Forskere har designet et enkelt-foton-tids-af-flight LIDAR-system, der kan erhverve et højopløsnings 3D-billede af et objekt eller scene op til 1 kilometer væk. Det nye system kan hjælpe med at forbedre sikkerhed, overvågning og fjernmåling ved at muliggøre detaljeret billeddannelse, selv i udfordrende miljøforhold, eller når genstande skjules af løv eller camouflage netting.
“Vores system bruger en enkelt-fotondetektor, der er cirka dobbelt så effektiv som detektorer, der er implementeret i lignende LIDAR-systemer rapporteret af andre forskningsgrupper og har en systemtimingopløsning mindst 10 gange bedre,” sagde forskningsteammedlem Aongus McCarthy, fra Heriot-Watt University I Storbritannien.
“Disse forbedringer giver billeddannelsessystemet mulighed for at indsamle mere spredte fotoner fra målet og opnå en meget højere rumlig opløsning.”
I Opticaen multi-institutionel gruppe forskere fra Storbritannien og USA viser, at det nye system kan konstruere et 3D-billede, der viser et klart genkendeligt menneskeligt ansigt af en person 325 meter væk.
Forskerne var fra Gerald Buller’s gruppe ved Heriot-Watt University, Robert Hadfields gruppe ved University of Glasgow, Matthew Shaws gruppe på NASA Jet Propulsion Laboratory og Karl Berggren’s Group ved MIT.
“Denne type målesystem kan føre til forbedrede sikkerheds- og overvågningssystemer, der for eksempel kunne erhverve detaljerede dybdebilleder gennem røg eller tåge og rodede scener,” sagde McCarthy, første forfatter af det nye papir.
“Det kan også muliggøre fjernidentifikation af genstande i forskellige miljøer og overvågning af bevægelse af bygninger eller klippeflader for at vurdere forsyn eller andre potentielle farer.”
Lysbaseret rækkevidde
Den enkelt-foton-tid-af-flight-dybdeafbildningssystem bruger den tid, det tager for en laserpuls at rejse fra systemet til et punkt på et objekt og tilbage til at beregne afstanden til objektet. Disse tids-af-flight-målinger gentages derefter for punkter på tværs af objektet for at få 3D-information.
Det nye system bruger en ultrasensitiv detektor kaldet en superledende nanowire-enkeltfotondetektor (SNSPD) udviklet af MIT- og JPL-forskningsgrupperne. SNSPD kan detektere en enkelt foton af lys, hvilket betyder, at lasere med meget lave kræfter, inklusive øjensikre lasere, kan bruges til at udføre målinger på meget kort tid og over lange afstande.
For at reducere støjniveauer blev detektoren afkølet til lige under 1 Kelvin i et kompakt Cryocooler -system designet og bygget af University of Glasgow Group.
Forskerne kombinerede den afkølede SNSPD med en ny brugerdefineret enkelt-pixel-scanningstransceiver, der opererer ved en bølgelængde på 1550 nm, der er designet af McCarthy ved Heriot-Watt University. De tilføjede også avanceret timingudstyr for at måle ekstremt præcise tidsintervaller – ligefrem ned til billions af et sekund (picoseconds).
For at sætte det i perspektiv, på kun 1.000 picosekunder, kan lys køre omkring 300 millimeter (ca. 1 fod). Denne præcision gjorde det muligt at skelne overflader adskilt med ca. 1 mm i dybden fra 325 meter væk.
“Disse faktorer giver alle forbedret fleksibilitet i udvekslingen mellem standoff-afstand, laserkraftniveauer, dataindsamlingstid og dybdeopløsning,” sagde McCarthy.
“Da SNSPD-detektorer kan fungere ved bølgelængder længere end 1550 nm, åbner dette design døren til at udvikle et midt-infrarødt enkeltfoton-LIDAR-system, som yderligere kan forbedre billeddannelse gennem tåge og røg og andre obskuranter.”
3D -målinger af fjerne objekter
Forskerne udførte feltforsøg af deres LIDAR-system på Heriot-Watt University Campus ved at foretage målinger fra genstande, der var 45 meter, 325 meter eller 1 kilometer væk.
For at evaluere den rumlige og dybdeopløsning scannede de et brugerdefineret 3D-trykt mål med forskellige søjlestørrelser og højder. Systemet løste træk så små som 1 mm i dagslys på 45 og 325 meter – en dybdeopløsning ca. 10 gange bedre, end de tidligere havde opnået. De fangede også et 3D-billede af et menneskeligt ansigt i disse afstande ved hjælp af en 1 ms pr. Pixel-erhvervelsestid, en øjensikre 3,5 MW laser og minimal databehandling.
“Systemets fremragende dybdeopløsning betyder, at det ville være særligt velegnet til billeddannelsesgenstande bag rod, såsom løv eller camouflage netting, et scenarie, der ville være vanskeligt for et digitalt kamera,” sagde McCarthy. “For eksempel kan det skelne et objekt placeret et par centimeter bag en camouflage netting, mens systemer med dårligere opløsning ikke ville være i stand til at finde ud af objektet.”
Mens feltforsøgene for LIDAR -systemet var begrænset til en rækkevidde på 1 kilometer, planlægger forskere at teste systemet i afstande på op til 10 km og udforske billeddannelse gennem atmosfæriske obskuranter som røg og tåge.
Det fremtidige arbejde vil også fokusere på at bruge avancerede beregningsmetoder til at fremskynde dataanalyse og muliggøre billeddannelse af mere fjerne scener.