Исследователи разработали однофотонную систему LiDAR с временем пролета, которая может получать 3D-изображение объекта или сцены с высоким разрешением на расстоянии до 1 километра. Новая система может помочь повысить безопасность, мониторинг и дистанционное зондирование, обеспечивая детальную визуализацию даже в сложных условиях окружающей среды или когда объекты скрыты листвой или маскировочной сеткой.

«В нашей системе используется однофотонный детектор, эффективность которого примерно в два раза выше, чем у детекторов, используемых в аналогичных системах LiDAR, о которых сообщают другие исследовательские группы, а временное разрешение системы как минимум в 10 раз лучше», — рассказал член исследовательской группы Аонгус Маккарти из Университета Хериот-Уотта в Великобритании.

«Эти усовершенствования позволяют системе визуализации собирать больше рассеянных фотонов от цели и достигать гораздо более высокого пространственного разрешения».

В Optica многопрофильная группа исследователей из Великобритании и США демонстрирует, что новая система может создавать трехмерное изображение, отображающее четко узнаваемое человеческое лицо на расстоянии 325 метров.

Исследователи представляли группу Джеральда Буллера из Университета Хериот-Уотта, группу Роберта Хэдфилда из Университета Глазго, группу Мэтью Шоу из Лаборатории реактивного движения НАСА и группу Карла Берггрена из Массачусетского технологического института.

«Такой тип измерительной системы может привести к улучшению систем безопасности и мониторинга, которые, например, смогут получать подробные изображения глубины сквозь дым или туман, а также загроможденные сцены», — сказал Маккарти, первый автор новой статьи.

«Это также может обеспечить возможность удаленной идентификации объектов в различных средах и мониторинга движения зданий или скальных поверхностей для оценки проседания или других потенциальных опасностей».

Определение расстояния на основе света

Система глубинной визуализации времени пролета с одним фотоном использует время, необходимое лазерному импульсу для прохождения от системы до точки на объекте и обратно, для расчета расстояния до объекта. Эти измерения времени пролета затем повторяются для точек по всему объекту для получения трехмерной информации.

Новая система использует сверхчувствительный детектор, называемый сверхпроводящим нанопроводным однофотонным детектором (SNSPD), разработанный исследовательскими группами MIT и JPL. SNSPD может обнаружить один фотон света, что означает, что лазеры с очень низкой мощностью, включая безопасные для глаз лазеры, могут использоваться для проведения измерений за очень короткое время и на больших расстояниях.

Для снижения уровня шума детектор был охлажден до температуры чуть ниже 1 Кельвина в компактной системе криоохладителя, разработанной и изготовленной группой Университета Глазго.

Исследователи объединили охлажденный SNSPD с новым индивидуальным однопиксельным сканирующим приемопередатчиком, работающим на длине волны 1550 нм, который был разработан Маккарти в Университете Хериот-Уотт. Они также добавили передовое оборудование для измерения времени для измерения чрезвычайно точных временных интервалов — с точностью до триллионных долей секунды (пикосекунд).

Для сравнения, всего за 1000 пикосекунд свет может пройти около 300 миллиметров (около 1 фута). Такая точность позволила различать поверхности, разделенные примерно на 1 мм в глубину, на расстоянии 325 метров.

«Все эти факторы обеспечивают повышенную гибкость в компромиссе между расстоянием до объекта, уровнями мощности лазера, временем сбора данных и разрешением по глубине», — сказал Маккарти.

«Кроме того, поскольку детекторы SNSPD могут работать на длинах волн более 1550 нм, эта конструкция открывает путь к разработке однофотонной лидарной системы среднего инфракрасного диапазона, которая может дополнительно улучшить качество изображения сквозь туман, дым и другие помехи».

3D-измерения удаленных объектов

Исследователи провели полевые испытания своей системы LiDAR на территории кампуса Университета Хериот-Уотт, проводя измерения с объектов, находящихся на расстоянии 45 метров, 325 метров или 1 километра.

Для оценки пространственного и глубинного разрешения они сканировали специальную 3D-печатную цель с различными размерами и высотой столбов. Система разрешала детали размером до 1 мм при дневном свете на расстоянии 45 и 325 метров — глубинное разрешение примерно в 10 раз лучше, чем они достигли ранее. Они также захватили 3D-изображение человеческого лица на этих расстояниях, используя время захвата 1 мс на пиксель, безопасный для глаз лазер мощностью 3,5 мВт и минимальную обработку данных.

«Превосходное разрешение по глубине системы означает, что она будет особенно хорошо подходить для съемки объектов за помехами, такими как листва или маскировочная сетка, сценарий, который был бы сложным для цифровой камеры», — сказал Маккарти. «Например, она могла бы различить объект, расположенный в нескольких сантиметрах за маскировочной сеткой, в то время как системы с более низким разрешением не смогли бы различить объект».

Хотя полевые испытания системы LiDAR были ограничены дальностью в 1 километр, исследователи планируют испытать систему на расстоянии до 10 км и изучить возможность получения изображений сквозь такие атмосферные помехи, как дым и туман.

Дальнейшая работа будет также сосредоточена на использовании современных вычислительных методов для ускорения анализа данных и обеспечения возможности получения изображений более удаленных сцен.