研究人员首次展示了一种原型激光雷达系统，该系统使用量子检测技术在淹没在水下时获取 3D 图像。该系统的高灵敏度使其即使在水下极低光照条件下也能捕获详细信息。

量子激光雷达原型在完全浸入水下时获取实时3D图像

“这项技术可用于广泛的应用，”研究团队成员、英国赫瑞瓦特大学皇家工程院研究员 Aurora Maccarone 说。“例如，它可用于检查水下装置，例如水下风电场电缆和涡轮机的水下结构。水下激光雷达还可用于监测或测量水下考古遗址以及安全和国防应用。”

通过海水获取 3D 图像可能具有挑战性，因为它受光限制，水中的任何颗粒都会散射光并扭曲图像。然而，单光子检测是一种基于量子的技术，具有非常高的穿透力，即使在弱光条件下也能工作。

在 Optica Publishing Group 期刊Optics Express中，赫瑞瓦特大学和爱丁堡大学的研究人员描述了将整个单光子激光雷达系统浸没在大型水箱中的实验。与研究团队早期的水下单光子探测实验相比，新的演示使该技术更接近实际应用，这些实验是在精心控制的实验室条件下进行的，光学装置放置在水箱外，数据分析离线进行。他们还实施了新的硬件和软件开发，允许实时重建系统获取的 3D 图像。

“这项工作旨在使量子检测技术可用于水下应用，这意味着我们将能够在非常低的光照条件下对感兴趣的场景进行成像，”Maccarone 说。“这将影响每个人都在使用的海上电缆和能源设施的使用。这项技术还可以在无人值守的情况下进行监测，这意味着海洋环境中的污染更少，侵入性也更小。”

更快的弱光检测

激光雷达系统通过测量激光从场景中的物体反射并返回系统接收器所需的时间(称为“飞行时间”)来创建图像。在这项新工作中，研究人员寻求开发一种方法来获取目标的 3D 图像，这些目标被浑水遮挡，因此传统激光雷达成像系统看不到这些图像。

他们设计了一种激光雷达系统，使用绿色脉冲激光源照亮感兴趣的场景。反射的脉冲照明由单光子探测器阵列探测，可实现超快低光探测，并大大缩短在高衰减水等光子匮乏环境中的测量时间。

“通过以皮秒计时分辨率进行飞行时间测量，我们可以定期解析场景中目标的毫米级细节，”Maccarone 说。“我们的方法还使我们能够区分目标反射的光子与水中粒子反射的光子，使其特别适合在高度浑浊的水中进行 3D 成像，在这种情况下，光学散射会破坏图像对比度和分辨率。”

事实上，这种方法需要数千个单光子探测器，每秒都会产生数百个事件，这使得在短时间内检索和处理重建 3D 图像所需的数据极具挑战性，尤其是对于实时应用。为了解决这个问题，研究人员开发了专门用于在高散射条件下成像的算法，并将它们与广泛使用的图形处理单元 (GPU) 硬件结合使用。

这项新技术建立在一些重要的技术进步之上。“赫瑞瓦特大学在单光子检测技术和单光子数据图像处理方面有着悠久的历史，这使我们能够在极具挑战性的条件下展示先进的单光子成像，”Maccarone 说。“爱丁堡大学在单光子雪崩二极管探测器阵列的设计和制造方面取得了根本性进展，这使我们能够构建基于量子探测技术的紧凑而强大的成像系统。”

水下测试

在优化实验室光具座上的光学设置后，研究人员将激光雷达系统连接到 GPU 以实现数据的实时处理，同时还实施了多种三维成像图像处理方法。系统正常工作后，他们将其转移到一个长 4 米、宽 3 米、深 2 米的水箱中。

随着系统浸没在水中，研究人员以可控的方式添加了一种散射剂，使水更加浑浊。在三个不同的浊度水平下进行的实验表明，在 3 米距离的受控高散射场景中成功成像。

“单光子技术正在迅速发展，我们已经在水下环境中展示了非常有希望的结果，”Maccarone 说。“该方法和图像处理算法还可以用于更广泛的场景，以改善自由空间中的视觉，例如在雾、烟或其他遮蔽物中。”

研究人员现在正在努力缩小系统的尺寸，以便将其集成到水下航行器中。 通过英国量子技术中心网络和 InnovateUK，研究人员正在与业界合作，使该技术可用于一系列水下应用。