基于SPAD單光子相機(jī)的LiDAR技術(shù)革新

單光子光探測和測距（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zui近取得了進(jìn)展，一個開放的挑戰(zhàn)是能夠隔離激光雷達(dá)信號從其他假源，包括背景光和干擾信號。

本文介紹了一種基于量子糾纏光子對的LiDAR（光探測與測距）技術(shù)，該技術(shù)通過利用時空糾纏光子對及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)作為探測端，并通過內(nèi)置的時間相關(guān)單光子步進(jìn)偏移計數(shù)技術(shù)來提高測量時間精度。光源使用了一個基于β-鋇硼酸鹽（BBO）晶體的非線性光學(xué)晶體來產(chǎn)生糾纏光子對。

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

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

1. 時間相關(guān)單光子步進(jìn)偏移計數(shù)：通過記錄每個單獨(dú)光子的時間戳，能夠以皮秒級的時間分辨率捕捉光子。這種高分辨率計時信息對于確定光子從目標(biāo)反射回來的準(zhǔn)確時間至關(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的步進(jìn)偏移時間分辨率。實(shí)驗(yàn)利用了時間門控技術(shù)，通過精細(xì)地移動時間窗口來捕捉光子，這有助于高精度地確定光子的飛行時間。具體到每個光子的時間戳記錄，使用時間相關(guān)的單光子步進(jìn)偏移計數(shù)技術(shù)，記錄每個探測到的光子的到達(dá)時間，從而實(shí)現(xiàn)高精度的深度信息獲取。   

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

在該量子LiDAR（光探測與測距）系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試中，研究團(tuán)隊(duì)展示出了其在處理同步和異步的干擾信號方面的顯著性能。系統(tǒng)通過使用時間門控和空間反相關(guān)技術(shù)，成功地從其他光源干擾中分離出目標(biāo)光信號。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。

并且還通過更具體的測試場景如模擬多個LiDAR（光探測與測距）系統(tǒng)并行工作和環(huán)境光干擾，來驗(yàn)證量子LiDAR（光探測與測距）系統(tǒng)證明了其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。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（光探測與測距）在技術(shù)上的前瞻性，也為未來其它應(yīng)用領(lǐng)域提供了重要的參考價值。量子LiDAR（光探測與測距）技術(shù)通過利用量子糾纏光子性質(zhì)，顯著提升了LiDAR（光探測與測距）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（光探測與測距）系統(tǒng)操作或強(qiáng)烈背景光的情況下提高對目標(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，無讀出暗噪聲，幀率zui高為100000幀/S，步進(jìn)偏移精度為17ps。

未來，這種技術(shù)有望在自動駕駛、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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