成像专题 | 实现毫米级空间分辨力的高精度非视域成像技术 (PRL)

实现毫米级空间分辨力的高精度非视域成像

High-resolution Non-line-of-sight Imaging with Picosecond Temporal Resolution

本期导读

传统光学成像手段只能对相机视场范围内的目标物体进行成像。非视域成像利用单光子探测技术记录单个光子的飞行时间信息，结合相关计算成像算法，可以实现对相机视场范围外的目标成像。该技术在反恐侦察、医疗检测等领域具有广泛的应用价值。在非视域成像技术中，由于光子的飞行时间信息(ToF) 包含了物体间的相对空间位置信息，故对光子飞行时间记录的精度会直接影响物体三维空间重构的精度。近十年来，非视域成像技术在系统硬件和成像算法方面均得到快速发展，但传统的非视域成像实验受限于单光子探测器的时间分辨能力（最优几十皮秒），其成像精度仅能达到厘米级。

为解决非视域成像中的时间分辨能力障碍，来自中国科学技术大学的研究团队利用脉冲泵浦频率上转换探测技术，实现了时间分辨能力达到1.4皮秒的近红外单光子探测器（图1）。基于该高分辨、低噪声近红外波段单光子探测器，搭建非视域成像系统，实现了毫米级非视域三维成像，是当前实现非视域成像超高精度的技术手段之一。该研究成果于2021年7月发表于国际知名学术期刊《Physical Review Letters》（编辑推荐文章）上，并被Physics SYNOPSIS、Physics Today及Physics World等数家媒体进行了报道。

图1. (a). 高精度非视域成像装置，(b). 脉冲泵浦上转换单光子探测器时间分辨力实验结果，(c). 脉冲泵浦上转换单光子探测器探测效率及暗计数实验结果。

技术路线

1、高分辨低噪声单光子探测

三维非视域成像需要依赖单光子探测器的高时间分辨能力来精确记录经过三次漫反射的信号光子的飞行时间信息。该研究团队使用短脉冲泵浦技术，在和频过程中，通过脉冲宽度所确定的时间门，来精准定位当前光子计数的相对时间位置，并配合高精度大范围的自由空间延迟线，可实现在纳秒级范围内以1.4皮秒的高精度来对信号进行重构。

由于非视域成像中信号经三次漫反射，信号衰减大，信噪比对于成像质量极为重要。研究人员通过将时间数字转换模块与泵浦激光同步，采用时间相关单光子探测配合时间域滤波后处理，成功实现低至5Hz的噪声计数。

2、高精度同轴非视域成像系统

非视域成像重构算法light-cone-transform是基于收发同轴系统设计的。但在实际实验过程中，视域内的漫反射墙会带来极强的一次回波，使单光子探测器饱和并带来后脉冲效应，影响后续隐藏目标回波信号的探测。这是前期相关研究工作中普遍存在的问题。之前的研究工作中，为了避免该问题带来的影响，会将激光照明点与接收视场偏离，在尽可能减少对分辨率产生影响的前提下，降低一次回波带来的影响。但在高精度成像时，这种偏离使得实验模型偏离算法设计，会极大影响空间分辨能力。研究团队所研制的脉冲泵浦上转换单光子探测可在时间上对一次回波和三次回波进行分时探测，从而避免一次回波过强，影响三次回波的探测，故可以尽可能搭建完美的同轴成像系统，从而充分发挥算法的性能。

结果展示

基于高分辨单光子探测和高精度同轴成像系统，研究团队展示了系统的高空间分辨能力，纵向空间分辨能力达到0.18mm（图2），横向空间分辨能力达到2mm（图3）。最终，研究团队成功对视域外毫米级大小的字母实现了高精度非视域成像（图4）。

图2. 纵向空间分辨检验示意

图3. 横向空间分辨检验示意

图4. (a). 成像目标文字，(b). 本工作非视域成像结果， (c). 传统非视域成像结果。

总结与展望

该研究工作通过搭建高时间精度单光子探测系统，实现了毫米级高精度三维非视域成像，探索在高精度情形下非视域成像过程存在的影响因素。该高精度非视域成像系统，对于进一步发展非视域成像算法、检验算法性能、探索非视域成像过程的影响因素具有重要价值。

论文信息：

Bin Wang, Ming-Yang Zheng, Jin-Jian Han, Xin Huang, Xiu-Ping Xie, Feihu Xu, Qiang Zhang, and Jian-Wei Pan, Non-Line-of-Sight Imaging with Picosecond Temporal Resolution, Phys. Rev. Lett. 2021.

技术详见：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.053602

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