中國科學家發明新型單光子相機，實現45公里遠距離成像

　　透過霧霾看清 45 公里外的一棟樓，這不是“神話”，而是一位 85 后科學家已經實現的成果。

　　中國科學技術大學教授徐飛虎告訴 DeepTech，其所在研究團隊近日發表一篇題為《45 公里單光子計算三維成像》（Single-photon 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 公里的遠距離成像，并已具備百公里成像的能力。未來該團隊會就 100 公里的成像技術，進行深入的實驗。

　　這位于 2017 年從麻省理工學院（MIT）歸國開展工作的 85 后科學家，回國后加入中科大潘建偉院士團隊，一直致力于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，并保持著國際領先地位。2019 年，徐飛虎上榜《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人” 中國榜單（TR35）。

圖 | 徐飛虎（來源：受訪者）

長距離主動成像面臨著巨大挑戰

　　在本次 45 公里成像研究之前，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，遠距離激光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，激光雷達是向遠處目標發一束光，然后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，正是激光雷達在發揮作用。現在的問題是，如果物體離目標幾十公里之遠，那么發光物發出的光，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公里左右。通過技術手段，降低無人車激光雷達的能耗，一直是業界的期待。

　　第二個常見阻礙是空間激光成像雷達，其涉及到兩方面。其一是地對空，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公里到上百公里，就會很難識別。

　　其二是空對地，以衛星對地面的對地觀測為例，衛星打一束激光下來，地面返回光給衛星，然后衛星進行探測。如果衛星距離地面四五百公里，就需要用到遠距離激光成像手段。

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

實現遠距離亞瑞利分辨率成像

　　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，并實現 45 公里的遠距離主動成像。

　　2020 年初，徐飛虎所在中科大團隊曾實現 8.2 公里的成像，并解決了分辨率問題，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 公里。這超過此前英國 Gerald Buller 團隊實現的 10 公里激光成像雷達紀錄。

　　45 公里主動成像是什么概念？這意味著無論在白天和晚上，觀察者都能從 45 公里之外，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、以及適用于遠程應用的反卷積兩種方法，最終實現遠距離亞瑞利分辨率（Subsurface Rayleigh）成像。

圖 | 遠程 45 公里主動成像圖解（來源：受訪者供圖）

亞像素掃描：可探測小光斑內容物

　　由于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，晚上用它照近處的墻，會看到一個比較小的光斑；但如果用手電筒照幾十米外的墻，光斑就會擴得很大。這便是光學器件的衍射極限，也是分辨率限制。

　　以該團隊早先研究的 8.2 公里成像為例，把一束光從這么遠的距離打過去，光斑會非常大。即使用望遠鏡去調制，光斑直徑也高達半米左右。

　　由于光斑過大，成像系統無法識別光斑里面的內容，這一邏輯可以概括為：光斑決定著成像系統的分辨率。

　　由于人們的日常拍照，通常在幾米范圍內，所以不會涉及高分辨率。但對于遠距離特別是 10 公里以外的成像，分辨率就非常重要。面對半米的光斑，成像系統的分辨率只有半米，人的姿態等相關信息都無法識別。

　　為提高分辨率和進行準確識別，即識別半米的光斑里到底有哪些內容，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，由于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，還可進行幾厘米光斑的移動，每移動一下就可以測到一些信號。多次移動后，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，多次移動光斑后，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 公里外的成像。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分辨率，“模特”的任何姿態都會糊成一片，根本無法識別。

圖 | 8.2 公里外對人的姿態識別

“一硬一軟”：單光子探測手段和光子有效的計算成像算法

　　45 公里成像在 8.2 公里的基礎上，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 公里的成像到 45 公里的成像，是巨大量級的進步。

　　由于回波光子都是平方關系，從 8.2 公里成像進步到 45 公里成像，回波信號基本上要降低 36 倍。在 45 公里成像上，該團隊可以把分辨率做到 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 公里并打到目標上，然后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并探測到。

　　另一項技術是，為實現本次研究目的，在硬件上，該團隊發展出一套高精尖的單光子成像探測手段；在軟件上，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 公里外的目標返回的，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 公里的目標太遠，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于其靈敏度更高、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 公里左右。通過該團隊的技術，即便在霧霾天氣下，45 公里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 公里。

　　而通過該團隊的技術，能夠拓展到 45 公里。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“霧里看花”。

圖 | 45 公里三維成像結果

實現全天時成像能力

　　徐飛虎告訴 DeepTech，本次研究曾遇到不少困難。由于 45 公里成像的要求較高，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。找到后就開始從賓館的 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，并且要不停地調試。中科大團隊的幾位博士生，在賓館熬了兩三個月，由于實驗條件艱苦，經常是熬了好幾周，才能做出比較好的系統調制。

　　而且，研究人員還需要從一個很糊的、噪音很大的系統里，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。

　　對于很多實驗都是在晚上做，徐飛虎解釋稱，激光雷達的原理是發一束光到一個目標，然后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，主要就是因為激光雷達出問題。他總結稱，有兩次事故都是因為旁邊的一塊玻璃，將陽光反射到車載激光雷達上，由于反射光太強破壞了雷達，從而導致無人導航失靈。

　　這跟光污染的概念有些相似，對于激光雷達來說，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，于是經常在晚上做實驗。當然，系統調好后，在白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，其一般用于觀測城市的變化，比如有哪些新的建筑建成；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，前不久北京預報第二天將有暴雨，結果當天上午全城都在等雨來，如果相關部門從中科大團隊的產品中獲取天氣信息，那么就可能更精確地分析天氣變化；

　　仍以北京用戶為例，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 公里以上。

　　此外，該團隊仍需要突破的技術局限，在于目前造價比較高。造價上的高昂，好比諾基亞老年機和 iPhone 的對比，盡管后者更貴，但是后者可以提供更多功能。

　　由于市場需求量較小，導致當前單光子探測器的造價較高，如果可以像芯片一樣量產，造價就可以降下來。

　　該研究涉及的技術，在業界還處于研發階段，隨著技術至臻成熟，市場就會越來越大。徐飛虎介紹稱，以車載激光雷達為例，當前并沒有最有效的解決方案。而該團隊的成果，等于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于，相比現有系統其提供了一個能力更強的系統。他告訴 DeepTech，本次成果的是從 0 到 1 的突破，百公里量級的主動成像能力是傳統的激光雷達無法做到的。

　　不久的將來，中科大團隊百公里成像的能力落地，無人駕駛和衛星探測等，也將得到更好的應用。

　　或許，可以用 “追光者” 來形容這支團隊，他們晚上做實驗，是因為“怕光”，而又不辭辛苦地“泡在光里”，只是為了普羅大眾可以“看見更多的光”。

　　這束光可能用在你的無人車激光雷達上，也可能在未來間接地用于你所搜索的每一個天氣預報中。