量子激光雷达原型在完全淹没在水下时获取实时3D图像

研究人员首次展示了一个原型激光雷达系统，该系统使用量子探测技术在水下获取3D图像。该系统的高灵敏度使其即使在水下极低的光线条件下也能捕获详细信息。

“这项技术可用于广泛的应用，”研究团队成员，英国赫瑞瓦特大学皇家工程院研究员Aurora Maccarone说。“例如，它可用于检查水下装置，例如水下风电场电缆和涡轮机的水下结构。水下激光雷达还可用于监测或测量水下考古遗址以及安全和国防应用。

通过海水获取3D图像可能具有挑战性，因为它是光有限的，并且水中的任何颗粒都会散射光线并扭曲图像。然而，单光子检测是一种基于量子的技术，允许非常高的穿透力，即使在弱光条件下也能工作。

在Optics Express上，赫瑞瓦特大学和爱丁堡大学的研究人员描述了整个单光子激光雷达系统浸没在一个大水箱中的实验。与研究团队早期的水下单光子探测实验相比，新的演示使该技术更接近实际应用，这些实验是在精心控制的实验室条件下进行的，光学装置放置在水箱外，离线进行数据分析。

他们还实施了新的硬件和软件开发，允许实时重建系统获取的3D图像。

“这项工作旨在使量子探测技术可用于水下应用，这意味着我们将能够在非常低的光照条件下对感兴趣的场景进行成像，”Maccarone说。“这将影响海上电缆和能源装置的使用，每个人都在使用。这项技术还可以允许在没有人类存在的情况下进行监测，这意味着更少的污染和更少的海洋环境中的侵入性。

更快的低光检测

激光雷达系统通过测量激光从场景中的物体反射并传播回系统接收器所需的时间来创建图像，称为“飞行时间”。在这项新工作中，研究人员试图开发一种方法来获取目标的3D图像，这些目标被浑浊的水遮挡，因此传统激光雷达成像系统不可见。

他们设计了一个激光雷达系统，该系统使用绿色脉冲激光源来照亮感兴趣的场景。反射脉冲照明由单光子探测器阵列检测，这允许超快的低光检测，并大大减少了光子匮乏环境(如高衰减水)的测量时间。

“通过以皮秒定时分辨率进行飞行时间测量，我们可以定期解析场景中目标的毫米细节，”Maccarone说。“我们的方法还使我们能够区分目标反射的光子和水中粒子反射的光子，使其特别适合在光散射会破坏图像对比度和分辨率的高浑浊水域中进行3D成像。

这种方法需要数千个单光子探测器，所有探测器每秒产生数百个事件，这使得在短时间内检索和处理重建3D图像所需的数据极具挑战性，特别是对于实时应用。为了解决这个问题，研究人员开发了专门用于在高散射条件下成像的算法，并将其与广泛使用的图形处理单元(GPU)硬件结合使用。

这项新技术建立在一些重要的技术进步之上。“赫瑞瓦特大学在单光子检测技术和单光子数据的图像处理方面有着悠久的记录，这使我们能够在极具挑战性的条件下展示先进的单光子成像，”Maccarone说。

“爱丁堡大学在单光子雪崩二极管探测器阵列的设计和制造方面取得了根本性进展，这使我们能够基于量子探测技术构建紧凑而强大的成像系统。

水下测试

在优化实验室光学工作台上的光学设置后，研究人员将激光雷达系统连接到GPU，以实现数据的实时处理，同时还实现了多种用于三维成像的图像处理方法。一旦系统正常工作，他们就将其移动到一个长 4 米、宽 3 米、深 2 米的水箱中。

当系统浸没在水中时，研究人员以受控的方式添加了散射剂，使水更加浑浊。三种不同浊度水平的实验证明了在3米距离的受控高散射场景中的成功成像。

“单光子技术正在迅速发展，我们已经在水下环境中展示了非常有希望的结果，”Maccarone说。“该方法和图像处理算法还可以用于更广泛的场景，以改善自由空间中的视力，例如雾，烟雾或其他遮蔽物。

研究人员现在正在努力减小系统的尺寸，以便将其集成到水下航行器中。通过英国量子技术中心网络和InnovateUK，研究人员正在与工业界合作，使该技术可用于一系列水下应用。

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