基于SPAD單光子相機的LiDAR技術(shù)革新

單光子光探測和測距（激光雷達）是在復(fù)雜環(huán)境中進行深度成像的關(guān)鍵技術(shù)。盡管zui近取得了進展，一個開放的挑戰(zhàn)是能夠隔離激光雷達信號從其他假源，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單光子相機作為探測端，并通過內(nèi)置的時間相關(guān)單光子步進偏移計數(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單光子相機高速、高靈敏的特性，zui終能夠精確捕獲從目標反射回來的光子。

該系統(tǒng)使用兩種技術(shù)來提高測量的準確性和抗干擾能力：

1. 時間相關(guān)單光子步進偏移計數(shù)：通過記錄每個單獨光子的時間戳，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反射回來的準確時間至關(guān)重要。使用SPAD單光子相機，這種相機具有單光子靈敏度和皮秒級的步進偏移時間分辨率。實驗利用了時間門控技術(shù)，通過精細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)的單光子步進偏移計數(shù)技術(shù)，記錄每個探測到的光子的到達時間，從而實現(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)分目標光信號與其他光源。例如，實驗中使用SPAD單光子相機設(shè)置特定的門控窗口，只有當(dāng)糾纏光子對同時到達相機時，才會記錄事件，從而有效過濾掉非目標光源的信號。

在該量子LiDAR（光探測與測距）系統(tǒng)的實驗測試中，研究團隊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光信號。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的干擾環(huán)境下準確地成像和測距，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，來驗證量子LiDAR（光探測與測距）系統(tǒng)證明了其在實際應(yīng)用中的可行性。實驗和分析結(jié)果如下圖所示：

這些實驗不僅驗證了量子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)操作或強烈背景光的情況下提高對目標物甄別的能力。

該實驗中所應(yīng)用的SPAD單光子相機為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，步進偏移精度為17ps。

未來，這種技術(shù)有望在自動駕駛、機器人技術(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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