基于SPAD單光子相機(jī)的LiDAR技術(shù)革新

單光子光探測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)）是在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行深度成像的關(guān)鍵技術(shù)。盡管最近取得了進(jìn)展，一個(gè)開(kāi)放的挑戰(zhàn)是能夠隔離激光雷達(dá)信號(hào)從其他假源，包括背景光和干擾信號(hào)。

本文介紹了一種基于量子糾纏光子對(duì)的LiDAR（光探測(cè)與測(cè)距）技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)利用時(shí)空糾纏光子對(duì)及SAPD單光子相機(jī)的特性，顯著提高了在復(fù)雜環(huán)境中的探測(cè)精度和抗干擾能力。該技術(shù)使用SPAD單光子相機(jī)作為探測(cè)端，并通過(guò)內(nèi)置的時(shí)間相關(guān)單光子步進(jìn)偏移計(jì)數(shù)技術(shù)來(lái)提高測(cè)量時(shí)間精度。光源使用了一個(gè)基于β-鋇硼酸鹽（BBO）晶體的非線性光學(xué)晶體來(lái)產(chǎn)生糾纏光子對(duì)。

通過(guò)精確控制光子對(duì)的發(fā)射和接收，以及利用SPAD單光子相機(jī)高速、高靈敏的特性，最終能夠精確捕獲從目標(biāo)反射回來(lái)的光子。

該系統(tǒng)使用兩種技術(shù)來(lái)提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和抗干擾能力：

1. 時(shí)間相關(guān)單光子步進(jìn)偏移計(jì)數(shù)：通過(guò)記錄每個(gè)單獨(dú)光子的時(shí)間戳，能夠以皮秒級(jí)的時(shí)間分辨率捕捉光子。這種高分辨率計(jì)時(shí)信息對(duì)于確定光子從目標(biāo)反射回來(lái)的準(zhǔn)確時(shí)間至關(guān)重要。使用SPAD單光子相機(jī)，這種相機(jī)具有單光子靈敏度和皮秒級(jí)的步進(jìn)偏移時(shí)間分辨率。實(shí)驗(yàn)利用了時(shí)間門(mén)控技術(shù)，通過(guò)精細(xì)地移動(dòng)時(shí)間窗口來(lái)捕捉光子，這有助于高精度地確定光子的飛行時(shí)間。具體到每個(gè)光子的時(shí)間戳記錄，使用時(shí)間相關(guān)的單光子步進(jìn)偏移計(jì)數(shù)技術(shù)，記錄每個(gè)探測(cè)到的光子的到達(dá)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)高精度的深度信息獲取。

2. 時(shí)空反相關(guān)技術(shù)：通過(guò)利用糾纏光子對(duì)的時(shí)空反相關(guān)性，即使在干擾信號(hào)的存在下，也能區(qū)分目標(biāo)光信號(hào)與其他光源。例如，實(shí)驗(yàn)中使用SPAD單光子相機(jī)設(shè)置特定的門(mén)控窗口，只有當(dāng)糾纏光子對(duì)同時(shí)到達(dá)相機(jī)時(shí)，才會(huì)記錄事件，從而有效過(guò)濾掉非目標(biāo)光源的信號(hào)。

在該量子LiDAR系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，研究團(tuán)隊(duì)展示出了其在處理同步和異步的干擾信號(hào)方面的顯著性能。系統(tǒng)通過(guò)使用時(shí)間門(mén)控和空間反相關(guān)技術(shù)，成功地從其他光源干擾中分離出目標(biāo)光信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的干擾環(huán)境下準(zhǔn)確地成像和測(cè)距，即使在有意的欺騙攻擊和背景LiDAR系統(tǒng)的干擾下也能保持高精度和高信噪比。

并且還通過(guò)更具體的測(cè)試場(chǎng)景如模擬多個(gè)LiDAR系統(tǒng)并行工作和環(huán)境光干擾，來(lái)驗(yàn)證量子LiDAR系統(tǒng)證明了其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和優(yōu)越性。實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果如下圖所示：

這些實(shí)驗(yàn)不僅驗(yàn)證了量子LiDAR在技術(shù)上的前瞻性，也為未來(lái)其它應(yīng)用領(lǐng)域提供了重要的參考價(jià)值。量子LiDAR技術(shù)通過(guò)利用量子糾纏光子對(duì)的獨(dú)特性質(zhì)，顯著提升了LiDAR系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的性能。特別是在高干擾的環(huán)境中，如多LiDAR系統(tǒng)操作或強(qiáng)烈背景光的情況下提高對(duì)目標(biāo)物甄別的能力。

該實(shí)驗(yàn)中所應(yīng)用的SPAD單光子相機(jī)為SwissSPAD2，其為瑞士Piimaging公司目前所產(chǎn)SPAD5122的前身，陣列像素為512×512，無(wú)讀出暗噪聲，幀率最高為100000幀/S，步進(jìn)偏移精度為17ps。

未來(lái)，這種技術(shù)有望在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人技術(shù)以及民用遙感領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。