Бортовой лидар позволяет получать 3D-изображения высокого разрешения

ВАШИНГТОН – Исследователи разработали компактную, легкую однофотонную воздушную лидарную систему, которая может получать 3D-изображения высокого разрешения с помощью маломощного лазера. Это достижение может сделать однофотонный лидар практичным для использования в воздушных и космических приложениях, таких как мониторинг окружающей среды, трехмерное картографирование местности и идентификация объектов.

Однофотонный лидар использует методы однофотонного обнаружения для измерения времени, которое требуется лазерным импульсам для прохождения к объектам и обратно. Это особенно полезно для авиационных приложений, поскольку оно обеспечивает высокоточное трехмерное картографирование местности и объектов даже в сложных условиях, таких как густая растительность или городские районы.

«Использование однофотонного лидара на дронах или спутниках с ограниченными ресурсами требует масштабирования всей системы и снижения ее энергопотребления», — сказал член исследовательской группы Фейху. Университет науки и технологий Китая. «Нам удалось внедрить последние технологические достижения в систему, которая использует наименьшую мощность лазера и наименьшую оптическую апертуру, сохраняя при этом хорошие характеристики с точки зрения дальности обнаружения и разрешения изображения».

В Optica, журнале издательской группы Optica, посвященном высокоэффективным исследованиям, исследователи показывают, что система имеет потенциал для достижения разрешения изображения, превышающего дифракционный предел, при использовании с субпиксельным сканированием и новым алгоритмом 3D-деконволюции. Это также демонстрирует способность системы захватывать 3D-изображения высокого разрешения в течение дня на больших территориях на небольшом самолете.

«В конечном счете, наша работа может улучшить наше понимание окружающего мира и внести вклад в более устойчивое и просвещенное будущее для всех», — сказал Шоу. «Например, нашу систему можно развернуть на дронах или небольших спутниках для мониторинга изменений лесных ландшафтов, таких как вырубка лесов или другие воздействия на здоровье лесов. Ее также можно использовать после землетрясений для создания трехмерных карт местности, которые могут помочь оценить масштабы». Масштабы ущерба от изменения климата, руководство спасательными командами и потенциальное спасение жизней».

Сжимающийся однофотонный лидар

Новая бортовая однофотонная лидарная система работает, посылая импульсы света от лазера на землю. Эти импульсы отражаются от объектов, а затем улавливаются высокочувствительными детекторами, называемыми матрицами однофотонных лавинных диодов (SPAD). Эти детекторы обеспечивают улучшенную чувствительность к одиночным фотонам, что позволяет более эффективно обнаруживать отраженные лазерные импульсы, что позволяет использовать лазеры меньшей мощности. Чтобы уменьшить габариты системы, в качестве приемной оптики исследователи использовали небольшие телескопы с оптической апертурой 47 мм.

Измерение времени прохождения возвращенных одиночных фотонов позволяет рассчитать время, необходимое свету для путешествия на Землю и обратно. Подробные трехмерные изображения местности затем можно реконструировать на основе этой информации с использованием алгоритмов компьютерного изображения.

«Основной частью новой системы являются специальные сканирующие зеркала, которые выполняют точное и непрерывное сканирование и собирают дополнительную информацию о наземных целях», — сказал Шоу. «Кроме того, новый эффективный алгоритм расчета фотонов извлекает эту дополнительную информацию из небольшого количества обнаруженных необработанных фотонов, позволяя восстанавливать трехмерные изображения со сверхвысоким разрешением, несмотря на проблемы, связанные со слабыми сигналами и сильным солнечным шумом».

Наземные и воздушные испытания

Исследователи провели серию тестов для проверки возможностей новой системы. Предполетные наземные испытания подтвердили эффективность этой технологии и продемонстрировали, что система способна выполнять лидарную съемку с разрешением 15 см на расстоянии 1,5 км при настройках по умолчанию. После сканирования субпикселей и 3D-деконволюции исследователи смогли продемонстрировать эффективное разрешение 6 см с того же расстояния.

Исследователи также проводили дневные эксперименты с системой на небольшом самолете в течение нескольких недель в Иу, провинция Чжэцзян, Китай. Эти эксперименты успешно выявили подробные особенности различных форм рельефа и объектов, подтвердив функциональность и надежность системы в реальных сценариях.

В настоящее время команда работает над повышением производительности и интеграции системы с долгосрочной целью установить ее на космической платформе, например на небольшом спутнике. Стабильность, надежность и экономическая эффективность системы также необходимо улучшить, прежде чем ее можно будет коммерциализировать.

Доклад: Ю. Хун, С. Лю, З.-П. Ли, С. Хуан, Б. Цзян, Ю. Сюй, К. Ву, Х. Чжу, Ю.-К. Чанг, Х.-Л. Рен, З.-Х. Ли, Цзя Цзя, Ц. Чжан, К. Ли, Ф. Сюй, Ж.-Ю. Ван, Ж.-В. Пан, «Воздушный однофотонный LiDAR к компактной полезной нагрузке малой мощности», 11, 5 (2024 г.).

дои: doi.org/10.1364/OPTICA.518999.

Об Оптике