三维量子成像雷达

三维量子成像雷达

摘要：在美国AFOSR项目和DAPRA DSO InPho项目支持下，美国罗彻斯特大学牵头完成了光功率0.5皮瓦三维量子成像雷达，也称单像素3D相机。其分辨率达到256×256像素，采样时间3秒。

 

1.三维成像雷达用处多

高分辨三维成像，特别是使用时间飞行（TOF）技术的激光成像雷达，迫切需要能在极弱光照下工作，因为相比于高功率雷达弱照明雷达系统更安全、更低功率，更难以被发现拦截的优势 。而三维成像雷达的应用前景广阔，潜在应用包括：大、小尺度物体的表面测绘，目标识别、目标追踪、机器视觉、人眼安全波段和大气遥感。

2.传统单光子雷达

单光子灵敏的探测器SPAD技术提供额外的灵敏度和抗噪性，但光子计数系统的高横向分辨率标定技术受到挑战。点扫描的方式实现的单光子成像虽技术成熟，但扫描时间随目标尺度增大而数量级增加，而且逐像素停顿时间限制了实时成像，只能用于低速或静态目标成像。

研究者们已经制造了光子计数探测器阵列SPADA，例如MIT林肯实验室的JIGSAW和相应系列产品。制造难度限制了该类型传感器的尺寸，商业化的为512×512像素元，重复频率100kHz。这些传感器受到高暗计数率、像素间串扰和较大的读出噪声限制。用于时间飞行距离测定时，每个像素必须同时与脉冲串序列分别关联，硬件资源要求高。

3.三维单像素量子成像雷达

在不增加系统的成本和复杂度目标下，可供选择方案之一是使用基于压缩感知算法的单像素相机方案，该技术与量子成像技术数学上相同，也有人称之为量子成像，为体现其特点可称为单像素成像。单像素成像利用了成像场景的可压缩特征，利用数字微镜阵列器件（DMD）投射一系列的伪随机图案来实现，具体过程为：每一幅随机投影图案与待成像场景的内积被单像素探测器-“桶”探测器所接收，通过算法优化重建，重建场景通常所需测量次数小于场景像素数，一般在像素总数10%左右的水平。

罗彻斯特大学2011年最早提出单像素成像雷达方案。

 

 图1  单像素3D雷达原理图

图2 单像素三维成像实验（a）成像分辨率为n=256×256像素，测量数m=0.2n，随机投影次数m次，曝光时间距6.07分钟。恢复的强度测绘图为（b）,强度×DOF图（c）.两幅图之比则得到纵深的测绘图（d）.

 

这个技术跟量子成像雷达就非常相似了。下图是量子成像雷达的原理图。与罗彻斯特大学不同的是，中科院上海光机所的三维鬼成像雷达用传统探测器，也就是线性的探测器，不需要光子计数的好处就是速度提上来了，一个脉冲一个测量基，这样就能实时的进行远距离成像，比如1000米距离3D成像。单光子计数可以在近距离实现高速成像，但是远距离是绝无可能的，因为背景噪声对光子计数来说是死穴。

 

 

图3 三维量子成像雷达

用光电倍增管作为探测的三维鬼成像雷达成像效果超预期的好，当然这也是跟同期在实验室实现的技术指标相比得出的结论。

 图4 三维量子成像雷达成像结果

 

从图4中可看出一个PMT就实现了灰度和距离信息深度融合的三维图像，图像的清晰度未经过任何后处理就非常高，整个系统也无需复杂的运动部件（毛玻璃可用DMD取代）。

4.单像素量子成像雷达目前水平

中科院安微光机所2022年实现了7公里的自然目标三维成像。

 

图5 三维量子成像雷达拼接成像结果

 

 

当然，在2020年上海交大实现了100公里的合作目标单光子计数三维成像，跟中科院安光所技术途径不同。成像速度方面，线性探测器可做到实时成像。但是单光子计数成像不能。

5.单像素量子成像雷达应用前景

距离选通的成像本领，使得单像素雷达在水下成像、透遮挡物成像方面有先天的优势，相比于传统雷达，其在成像速度和硬件成本方面占有优势。

6.单像素量子成像雷达超低成本解决方案

表1. 设备清单

不计算人工费的话，搭一套三维量子成像雷达仅需要14万左右。

基本上申请个自然基金就可以攒个这样的设备开展研究了。

感兴趣的科研小伙伴可以联系我，一起开展这种新型雷达的研究，争取对其性能进行进一步地改进、优化和提升。

7．小结

单像素量子成像雷达可实现256×256像素的三维成像，利用线性APD或PMT搭建的三维成像系统已经实现了10公里数量级的快速成像。大家现在利用15万左右就可搭建一套这样的系统进行研究。

这种新型雷达无运动部件，更换个探测器和激光器就可变成任意想要波段的成像雷达，原理简单，变化多样，无论用来做研究发Paper还是做工程搞应用都是一个好的选择。

感兴趣的小伙伴可私信我，留下联系方式。

[1]G. A. Howland, P. B. Dixon, and J. C. Howell, “Photon-counting compressive sensing laser radar for 3D imaging,”
Appl. Opt. 50, 5917–5920 (2011).

[2]Three-dimensional ghost imaging ladar http://arxiv.org/abs/1301.5767

[3] Scanning single-pixel imaging lidar Vol. 30, No. 21 / 10 Oct 2022 / Optics Express 37491