實(shí)際應用中的可行性。實(shí)驗和分析結果如下圖所示：

這些實(shí)驗不僅驗證了量子LiDAR（光探測與測距）在技術(shù)上的前瞻性，也為未來(lái)其它應用領(lǐng)域提供了重要的參考價(jià)值。量子LiDAR（光探測與測距）技術(shù)通過(guò)利用量子糾纏光子性質(zhì)，顯著(zhù)提升了LiDAR（光探測與測距）系統在復雜環(huán)境中的性能。特別是在高干擾的環(huán)境中，如多LiDAR（光探測與測距）系統操作或強烈背景光的情況下提高對目標物甄別的能力。

該實(shí)驗中所應用的SPAD單光子相機為SwissSPAD2，其為瑞士Piimaging公司目前所產(chǎn)SPAD5122的前身，陣列像素為512×512，無(wú)讀出暗噪聲，幀率zui高為100000幀/S，步進(jìn)偏移精度為17ps。

未來(lái)，這種技術(shù)有望在自動(dòng)駕駛、機器人技術(shù)以及軍事和民用遙感領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

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