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上海理工大学研发基于激光雷达的摄像机 可清晰拍摄45公里以外物体图像
出自:盖世汽车

据外媒报道,在地球上进行远距离拍摄是一项棘手的挑战,而且远距离从一个物体捕获足够的光线并非易事。此外,大气层还会造成扭曲,让图像失真,而且严重的空气污染也会造成同样的结果。因而,获得几公里以外物体的图像是很难做到的。但近年来,研究人员开始利用敏感光电检测器实现更好地结果。此类检测器非常敏感,能够捕捉到单个光子,并利用光子拼接成10公里(6英里)以外物体的图像。

但是,物理学家们还是希望能够进一步提升性能。因此,中国上海理工大学(University of Science and Technology in Shanghai)研究人员Zheng-Ping Li及其同事研发出一种基于激光雷达的系统,能够在烟雾弥漫的城市环境中拍摄45公里(28英里)以外的物体。该技术使用单光子侦测器,结合独特算法,将最稀疏的数据点“编织”在一起,生成超高分辨率的图像。

该新技术原则上相对简单,基于激光测距和探测(激光雷达),使用激光照射物体,然后利用反射光生成图像。此类主动成像技术的一大优点是,在特定时间内(取决于距离),物体反射回来的光子会回到侦测器,因此,在特定时间以外反射回来的光子就可以忽略。“限定时间”可大大降低环境中其他地方反射回来的无用光子产生的噪音,从而使雷达激光系统具有高度灵敏度和距离探测精度。

为了让新系统在城市环境中表现得更好,Zheng-Ping和他的同事采用了一种波长为1550纳米、重复频率为1万赫兹、功率为120毫瓦的红外激光。该系统的波长对人眼很安全,因而可以让研究团队过滤掉会破坏侦测器的太阳光子。

研究人员使用同样的光学设备(一个孔径为280厘米的普通天文学望远镜)来发送和接收此类光子,反射回来的光子使用商用单光子侦测器进行侦测。为了生成图像,研究人员使用能够左右上下倾斜的压电控制反射镜(a piezo-controlled mirror)扫描视野区域。通过此种方式,研究人员创建了二维图像。但通过改变“限定时间”,研究人员可以从不同距离接收到反射回来的光子,从而构建三维图像。此外,该团队还研发了一种利用单光子数据编织图像的算法。

研究小组在上海崇明岛一幢建筑的第20层安装了该台新型摄像机,并将其对准了河对岸约40公里以外的浦东民航大厦。使用普通望远镜拍摄的图像显示的只有噪音,但是该新技术生成的图像空间分辨率约为60厘米,可以解决建筑物窗户的限制问题。研究小组表示:“此次结果证明,近红外单光子激光雷达系统在烟雾中分辨目标物体的能力非常卓越。”

传统上而言,45公里的衍射(电磁波遇到障碍物时偏离原来直线传播)极限为1米,新技术明显比这要好,而且比最新研发的算法也要好。此次研究还表明了该技术能够在日光下拍摄21公里外的物体图像。Zheng-Ping及其同事表示:“我们的研究结果为超远距离内的高分辨率、快速、低功耗的3D光学成像开辟了新领域。”

此外,该技术将有着广泛的应用,例如遥感、空中监视以及自动驾驶汽车的目标识别和认证。而且,整个设备的尺寸只有鞋盒大小,非常便携。 

 

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文章收入时间: 2019-05-28
 
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