基于SPAD單光子相機(jī)的LiDAR技術(shù)革新

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（光探測(cè)與測(cè)距）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（光探測(cè)與測(cè)距）系統(tǒng)并行工作和環(huán)境光干擾，來(lái)驗(yàn)證量子LiDAR（光探測(cè)與測(cè)距）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（光探測(cè)與測(cè)距）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（光探測(cè)與測(cè)距）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（光探測(cè)與測(cè)距）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（光探測(cè)與測(cè)距）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zui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)以及軍事和民用遙感領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

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