近日，科研人员在激光雷达技术领域取得了突破性进展，成功研发出一种新型单光子飞行时间激光雷达系统。该系统具备在复杂环境下对远距离目标进行高分辨率三维成像的能力，其应用范围广泛，涵盖了安全监控、遥感探测等多个领域。
据参与研究的英国赫瑞瓦特大学团队成员Aongus McCarthy介绍，他们所采用的单光子探测器效率显著优于同类系统，几乎是其他研究小组所用探测器的两倍。同时，该系统的时间分辨率也实现了大幅提升，至少提高了10倍。这些技术上的改进使得新系统能够从目标物体上收集到更多的散射光子，进而实现更高的空间分辨率。
在《Optica》杂志上，由英国和美国多家机构组成的联合研究小组展示了该系统在325米外成功构建出清晰可辨的人脸三维图像。这一成果不仅验证了系统的先进性，也为其在实际应用中的推广奠定了坚实基础。
该系统基于光的测距原理，通过测量激光脉冲从系统发射到物体上某一点再返回所需的时间来计算物体的距离。随后，系统会对物体上的各个点进行重复测量，以获取完整的三维信息。为了实现这一目标，研究人员采用了由麻省理工学院和NASA喷气推进实验室联合开发的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。这种探测器能够检测到单个光子，从而允许使用极低功率的激光进行长距离测量，同时确保激光对人眼的安全性。
为了降低噪声水平并提高探测器的灵敏度，研究团队将其冷却至接近绝对零度的温度。这一任务由格拉斯哥大学小组设计和建造的紧凑型低温冷却系统完成。研究人员还将冷却后的SNSPD与赫瑞瓦特大学McCarthy设计的新型单像素扫描收发器相结合，该收发器工作在1550纳米波长。同时，他们还引入了先进的定时设备，以测量精确到万亿分之一秒（皮秒）的时间间隔。
据McCarthy介绍，这些技术因素在距离、激光功率水平、数据采集时间和深度分辨率之间提供了更大的灵活性。他进一步指出，由于SNSPD探测器可以在1550纳米以上的波长工作，这一设计为开发中红外单光子激光雷达系统开辟了新途径，有望进一步增强系统在雾、烟雾等遮蔽物中的成像能力。
为了验证系统的性能，研究人员在赫瑞瓦特大学校园内进行了现场测试。他们分别测量了45米、325米和1公里外的物体，并成功解析了小至1毫米的特征。在白天条件下，系统在45米和325米处展现出了卓越的深度分辨率，比他们之前实现的提高了约10倍。他们还使用对人眼安全的3.5毫瓦激光和每像素1毫秒的采集时间，在这些距离上成功捕获了人脸的三维图像。
尽管目前的现场试验范围限制在1公里内，但研究人员对未来充满信心。他们计划将测试距离扩展至10公里，并探索系统在烟雾、雾霾等大气遮蔽物中的成像能力。研究团队还将致力于利用先进的计算方法加速数据分析，以实现对更远场景的快速成像。
