中國科學技術大學教授潘建偉、徐飛虎等實現(xiàn)超過200公里的遠距離單光子三維成像，首次將成像距離從十公里突破到百公里量級，為遠距離目標識別、對地觀測等領域的應用開辟了新道路。該成果于近期發(fā)表在國際學術知名期刊《Optica》上[Optica 8,344-349, 2021]。

如何“看得更遠、看得更清”是人類對視覺感知的不懈追求。近年來發(fā)展的激光雷達成像技術能夠對目標場景進行高精度三維成像。單光子成像雷達作為一種具有單光子級探測靈敏度和皮秒級時間分辨率的新興激光雷達成像技術，是實現(xiàn)遠距離光學成像的理想方案。然而，如何實現(xiàn)遠距離單光子成像雷達該領域的研究熱點。隨著成像距離的拓展，從目標返回的信號光子急劇減少；大氣擾動和散射、太陽背景、單光子探測器的暗電流等方面會帶來大量的背景噪聲；簡單的提高激光功率無法解決遠距離條件下信噪比極低的問題；因此，實現(xiàn)遠距離成像雷達面臨著巨大挑戰(zhàn)。

潘建偉、徐飛虎研究組經(jīng)過長期的成像算法和光學技術攻關，發(fā)展了單像素單光子成像算法、近紅外波段高效率單光子收集和探測、近衍射極限收發(fā)一體光學控制等核心技術。研究團隊于2019年在城市環(huán)境中實現(xiàn)了距離達45公里的單光子三維成像[Photonics Research 8, 1532(2020)]，突破了由英國哈利瓦特大學保持的最遠距離紀錄（10公里）。在此基礎上，研究團隊通過進一步技術突破，將成像距離拓展到201.5公里，成像靈敏度達到平均每個像素0.4個信號光子[Optica 8,344, 2021]。為了實現(xiàn)百公里單光子成像，研究團隊搭建了全新的單光子雷達系統(tǒng)（圖1），并發(fā)展了針對遠距離成像的多項新技術，包括原創(chuàng)的時間濾波抑制噪聲技術（提高信噪比達50倍），自主研制的小型化高效率、低噪聲銦鎵砷紅外單光子探測器（探測效率19.3%， 暗計數(shù)0.1kHz），對整套光學系統(tǒng)進行光學鍍膜（系統(tǒng)透過率提高2倍）等。基于此單光子雷達系統(tǒng)，研究人員于2020年1月在新疆的高山上對百公里外的多個目標進行三維成像（圖2），并測試了單光子計算成像算法；結果顯示該系統(tǒng)可以在200公里范圍內(nèi)進行精確的三維成像，成像靈敏度達到單像素單光子。

圖1.單光子成像實驗裝置圖：(a)201.5 km外目標的可見光相機圖，(b)光學系統(tǒng)示意圖，(c)實驗裝置實物，(d)實驗場地圖。

圖2.201.5 km成像結果（a）可見光相機圖，（b）算法重構結果圖，（c）重構結果立體視圖。

該研究工作對于面向低功耗、高分辨率等實用化需求的遠距離激光雷達研究具有重要應用價值。審稿人對該工作給予高度評價，稱贊“在遠距離成像上的成就令人印象深刻”（the achievement of long-range imaging is impressive）、“在遠距離單光子成像中的一次壯舉”（an almost “heroic” attempt at single photon lidar imaging at very long distances）。

中國科學技術大學博士生黎正平、葉俊天和黃鑫是本論文的共同第一作者。該工作得到科技部、基金委、中科院、安徽省和上海市等部門的資助和支持。

論文鏈接：https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-8-3-344&id=449006