一种诞生于一个多世纪前的光学原理，在佐治亚理工研究所（GTRI）研究人员的推动下，正被赋予新的用途，有望用于监测大气湍流、跟踪空中目标以及开展环境测绘等任务。

研究团队通过引入 Scheimpflug 技术，正在研发低成本测距相机、先进传感器与配套计算方法，为部分应用场景提供传统光探测和测距（LiDAR）的补充甚至替代方案。这类系统在短距和中距测量中表现尤为突出，既可以被动工作，也可以与基于激光的主动技术协同使用。

GTRI 高级研究科学家 Nathan Meraz 多年来一直致力于拓展该技术的新用途。他表示：“Scheimpflug 技术可以作为飞行时间（ToF）LiDAR 的完整替代方案，我们正在探索它在不同场景下的潜力。它的测量机理不同，作为相机传感器，它获取的信息远比传统 LiDAR 信号更丰富，同时也具备数据融合的优势。”

关于该技术及其潜在遥感应用的研究成果，已在 2025 年 SPIE 国防与商业系统（DCS）会议上发表。

百年光学原理的新用法

Scheimpflug 技术所依托的光学原理在 20 世纪初被系统化推广。奥地利摄影师 Theodor Scheimpflug 当时申请了多项相关光学设备专利，用于校正航空摄影中的透视畸变。

这一原理关注的是相机成像面（胶片或成像传感器所在平面）、镜头光学面以及被成像对象所在焦平面（如建筑物或地景）三者之间的几何关系。该原理已被广泛用于眼科成像、透视校正和扩展景深成像等领域。GTRI 团队希望在此基础上进行改进，将其重新应用于静态单目三维成像，开辟新的技术方向。

参与项目的 GTRI 研究工程师 Joseph Greene 解释道：“LiDAR 依靠复杂电子系统来监测激光发射与返回的时间，而 Scheimpflug 则采用更直接的方式。通过倾斜相机，我们可以沿着光在大气中传播的光轴进行解析。我们无需对光学信号进行精确定时就能确定其空间位置，而是通过这种简单的光学配置来完成定位。”

Scheimpflug 与 LiDAR 的差异

在具体实现上，GTRI 研究人员采用了基于事件的相机。这类相机不依赖传统快门，而是记录成像传感器中单个像素亮度的变化信息。通过分析这些像素事件数据，系统可以实现微秒级时间分辨率，再结合新型测距算法，显著提升了将光学信号限定在相机标定距离上的能力。

相比之下，ToF LiDAR 需要高速探测器、精密定时与数字化电子设备，以及脉冲或调制激光器，整体系统复杂且成本较高。

GTRI 正在开发的 Scheimpflug 系统可灵活用于主动和被动遥感中的直接观测与测距，既可独立运行，也可与激光技术结合使用。用 Scheimpflug 技术替代 ToF，有望在相关应用中降低体积、重量和功耗成本（SWaP-C）。

Meraz 指出，将两种技术结合形成 Scheimpflug LiDAR，有可能在结构上降低对动态范围的要求，同时提升测距分辨率和整体性能。这类系统既能兼容连续波激光，也能适配脉冲激光，并具备多波长工作的灵活性。

初步测试与实地试验

虽然 LiDAR 已被广泛用于大气湍流研究，GTRI 团队正在评估 Scheimpflug 技术在动态目标跟踪方面的应用，尤其关注其在近距离信息获取上的优势。

GTRI 研究科学家 Megan Birch 表示：“被动系统在大气测量中非常有价值，特别是考虑到大气 LiDAR 在近距离段往往表现不佳。和所有针对特定应用设计的传感系统一样，我们也在持续探索利用 Scheimpflug 技术的创新方式。”

目前，研究人员已搭建多台 Scheimpflug LiDAR 原型进行测试。2024 年，团队展示了 Scheimpflug 光学测距技术（SCHORTY），该系统专为观测和测量传播激光束在 6 米至 4 公里范围内的大气分辨率效应而设计。

在另一项实验中，研究人员让该相机与传统大气 LiDAR 同时运行，对同一激光束进行成像，从而实现测量结果的直接对比。在使用 ToF LiDAR 同步观测同一激光束的试验中，他们验证了原型系统在 355 纳米波长下的性能与应用价值。仅凭像素距离图，团队就构建出了灵敏度足够的距离剖面，可以直观呈现大气消光和湍流效应。

类似地，在 532 纳米波长下，较小口径的激光束对湍流极为敏感，研究人员在实时视频中清晰观察到光束的漂移和闪烁现象。

未来潜力与后续计划

展望后续工作，研究团队计划继续完善 SCHORTY 仪器，用于更系统的大气监测，同时探索该技术在其他领域的应用前景。

Meraz 表示：“目前，我们已经掌握了相关建模方法，了解它的优点和局限，也在与不同领域的专家讨论 Scheimpflug 技术可以切入的其他技术问题。这些应用是新的，不会出现在现有教科书或短期课程中。但我们可以利用的特征空间非常大，我们也期待在其中挖掘出更多可能性。”