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数据库Laser Photon. Rev. | 弱光慧眼锁定“低慢小”
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本文由论文作者团队投稿
导读
随着低空经济、智能巡检、城市安防和应急救援等应用的快速发展，无人机、低空飞行器等“低慢小”目标正在成为空域安全感知中的重要对象。此类目标通常飞行高度较低、速度变化灵活、尺寸较小，在复杂背景下易被建筑物、树木、云层和光照变化淹没。尤其在夜间、远距离或强背景干扰条件下，目标在成像系统中只占少量像素，信号极弱、细节缺失，给实时探测、跟踪和识别带来巨大困难。
传统光学成像系统通常需要在“看得广”和“看得清”之间做取舍。数字放大虽然可以将目标区域显示得更大，但本质上依赖插值计算，无法真正补偿经丢失的结构细节。光学变焦可以提高局部空间分辨率，却往往以牺牲视场范围为代价，易在搜索过程中遗漏其他目标。对于“低慢小”目标监测，系统既要保持大范围搜索能力，又要在目标出现后迅速把有限的采样、光子和计算资源集中到目标区域，这一矛盾长期制约着低空弱光成像系统的发展。
单像素成像为解决这一问题提供了新的技术路径。与传统阵列相机不同，单像素成像通过空间掩膜调制目标，并利用单点探测器获取测量信号，结合计算重建得到图像。当该技术与单光子探测结合时，系统将具备面向极弱光和远距离的高灵敏探测优势。然而，现有单像素成像方法通常需要对整个视场进行均匀采样，难以将资源动态分配给真正需要关注的目标区域。传统凝视式单像素成像虽然提升了局部区域的像素密度，但会降低背景区域的感知能力，并在多目标或干扰目标共存时容易出现定位和成像失配。
针对上述难题，太原理工大学提出了一种光子级自适应单像素成像技术。该技术首先利用无图像目标检测框架，从一维单像素测量信号中直接判断目标类别、位置和尺寸。随后根据目标区域自动匹配缩放后的调制掩膜，对感兴趣区域进行局部高质量重建。相关成果发表在Laser & Photonics Reviews，题为Photon-Level Single-Pixel Imaging for Full-Field Sensing and Dynamic Region of Interest Adaptive Capture。
“低慢小”目标通常指低空飞行、速度较慢、雷达或光学特征较弱的小型目标，典型对象包括小型无人机、微型飞行器、低空巡检平台以及远距离小尺寸运动目标。它们的共同特点是外形尺寸小、机动灵活、背景复杂度高，在光学图像中往往只占据极少像素。在远距离或夜间条件下，其回波和反射光强进一步减弱，导致目标边缘、姿态和关键结构难以辨认。
一、自适应成像技术原理
该技术首先利用全视场调制掩膜获取一维测量信号，并通过无图像目标检测网络直接解析目标类别、位置、尺寸及全视场信息。随后，系统依据目标的空间位置、尺度和类别，在调制器件对应区域自适应加载小尺度掩膜，实现局部放大成像。该策略无需增加额外计算资源，即可显著提升目标区域像素密度和细节分辨能力。为提高压缩测量中的空间感知能力，研究团队在网络中加入图像重建分支，并通过交叉注意力模块增强检测分支与重建分支的信息交互。
图1：光子级自适应单像素成像技术示意图
图源： Laser & Photonics Reviews
二、多尺度自适应放大成像
该技术建立了基于掩膜缩放的自适应成像机制。系统可根据目标位置和尺寸，选择更小、更贴合目标的调制掩膜组，使有限采样集中作用于感兴趣区域，从而提高局部像素密度。与传统全视场高分辨率成像不同，这种方法不是把整幅图像平均做细，而是把“精细采样”投向真正有价值的区域。实验显示，该技术在1-6倍放大范围内保持稳定重建质量，能够更清楚地呈现远距离小目标的关键结构。
图2：多尺度放大成像
图源：Laser & Photonics Reviews
三、多目标、干扰目标放大成像
在真实低空环境中，视场内通常存在多个目标及复杂干扰。该技术可通过类别信息判断，准确区分相关目标与无关目标，并仅对需要关注的对象执行局部放大成像。实验结果表明，当目标附近存在一个或多个白色干扰点时，系统仍能准确识别数字目标并完成局部重建；当视场中同时出现多个相关目标时，系统也可依次完成定位与放大成像。
图3：多目标干扰成像
图源：Laser & Photonics Reviews
四、室外远距离自适应成像
为验证所提出技术在实际场景中的适用性，研究团队搭建了光子级单像素激光雷达对距离系统75 m的无人机、交通灯和定制车牌进行成像。结果表明，传统全视场成像方法只能恢复目标的粗略轮廓，大部分细节结构丢失。相比之下，所提出技术在全视场结果中已经能够给出较清晰的目标外形，并在局部放大阶段进一步恢复无人机云台、交通信号灯灯珠以及车牌字符等细节信息。
图4：户外成像结果
图源：Laser & Photonics Reviews
五、技术挑战及未来展望
该研究将光子级单像素探测、无图像目标检测、自适应掩膜调制和轻量化重建相结合，形成了一种面向弱光小目标的“全局感知—局部增强”成像范式。其价值不仅在于提高局部图像质量，更在于改变成像资源分配方式，使系统能够根据目标状态进行采样和成像。未来，若想实现工程化应用，仍需进一步突破时间相关单光子计数器带来的速度瓶颈，并结合高速空间光调制器、轻量化网络和嵌入式部署提升系统实时性。
论文信息
Song, Kai, et al. "Photon‐Level Single‐Pixel Imaging for Full‐Field Sensing and Dynamic Region of Interest Adaptive Capture." Laser & Photonics Reviews (2026):
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202502483
作者简介
宋恺，第一作者，太原理工大学物理与光电工程学院在读博士生，研究生方向为：计算成像、单光子成像、单像素成像。以第一/共一在Advanced Photonics、Laser & Photonics Reviews、Photonics Research、Advanced Photonics Nexus等期刊发表SCI论文10余篇，授权发明专利2项，主持山西省研究生创新项目1项，曾获研究生国家奖学金、全国研究生电子设计大赛二等奖等荣誉。
卞耀兴，通讯作者，太原理工大学物理与光电工程学院副教授，硕士生导师。博士毕业于北京师范大学，目前主要研究方向为随机激光器、单光子成像、单像素成像。在Advanced Photonics、Laser & Photonics Reviews、Photonics Research、Advanced Photonics Nexus等期刊发表SCI论文30余篇，授权发明专利10项，主持国家自然科学基金项目1项，省部级项目1项目。
肖连团，通讯作者，太原理工大学教授，博士生导师，兼任山西大学量子光量子技术与器件全国重点实验副主任。在Nature Physics、Nature Communications、Science Advances、Light: Science & Applications、Physical Review Letters、Advanced Photonics等发表学术论文180余篇，获国家/国际发明专利授权30余项。研究成果入选中国高等学校十大科技进展和中国光学领域十大社会影响力事件（Light 10），获教育部技术发明一等奖。
编辑：赵唯
审核：赵阳
