中科大实现公里级非视域成像,有望应用于交通、安保等场景

非视域成像技术成像实验

光沿直线传播,不会拐弯,如果前方有障碍物,是否还能看到其后的人或物?

近日,中国科学技术大学教授潘建伟、窦贤康、徐飞虎等实验实现了1.43公里的远距离非视域成像,首次将成像距离从米级提高到公里级,为非视域成像技术的开拓及在实际场景中的应用开辟了新道路。

该成果3月4日发表于美国《国家科学院院刊》上。论文题为“Non–line-of-sight imaging over 1.43 km”。

传统成像技术是对视域内的物体进行观测,而非视域成像技术则能够对隐藏在视线外的物体进行拍照,类似“视线拐弯”或“隔墙观物”。后者能够拓展人类的成像能力,在医学、机器人、制造业和科学成像等应用领域具有变革潜力。

非视域成像的实现过程通常是将激光脉冲发射到中介墙上,利用中介墙使激光散射到被遮挡的非视域场景中,该场景中的隐藏物体再次将激光散射到中介墙上,最后被中介墙散射至接收系统。整个过程激光经历了3次漫反射,通过记录光量子的飞行时间信息,并利用计算成像算法可以实现对非视域场景的重构。目前,非视域成像仅能在实验室内进行短距离的原理性验证。

中国科学技术大学研究团队演示了远距离(即公里级)非视域成像,他们希望将这项技术推广到交通、国防、公共安全和安保等现实场景中。

将非视域成像扩展到远距离的主要障碍是信号强度、背景噪声和光学发散。由于激光经过多次漫反射,整个光路存在巨大的衰减。此外,多次漫反射导致的时空信息混杂,使得成像算法成为一个科研难题。

1.43公里的非视域成像实时检测与跟踪实验

研究团队从光学系统和重构算法出发,通过系统性设计远距离成像解决方案,发展高效率、低噪声的非视域成像系统以及高效的成像算法,将非视域成像的距离从米级提高到公里级,相比先前的实验结果提升了3个数量级。

在光学系统方面,他们基于双望远镜共焦光学设计,开发了一套近红外波长的高效率非视域成像系统,成功克服漫反射带来的160分贝光学衰减。

在算法方面,采用凸优化算法,并结合精确的成像模型和压缩感知等成像理论,解决了多次漫反射所导致的时空混合问题。

最终,成功在现场环境下实现对1.43公里外的非视域场景进行成像以及对隐藏的物体进行实时跟踪。

研究团队在论文中提出,未来可以使用先进设备,如飞秒激光器、高效超导探测器和SPAD阵列探测器来提高成像分辨率、提高成像速度,扩大隐藏场景的规模。他们认为,这项研究对将非视域成像技术,从短程验证转移到户外和实际应用具有重要意义。

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