地球上的遠距離攝影一直是一個大的挑戰。在很遠的距離是很難從一個物體捕獲足夠的光形成影像的。即便能有足夠的光，大氣對光的折射會破壞也圖像，城市中的空氣汙染也是一個問題。這使得在幾公里之外很難獲得任何圖像（假設攝像機安裝在離地足夠高的地方以應對地球的曲率）。
但近年來，研究人員可以利用敏感的光電探測器獲得更好的圖像。這些探測器非常靈敏，它們可以接收到單個光子，並用它們將距離10公里遠的物體的圖像拼湊在一起。
儘管如此，物理學家們還是希望能有更多的改進，最近中國科技大學上海分校展示瞭如何在煙霧瀰漫的城市環境中拍攝45公里外的目標物。他們使用單光子探測器結合獨特的計算成像算法，通過將最稀疏的數據點編織在一起，實現超高分辨率圖像。
圖1 上海浦東民航大廈3D成像
這項新技術原理上相對簡單，它是基於激光測距和探測，或者用激光照射物體，然後用反射光生成圖像。這種主動成像的最大優點是，目標物反射的光子在一個特定的時間窗內返回探測器。因此，任何到達該窗口之外的光子都可以被忽略。這種“門控”可以顯著降低環境中其他地方不需要的光子產生的干擾。
中國科技大學研究人員通過相同的光學儀器發送和接收這些光子，這是一個孔徑為280毫米的普通天文望遠鏡。反射光子隨後由商用單光子探測器檢測。為了創建一個圖像，研究人員使用一個壓電控制的鏡子來掃描視野，這種鏡子可以上下左右傾斜。
這樣他們就可以創建二維圖像，然後通過改變快門時間，他們可以從不同的距離接收光子反射來構建3D圖像。
該小組的最後一項進展是開發一種使用單光子數據將圖像拼接在一起的算法。近年來，這種計算成像技術突飛猛進，使得研究人員能夠從相對較小的數據集中創建圖像。研究小組在上海崇明島的一棟大樓的20層安裝一臺全新的攝像機，並將它指向河對岸大約45公里遠的浦東民航大廈。
以前通過望遠鏡拍攝的圖像只會顯示噪音（噪音指干擾物）。但新技術產生的圖像的空間分辨率約為60釐米。研究小組說：“這一結果證明了近紅外單光子激光雷達系統在煙霧中探測目標方面的優越能力。”
圖3 成像過程
這裡的圖像顯示了這項技術在白天從21公里外拍攝圖像的潛力。“我們的結果為超遠距離高分辨率、快速、低功耗的三維光學成像開闢了一個新的途徑”研究人員說。
這是一項有趣的工作，應用範圍很廣。該小組提到了遙感、空中監視和目標識別。事實上，整個裝置的大小和一個鞋盒差不多，所以比較便攜。
研究人員表示，“我們的系統可以通過優化達到在幾百公里的範圍內成像，因此代表著在超長距離內實現快速、低功率和高分辨率激光雷達的一個重要里程碑。”
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