"导读：

         近日，太原理工大学肖连团教授团队在Optics Express上发表了一篇题为《Single-photon single-pixel dual-wavelength imaging via frequency spectral harmonics extraction strategy》的研究文章，提出了一种基于频谱谐波提取策略的单光子SPDWI技术。该研究利用星秒科技的SPAD(星秒-SPD500) 和TCSPC(星秒-FT1040) 组成单光子单像素成像系统完成实验，实验结果表明SPDWI技术相较于传统光子计数成像技术，显著提升了成像质量并降低了背景噪声。"

      双波长成像技术在化学、农业和生态学等领域具有广泛的应用价值，能够通过不同波长的光照射物体，从而获取丰富的光谱信息。在单像素成像技术的加持下，双波长成像（SPDWI）可在亚奈奎斯特（sub-Nyquist）采样条件下重建高质量的图像，兼具高灵敏度、广谱响应范围和适应复杂环境的能力。基于单光子探测器（SPD）的单光子SPDWI技术能够在极弱光场景下提供更高的检测灵敏度，在生物医学成像、空间目标探测和量子通信等领域展现出巨大潜力。尽管单光子SPDWI技术在理论上具有诸多优势，但其实际应用仍面临一系列挑战，如高涨落噪声、通道间串扰以及成像所需光子数较大等。因此，发展一种新型的单光子SPDWI技术以克服这些局限性至关重要。本文提出了一种基于频谱谐波提取策略的单光子SPDWI技术，该方法利用不同重复频率的脉冲激光进行FDM调制，并通过傅里叶频谱分析提取最优谐波组合，以在单次测量中实现超低光子数成像，从而有效提升成像质量和稳定性。

      如图1所示实验采用两束波长分别为635 nm和520 nm的脉冲光源，重复频率设定为200 kHz和230 kHz。利用了DMD与SPAD(星秒-SPD500) 和TCSPC(星秒-FT1040)组成单光子单像素成像系统。星秒科技的单光子探测器SPD500可工作在线性模式和盖格模式，可以实现连续的单光子探测，并且可以加载任意宽度和周期的探测门。时间相关单光子计数系统FT1040是星秒科技自主研发的一款高精度时间测量系统，可对信号事件的相对时间进行精确测量，并且支持时间标签模式，可以实时记录探测信号的时间信息。实验结果表明，在提取前7阶谐波的情况下，能够获得最优的图像质量，且串扰降低至 2.29×10^-4。该方法能够在单次测量中以每像素4.5×10?³光子的超低光子数完成256×256图像的重建，相较于传统光子计数成像技术，显著提升了成像质量并降低了背景噪声。

图2、谐波提取数量得到的图像质量在不同条件下的对比

       不同谐波数量对图像质量的影响如图2所示。在固定压缩率（0.04）和测量时间（1.0 s）的情况下，提取谐波数量的增加可提升成像质量，并在7阶时趋于稳定。进一步增加谐波数量并未显著提升图像质量，反而可能引入额外的白噪声。因此，在实际应用中，提取前7阶谐波即可实现高质量成像，同时降低计算复杂度。

图3、实验结果展示

      图3显示了不同压缩率和测量时间对成像质量的影响。在600 µs测量时间下，PSNR和SSIM均随压缩率增加而提升，并在0.12时趋于饱和，达到25.64 dB和0.7633。相比于传统方法，该方案减少了25%的测量时间，同时保持了高质量成像。此外，实验表明，即便在超低光子数条件（4.5×10?³光子/像素）下，仍可实现有效的双波长信号区分，并达到10 fps的成像帧率。

        本文提出了一种基于频谱谐波提取策略的单光子SPDWI技术，该方法通过傅里叶频谱分析优化谐波选择，在单次测量中实现超低光子数成像。实验结果表明，在提取前7阶谐波的情况下，成像质量达到最优，且能够在150 µs的测量时间下实现每像素仅3光子的完整图像重建。相比于传统光子计数成像，该技术有效抑制了背景噪声，并显著提高了信噪比，为极弱光成像提供了新的解决方案。未来，该技术可广泛应用于生物医学成像、遥感探测及量子通信等领域，进一步推动单光子成像技术的发展，可以预见，星秒科技的SPAD以及TCSPC将在单像素成像领域发挥关键作用，进一步单光子SPDWI技术的发展。