利用量子效应滤除环境噪声，激光雷达清晰度提高40000倍
2020-03-07 14:24:45 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，美国史蒂文斯理工学院的研究人员创建了一种利用光量子特性的3D激光雷达（LiDAR）成像系统，其成像清晰度比当前的技术高40000倍。
将量子特性引入激光输出脉冲，然后过滤返回的入射光，探测器便只能感测到匹配量子特性的光子。
无视背景噪声的3D单光子成像实验装置
据麦姆斯咨询报道，美国史蒂文斯理工学院（Stevens Institute of Technology）的研究人员创建了一种利用光量子特性的3D激光雷达（LiDAR）成像系统，其成像清晰度比当前的技术高40000倍，为自动驾驶、卫星测绘、深空通信和视网膜医学成像等领域的突破性发展铺平了道路。
史蒂文斯理工学院量子科学与工程中心主任Yuping Huang领导的这项研究，解决了激光雷达发展数十年以来的老问题。激光雷达通过向远处的目标发射激光，然后探测反射光来获得与目标物体之间的距离，并生成3D图像。尽管这些系统中使用的光探测器足够灵敏，可以仅用少数反射光子来创建详细的3D图像，但是，它们很难从强背景光（如明亮的日光）中区分发射激光的反射光子。
即便使用网筛覆盖对象（左图），史蒂文斯理工学院开发的量子3D成像技术生成的图像（中图）仍能比当前技术（右图）清晰40000倍。
Huang说：“通常，探测器的灵敏度越高，它们对背景噪声也就越敏感。这就是我们现在要解决的问题。”他们的这项研究近日在线发表于《自然通讯》（Nature Communications）。
该技术采用了一种被称为“量子参数模式分选”（Quantum Parametric Mode Sorting, QPMS）的方法，该方法由Huang和他的团队在2017年发表的一篇Nature论文中首次提出。现在，Huang及其团队首次利用QPMS方法进行单光子噪声消除的实际展示。与大多数噪声过滤依赖于软件后处理来清除噪声不同，QPMS通过新奇的非线性光学器件来过滤光的量子特征，从而在传感器层面创建指数级清晰的图像。
在大量的背景噪声中检测承载信息的光子，就像试图从暴风雪中选出一片雪花一样困难，但这正是Huang的团队设法解决的问题。Huang及其团队开发了一种将特定量子特性引入激光的出射脉冲，然后过滤返回入射光的方法，使传感器仅记录具有匹配量子特性的光子。
其结果是成像系统仅对从目标返回的光子高度敏感，从而忽略所有不想要的噪声光子。即使每个载有信号的光子被34倍的噪声光子所淹没，利用该团队的方法仍可以生成清晰的3D图像。
该研究的主要作者史蒂文斯理工学院博士Patrick Rehain表示：“通过从源头‘过滤’光子检测，我们突破了在噪声环境中精确3D成像的极限。我们已经证明，与目前最先进的成像技术相比，我们可以降低大约40000倍的噪声。”
这种基于硬件的方案，可以使激光雷达在无法进行计算密集型后处理的嘈杂环境中应用。该技术还可以与基于软件的降噪技术相结合，以获得更好的成像结果。Rehain说：“我们的研究不是为了与计算方案竞争，而是为它们提供一种可以利用的新平台。”
实际上，QPMS降噪方案可以使激光雷达生成远至30公里范围的精确且细节丰富的3D图像。此外，它还可以用于深空通信，在这类通信中，来自太阳的强光通常会淹没远距离的激光脉冲。
不过，可能更令人兴奋的是，该技术还可以帮助医疗研究人员更精细地检查人体最敏感的器官。例如，通过实现几乎没有噪声的单光子成像，史蒂文斯理工学院的这种3D成像系统可以帮助研究人员使用几乎看不见的微弱激光束，创建细节高度丰富的人眼视网膜图像，而不会损坏眼睛的敏感组织。
Huang评价称：“单光子成像领域正在蓬勃发展。我们的研究成果在降噪方面迈出了一大步，它可以为众多应用创造以前无法想象的可能。”
延伸阅读：
《汽车人工智能计算技术及市场趋势-2019版》