地球上的远距离摄影一直是一个大的挑战。在很远的距离是很难从一个物体捕获足够的光形成影像的。即便能有足够的光，大气对光的折射会破坏也图像，城市中的空气污染也是一个问题。这使得在几公里之外很难获得任何图像（假设摄像机安装在离地足够高的地方以应对地球的曲率）。

但近年来，研究人员可以利用敏感的光电探测器获得更好的图像。这些探测器非常灵敏，它们可以接收到单个光子，并用它们将距离10公里远的物体的图像拼凑在一起。

尽管如此，物理学家们还是希望能有更多的改进，最近中国科技大学上海分校展示了如何在烟雾弥漫的城市环境中拍摄45公里外的目标物。他们使用单光子探测器结合独特的计算成像算法，通过将最稀疏的数据点编织在一起，实现超高分辨率图像。

图1 上海浦东民航大厦3D成像

这项新技术原理上相对简单，它是基于激光测距和探测，或者用激光照射物体，然后用反射光生成图像。这种主动成像的最大优点是，目标物反射的光子在一个特定的时间窗内返回探测器。因此，任何到达该窗口之外的光子都可以被忽略。这种“门控”可以显著降低环境中其他地方不需要的光子产生的干扰。

中国科技大学研究人员通过相同的光学仪器发送和接收这些光子，这是一个孔径为280毫米的普通天文望远镜。反射光子随后由商用单光子探测器检测。为了创建一个图像，研究人员使用一个压电控制的镜子来扫描视野，这种镜子可以上下左右倾斜。

这样他们就可以创建二维图像，然后通过改变快门时间，他们可以从不同的距离接收光子反射来构建3D图像。

该小组的最后一项进展是开发一种使用单光子数据将图像拼接在一起的算法。近年来，这种计算成像技术突飞猛进，使得研究人员能够从相对较小的数据集中创建图像。研究小组在上海崇明岛的一栋大楼的20层安装一台全新的摄像机，并将它指向河对岸大约45公里远的浦东民航大厦。

以前通过望远镜拍摄的图像只会显示噪音（噪音指干扰物）。但新技术产生的图像的空间分辨率约为60厘米。研究小组说：“这一结果证明了近红外单光子激光雷达系统在烟雾中探测目标方面的优越能力。”

图3 成像过程

这里的图像显示了这项技术在白天从21公里外拍摄图像的潜力。“我们的结果为超远距离高分辨率、快速、低功耗的三维光学成像开辟了一个新的途径”研究人员说。

这是一项有趣的工作，应用范围很广。该小组提到了遥感、空中监视和目标识别。事实上，整个装置的大小和一个鞋盒差不多，所以比较便携。

研究人员表示，“我们的系统可以通过优化达到在几百公里的范围内成像，因此代表着在超长距离内实现快速、低功率和高分辨率激光雷达的一个重要里程碑。”

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