回答: 美F-22哭晕在厕所 ，中国单光子雷达可破解任何隐形战机 由 shoppersVIP 于 2021-10-25 18:10

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单光子成像超过200公里 6park.com
李正平、田俊、黄欣、姜鹏、曹媛、于红、赵宇、张军、张强、彭志鹏、徐飞虎、潘建伟 6park.com
        原稿：2020年8月27日
        修改稿：2021年1月25日
        接受稿件：2021年1月27日
        出版时间：2021年3月9日 6park.com
    文章大纲
        摘要
        简介
        单光子激光雷达装置
        为远距离定制的光学技术
        结果
        讨论与结论
        参考文献和链接 6park.com
摘要 6park.com
远程主动成像在遥感和目标识别中有着广泛的应用。单光子光探测与测距（lidar）具有高灵敏度和时间分辨率。然而，在应用方面，实际的单光子激光雷达系统的工作范围仅限于地球大气层上空几十公里的范围，这主要是由于弱回波信号和高背景噪声混合造成的。这里，我们提出了一个紧凑型同轴单光子激光雷达系统，能够实现高达201.5公里的三维成像。它是通过使用高效率的光学设备进行采集和检测来实现的，我们相信这是一种新的噪声抑制技术，对远程应用是有效的。我们展示了光子高效的计算算法能够在数百公里范围内精确地进行三维成像，每像素只有0.44个信号光子。这些结果代表了在超长距离上向实用的低功率激光雷达迈进了一大步。 6park.com
1简介 6park.com
单光子激光雷达[1–三]基于时间相关单光子计数（TCSPC）[4]可为飞行时间测量提供单光子灵敏度和皮秒分辨率[5]，并预见了各种应用在实验开发方面的重大进展[6–21]（参见[22]单光子激光雷达最初是为激光测距仪和高度计设计的[1,2]为远程激光测距带来了巨大的变革[23]以及全球地形[24]盖革模式单光子激光雷达系统，最初由麻省理工学院林肯实验室开发[三]已广泛应用于机载和星载地形测量[25]。这些技术已在商业上获得（例如，Sigma Space Corp.，Lanham，MD，US，Hexagon AB的一个单位，斯德哥尔摩），用于单光子探测器阵列的快速测量。安装在高空机载平台上的单光子激光雷达可以提供连续的地形和水深测绘[26]。对于大比例尺地形，使用卫星激光高度计，如ICESat-2上的ATLAS[24]，已被用于地球表面的长期观测。 6park.com
近年来，用于地球大气长距离成像的单光子激光雷达受到了广泛的研究关注[8,10–21]因为它可以提供横向和纵向（厘米尺度）的高分辨率三维成像。这种能力在远距离目标识别和识别中起着重要作用。同时，先进的计算算法允许使用少量光子（即每像素一个光子）进行三维成像[27–34]单光子激光雷达与光子高效成像算法的结合，实现了几十公里的远距离成像[16,17]。尽管取得了显著进展，但进一步延长距离仍然具有挑战性。在沿地球大气层的远程场景中，来自感兴趣场景的回波信号光子数随距离呈二次方递减[35]背景噪声（主要是来自近场大气的后向散射）与激光输出功率呈线性相关。即使使用高功率激光器，长距离的有限信号背景比（SBR）也阻止了有用的重建。基于最先进的算法[31,32]，以前在地球大气层上的单光子成像实验[16,17]通常限制在100公里以下的可实现范围，如中的表所示补编1. 6park.com
在这里，我们展示了一个高效率、低噪声的同轴单光子激光雷达系统，它可以在201.5公里的距离内以每像素0.44个信号光子（PPP）实现三维成像。这是通过开发优化的收发光学器件、低噪声InGaAs/InP单光子雪崩二极管探测器（SPAD）和有效的噪声抑制技术来实现的。不同光子有效成像算法的有效性研究[30–33]在这种极低光通量条件下得到了验证。此外，我们还演示了100公里以上的光子有效激光测距，并表明仅用4.02个信号光子计数就可以精确测量非合作目标的射程。在目标识别和卫星地形图的一般应用中，需要演示200公里范围内的少量光子成像和测距。 6park.com
图1。 201.5公里长距离主动成像示意图。在中国乌鲁木齐市附近进行的实验的卫星图像，在那里单光子激光雷达被放置在野外的一个临时实验室。（a） 用装有望远镜的标准天文照相机拍摄的山的可见波段照片。海拔约4500m。（b） 实验装置示意图：扫描镜，扫描镜；摄像头；M、 镜子；烫发，45°穿孔镜；单光子雪崩二极管；MMF，多模光纤；准直器；声光调制器；F、 光谱滤波器；FF，光纤光谱滤波器；以及单模光纤。（c） 设置硬件的照片，包括光学系统（左上角和左下角）和电子控制系统（右下角）。（d） 海拔1770米的临时实验室视图。设置和目标之间地形的高程剖面如所示补编1，图S1。 6park.com
2单光子激光雷达装置 6park.com
如图所示1，单光子激光雷达系统主要使用在室温下工作的商用现成设备，光源为标准光纤激光器，探测器为紧凑型低噪声InGaAs/InP-SPAD。该收发机系统由一个中等望远镜孔径280mm的商用卡塞格伦望远镜和一个安装在自制双轴旋转台上的定制集成光学平台组成。为了获得高大气透过率和低太阳背景的人眼安全波长，我们选择了1550nm的近红外（NIR）波长。光源采用全光纤脉冲掺铒光纤激光器（脉冲宽度为600ps，时钟频率为500khz），采用微焦耳脉冲（最大激光功率为600mw）和扩束设计（望远镜发射的光束直径为7cm）以满足眼睛安全标准[36]，系统处于激光眼安全阈值范围内。激光在传输前与单模光纤耦合，以包住照明的发散。 6park.com
为了平衡环境光抑制和耦合效率，将返回的光子耦合到具有适当纤芯直径（62.5µm）的多模光纤中以实现高效收集。类似于以前的单光子激光雷达系统[11,12,16]，我们的设置使用同轴扫描设计（见图1)用于发射和接收光路，而不是传统的双望远镜配置[24]这种结构可以精确对准投射在目标上的发射点和接收点在动态距离上的位置，并便于精细扫描以实现高分辨率成像。高精度扫描是由一个闭环共面双轴压电倾斜平台实现的x美元$和美元$轴向。
三。为远距离定制的光学技术 6park.com
我们开发了一种有效的远距离噪声抑制方法，以提高远距离光学设备的噪声抑制效率。我们相信，据我们所知，我们系统的SBR比以前的工作要好得多[16,17]性能的详细比较如表S1和图S4所示补编1.
A、 提高收集效率 6park.com
首先，我们开发了InGaAs/InP SPAD[37,38]检测效率为19.3%，时间抖动为${sim}{180}；{rm ps}$，暗计数率低至0.1khz。我们使用轻量化（2kg）和低功耗（峰值功率60w）热声冷却器将负反馈雪崩二极管（NFAD）器件冷却到173k，以实现低暗计数率（DCR）[37]此外，NFAD由芯径为62.5µm的多模光纤耦合，以提高收集效率。在实验中，SPAD被优化为∼100
PDE为19.3%时的cps DCR。由于SPAD的温度较低，DCR大约比以前的远程单光子激光雷达系统低20倍[16,17]第二，望远镜被涂上涂层，以实现1550纳米的高传输。涂层材料，包括{rm SiO}u2}和{rm Ga}u 2}{{rm O}u 5} 6park.com
离子束辅助沉积的方法是在透镜上积累的。与普通商用望远镜（涂有可见光）相比，总透过率提高了两倍（即从约50%提高到95%）。最后，将发射发散角和接收视场分别设计为17.8µrad和11.2µrad。这些角度是以前作品中使用的角度的两倍[16,17]它们接近望远镜孔径的衍射极限。请注意，较小的视野可以减少75%的环境光，但也提供了更高的分辨率。此外，它允许在时域内形成窄光子团簇，从而减轻了多次返回的问题[17,33,39].
资料图：图2。 6park.com
图2。 噪声抑制技术示意图。（a） 任意函数发生器（AFG）触发激光器和延迟器。利用声光调制器（AOM）来抑制激光器触发时的ASE噪声。延迟器向SPAD和AOM提供电子信号（E信号）。（b） 运行期间的时序图美元$. 在发射模式下雷亚尔$，发射激光脉冲，AOM打开以允许脉冲发射。在结束时雷亚尔$，关闭AOM以阻止ASE噪声。隔离期过后美元$，SPAD被选通以检测背面反射的单光子，检测周期为美元$. 6park.com
B、 噪声抑制技术 6park.com
在长距离激光雷达中，回波信号光子的数量非常有限[27–32]，这对系统的背景噪声水平提出了严格的要求。利用低噪声SPAD对背景噪声进行了表征，发现噪声主要来源于两类后向散射噪声。第一类是近场大气激光脉冲的后向散射和常用的发射/接收光学元件。特别是每次脉冲发射后，大气散射会持续很长时间。二是放大自发辐射噪声的后向散射。由于所需的光放大，ASE噪声不可避免地出现在检测的整个时域。（参见补编1这两种类型的噪声不能通过SPAD的常规选通操作来消除[11,12,16]. 6park.com
相反，我们开发了一种有效的时间滤波方法来抑制噪声。在我们的方法中，如图所示2，我们设置了发射模式的时间间隔(雷亚尔$)以及检测模式(美元$)采用附加的高消光比声光调制器（AOM）实现两种模式之间的快速切换。在发射模式下，激光脉冲以高重复率触发，而SPAD则通过电选通关闭。在探测模式下，激光器停止发射脉冲，SPAD打开。这可以消除脉冲发射的局部噪声（最初2.4 nW耦合到SPAD中），并将噪声降低100倍。注意，即使在探测模式下没有触发激光脉冲，光放大器仍然会产生ASE噪声(∼109 6park.com
光子/秒耦合）。因此，我们使用AOM来有效地隔离ASE噪声，消光比约为57db。我们还设置了一个过渡时间美元$在图2发射模式和探测模式之间的近场大气反射进一步减弱。对于相位设置（R，W，D），以200km成像为例，由于光子的往返飞行时间为1.34ms，我们将发射模式设置为周期[0,1.2ms]，将探测模式设置为1.3ms和2.5ms，以获得最佳效率。 6park.com
噪声光子计数的总数被量化为约0.4khz，这至少是先前工作的50倍[16,17]，如中所示补编1图S3。这种增强主要是由于三个因素：时间选通方式，低噪声SPAD和较小的视场。超低噪声是成像和射程超过数百公里的关键功能。
4结果 6park.com
利用我们的系统，我们进行了深入的研究，以图像的各种自然场景的远程。大多数实验是在中国乌鲁木齐市附近的野外环境中进行的。请注意，我们还可以在白天成像，如中所示补编1，图S2。在我们的实验中，我们在没有任何返回信号绝对时间位置的先验信息的情况下进行盲激光雷达测量，其中SPAD在探测模式下是自由运行的。我们的成像捕捉场景的相对深度，而标准激光测距则测量绝对距离。利用∼1 6park.com
信号光子的PPP和SBR低至0.04。实验中，发射激光功率定为600mw，在不同停留时间（取决于成像范围）对目标进行光栅扫描，形成三维图像。接下来，我们给出三个有代表性的结果，并在补编1，图S3。
资料图：图3。 6park.com
图3。 9.8公里以上塔楼改造成果。（a） 用标准天文相机拍摄的真实可见波段照片。（b） （c），（e）和（f）用不同的光子效率算法（包括Shin）得到重建深度等等。[30]拉普等等。[31]，李等等。[17]还有林德尔等等。[32]（d）林德尔法重建结果的三维显示。SBR是∼15.76
平均信号PPP为∼3.47 6park.com
. 请注意，根据Lindell方法从一个数据集中生成一个地面真实值，该数据集具有35个信号PPP，用于计算PSNR。 6park.com
图4。 超过124.0公里的场景重建结果。（a） 真实可见波段照片。（b） Lindell重建深度结果等等。2018年[32]对于SBR数据${sim}；{0.51}$平均信号PPP${sim}；{3.86}$. （c） 重建深度图的三维剖面图。 6park.com
图5。 201.5公里以上场景的重建结果。（a） 真实可见波段照片。（b） Lindell重建深度结果等等。2018年[32]对于SBR数据${sim}；{0.04}$平均信号PPP${sim}；{3.58}$. （c） 重建结果的三维剖面图。 6park.com
首先，为了展示高分辨率3D成像的能力，我们用${160}乘以{160}；{rm像素}$采集时间为每像素1.5毫秒。结果如图所示三. 我们的设置允许一个相当高的SBR高达15.76（31.80）整个图片（在那些非空像素），这是大约50倍以上的结果[16,17]在信号电平约为3.47（7.01）信号PPP的情况下，可以清晰地再现目标的精细细节，并从实验数据中验证了各种光子高效成像算法[17,30–32]，如图所示三（b） 你说，三（c） 你说，三（e） ，和三（f） 其中，每个算法的定量性能由峰值信噪比（PSNRs）给出。结果表明，尽管不同的算法性能不同，但大多数算法都能有效地解决三维物体的形状问题，即使在弱光下也是如此。对于基于凸优化的算法[17,30,31]其参数与前人研究报道的相同。为了进行公平比较，正则化器（TV norm）设置为0.1。对于学习方法[32]，我们直接导入经过预训练的CNN，并将其应用于原始数据。标准笔记本电脑对这些算法的处理时间为39.60秒[30]，77.54秒[31]，112.05秒[17]，和9.60秒[32]分别是。 6park.com
接下来，我们选择124.0公里外的山景。图4（a） 显示的是一台配备望远镜的标准天文相机（ASI294MC）拍摄的可见光波段照片。我们扫描${256}倍{256}；{rm像素}$获取时间为每像素32.0ms，获得0.33（0.51）的SBR和2.91（3.86）的平均信号PPP（或那些非空像素）。深度图[32]图中示出了3D轮廓4（b） 以及4（c） 一。 6park.com
为了演示远程成像，我们选择了201.5公里外的另一个目标。我们在能见度高达100公里的天气下进行了成像。图5（a） 显示可见波段照片。我们用光栅扫描目标${320}倍{512}；{rm像素}$采集时间为每像素189.7毫秒。对于观测数据，对于整个图像（或那些非空像素），SBR为0.03（0.04），信号PPP的平均数目为2.23（3.58）。深度图由[32]并且3D轮廓如图所示5（b） 以及5（c） 一。在补编1，图S2，我们进一步表明，即使使用0.44信号PPP，我们的激光雷达系统也可以解决远程场景的三维细节。 6park.com
注意，重建的深度成像是相对深度信息。作为补充，我们的激光雷达系统也可以处理远程激光测距[23,40–42]，可以提供精确的绝对距离。为了展示这种能力，我们演示了激光在地球大气中的射程超过数百公里。高重复频率激光雷达系统是激光测距的首选[5]但对于长距离应用，短激光周期会导致距离模糊。以前的工作已经提出了超过几十公里的解决方案[43,44].使用我们的低噪声单光子激光雷达系统，我们报告了精确的激光测距超过数百公里，只有少量的信号返回。这是通过多次重复率测量来实现的[45]以及一种光子有效的距离估计方法（参见补编1).数字6（a） 显示了在113.6公里范围内对回复反射器进行激光测距的结果，其中系统的定时抖动特征为600 Ps全宽半高（FWHM），如图所示6（b） 一。在图6（c） 我们给出了三种不同重复率的非合作山景的测距结果。每次测量的采集时间为1.5s，总共30次测量，我们获得了163.337km的绝对距离，精度为3.5cm。这种精度主要是由于FoV较大，在每次测量中可能会覆盖多个非光滑深度，如中所示补编1. 最后，在图6（d） ，我们通过测量一个山顶的总数量∼4.04 6park.com
仅信号光子计数（在50毫秒的总采集时间内）。绝对距离测量为162.476公里。这一结果表明，我们的系统仅使用少量光子就能够以20赫兹的频率在100公里范围内进行激光测距。
资料图：图6。 6park.com
图6。 范围超过100公里。（a） 绝对距离上的反向反射器原始数据的柱状图$L=113.6；{rm公里}$具有$T=1.5；{rm毫秒}$和$R=0.7；{rm毫秒}$. （b） 回波信号峰值的形状，从中可以评估系统抖动${rm FWHM}={600}；{rm Ps}$. （c） 三种不同重复率的163.3公里非合作山景测距实验直方图。（d） 光子有效测距实验中测量信号的直方图，其中信号光子计数的平均数约为4.04。 6park.com
5讨论与结论 6park.com
虽然星载激光测高是基于单光子激光雷达，如ICESAt-2上的ATLAS[24]据报道，它具有大视场（FoV）和宽激光束间距的特点。然而，我们关注的是用于地面大气目标识别的单光子激光雷达，其中一个重要的考虑因素是高成像分辨率。因此，我们的系统采用小视场和精细扫描进行高分辨率成像。此外，对于基于卫星的激光高度计，大气的等效垂直厚度约为5-10公里（即，大部分光路是真空）。相比之下，我们的实验是在地球大气层上进行的，那里的主要挑战是来自近场大气后向散射的强大气衰减和环境噪声。为了克服这些问题，我们提高了系统效率，并采用了一种新的时间选通方案来有效地抑制背景噪声三为达到高SBR而努力（见表S1）。此外，我们演示了用少量光子（即每像素一个光子）进行精确的三维成像。这种灵敏度优于以前的星载激光雷达。然而，星载激光雷达呈现出一个多波束阵列，其优点是数据采集速率更高，并且在更远的距离上易于操作。 6park.com
综上所述，我们在实验上展示了单光子三维成像，在地球大气中的范围达到201.5公里。我们提出了一种有效的降噪方案，即使用具有高SBR的单光子激光雷达。我们的系统采用了一个紧凑的设计，低功率激光器和商业现货组件，我们的技术是光子效率。我们相信，我们开发的光子高效算法和低噪声技术可以帮助系统适应未来使用盖革模式SPAD阵列的多光束单光子激光雷达系统，用于快速遥感[三,26].所开发的技术适用于其他波长（如532nm），允许水渗透能力。采用高功率激光器和高效率SPAD阵列，多光束单光子激光雷达也可以实现无扫描快速成像。总的来说，我们的结果可以为安装在近地轨道上的低功率单光子激光雷达提供增强的方法[24]或者纳米卫星，作为传统成像的补充，用于高分辨率主动成像和远距离传感。
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