最新激光雷达成为”千里眼“，325米外可生成毫米级人脸3D图像
最新激光雷达成为”千里眼“，325米外可生成毫米级人脸3D图像
AI划重点：全文约3006字，阅读需9分钟
1.英国赫瑞瓦特大学研究团队开发出一款新型激光雷达，可在1000米外获得物体或场景的高分辨3D图像。
2.该雷达在325米外的人脸成像可达到毫米级清晰度，最远识别距离可达10公里。
3.其中，超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是雷达的关键组件，可检测到单光子，实现极低的激光功率水平。
4.实验组对光学布局、组件和光学机械进行了多次重大升级，提高了在距离、激光功率水平、数据采集时间和深度分辨率之间的权衡灵活性。
5.由于此雷达的低时许抖动和高效率特质，其在恶劣环境和障碍物的影响较小，为智驾系统带来更高的安全冗余和保障。
激光雷达方面又有新进展，英国赫瑞瓦特大学研究团队开发出一款新型雷达，可以获得1000米之外的物体或场景的高分辨3D图像，无视恶劣环境条件和树叶、伪装网遮挡，325米外的人脸也能实现毫米级的清晰成像，并在最远10km的范围内能识别车辆类别。测距更远、精细度更高的激光雷达方案有利于为智驾留有更多时间，带来更高安全冗余和保障。
技术说明
这个系统的关键组件是一种超导纳米线单光子探测器（SNSPD），由麻省理工大学和JPL研究团队共同开发，SNSPD可以检测到单光子，这意味着可以使用功率极低的激光器（包括人眼安全激光器）在极短时间内进行短距离测量。
其主要原理是激光源和SNSPD通过光纤耦合到收发器，并使用一对计算机控制的振镜和中继光学元件对场景上的照明光束进行光栅扫描，并将收集的返回光子引导至接收通道。使用一组高性能硬涂层滤光片对指向接收通道光纤的光子进行光谱过滤。
图 1：(a) 基于飞行时间的深度成像系统示意图。(b) SNSPD 器件的注释显微镜图像。(c)中的高倍显微镜图像显示了 25µm 长、10µm 宽的有效区域，以及连接的锥形轨的末端。(d) 中显示的是在 35m 外的逆反射目标板上通过单像素测量获得的整个系统 IRF 图--在 1550nm 工作波长下，FWHM 时序抖动值为 12.6ps。资料来源：Aongus McCarthy, Gregor G. Taylor, Jorge Garcia-Armenta 等人，《High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors》，《Optica》（2025）。
为了提升性能，实验组对光学布局、组件和光学机械进行了几次重大升级，如将五元件透镜换位直径为90的离轴抛物面镜，以显著减少内部背向反射并稍微降低透视损耗。最终收发器示意图如下：
图 2：（a）单站单像素扫描收发器的光学布局示意图。b）定制设计的收发器光学机械组件的机械 CAD 模型注释图像。(c) 中的照片是从类似视角拍摄的实际收发器组件（外壳已拆除）。资料来源：Aongus McCarthy, Gregor G. Taylor, Jorge Garcia-Armenta 等人，《High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors》，《Optica》（2025）。
最终，这些因素提高了在距离、激光功率水平、数据采集时间和深度分辨率之间权衡的灵活性。此外，由于SNSPD探测器的工作波长可以超过1550nm，这种设计为开发中红外单光子激光雷达系统打开了大门，可以进一步增强透过雾、烟和其它遮蔽物的成像效果。
远距离测量结果
研究人员在赫瑞瓦特大学校园内对其激光雷达系统进行了实地测试，对45m 、325m 和 1km 外的物体进行了测量。
为了评估空间和深度分辨率，他们扫描了一个定制的 3D 打印目标，目标的柱子大小和高度各不相同。在 45m 和 325m 的日光下，该系统能分辨出小至 1mm 的特征--深度分辨率比他们以前所取得的成绩高出约 10 倍。他们还使用每像素 1ms 的采集时间、对眼睛安全的 3.5mW 激光器和最低限度的数据处理，在这些距离上捕捉到了人脸的 3D 图像。
图 3：在白天（约 40klux，平均背景计数率约为 17kcounts/s）距离 45m 处测量 3D 打印柱阵列目标的结果。资料来源：Aongus McCarthy, Gregor G. Taylor, Jorge Garcia-Armenta 等人，《High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors》，《Optica》（2025）。
下图是日光下45米的人像采集，人（论文合著者）靠在胶合板背板上，（b）、（c）分别为激光雷达采集的深度和强度图，（d）为深度剖面斜视图。值得注意的是，45米的距离下，服装衣领上的纽扣这种小特征在深度和强度图中也清晰可见。
图 4：合著者之一（GGT）在日光下以每个像素 1ms 的采集时间和每个像素约 200µW 的平均光输出功率，在 45m 远的距离采集的深度和强度测量数据。资料来源：Aongus McCarthy, Gregor G. Taylor, Jorge Garcia-Armenta 等人，《High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors》，《Optica》（2025）。
325米处的人像检测如下。和45米的扫描相比，能看到325米处的扫描受大气条件影响变大，像素数量降低。原因可能是出射和/或返回光子因局部温度梯度或湍流引起的光束路径中，空气折射率变化而偏离轨道的时间。但是，即使如此，即使仅使用像素级互相关分析技术，这个激光雷达系统也能在325米的对峙距离上实现毫米级深度和空间分辨率。
图 5：在日光下且在 325m 的距离上对三个不同的场景进行深度强度测量——柱阵列、真人大小的聚苯乙烯头像和合著者GGT。资料来源：Aongus McCarthy, Gregor G. Taylor, Jorge Garcia-Armenta 等人，《High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors》，《Optica》（2025）。
McCarthy 说：“该系统出色的深度分辨率意味着它特别适用于对杂物（如树叶或伪装网）后面的物体进行成像，而这种情况对数码相机来说是很困难的。例如，它可以分辨出伪装网后几厘米处的物体，而分辨率较低的系统则无法分辨出该物体。”
超强阳光下扫描到1km以外的信号塔：
资料来源：Aongus McCarthy, Gregor G. Taylor, Jorge Garcia-Armenta 等人，《High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors》，《Optica》（2025）。
研究团队给出的结论是：目前这个激光雷达系统可能可以适用于最远1公里距离的面部和人类活动识别应用，同时，在最远10公里的范围内，这一系统可以提供足够的细节来识别中等大气湍流水平的车辆类别（如汽车、货车）。此外，SNSPD具有的低时许抖动和高效率特质，意味着即使低ABR，也只需要几十个目标返回的光子，即可形成高分辨率的深度图像，这为其改善杂波后面、障碍物周围或浑浊介质中的场景成像提供可能性，亦即受恶劣环境和障碍物的影响较小。
总的来说，在激光雷达的较高精度探测距离能达到1000米，325米外能实现毫米级成像，以及10km外能识别车辆信息的技术发展下，激光雷达所能带来的安全冗余变得更为明显。因其光子特性受视觉距离的限制小，其对环境检测的距离和精度都可以进一步提升，在主动光源的探测下生成周围长距离、大范围的环境细节成像，使整个智驾系统具有更从容的反应时间。
Ref：《High-resolution long-distance depth imaging LiDARwith ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors》论文，发布于《OPTICA》