At se skoven gennem træerne med et nyt LiDAR -system

Kort tid efter at lasere først blev udviklet i 1960'erne, LiDAR - hvis navn stammer fra en kombination af "lys" og "radar" - kapitaliserede den nyligt unikke præcision, de tilbød til måling af både tid og afstand. LiDAR blev hurtigt standardmetoden til (3-D) landundersøgelser og bruges nu i en lang række sanseapplikationer, såsom selvkørende biler.

Ved at scanne landområder med lasere, ofte fra fly, LiDAR's rejsetidsmålinger for lys, der reflekteres tilbage fra det scannede område, giver de afstande, der udgør en resulterende topografi i høj opløsning.

Efterhånden som laser og elektronisk teknologi udviklede sig, LiDARs evner tilpasset til at overvinde flere begrænsninger og tilsløre effekter, der uundgåeligt produceres af virkelige miljøer, som dynamiske vejrmønstre. Med et specialdesignet lasersystem og en ny metode baseret på gated digital holografi, forskning fra Naval Research Laboratory, i Washington, D.C., giver nu en metode til at give LiDAR en forbedret evne til at gennemskue ellers skjulte elementer af terræn som løv eller net. Paul Lebow, fra Søforskningslaboratoriet, vil præsentere dette arbejde på The Optical Society's Imaging and Applied Optics Congress, afholdt 26. -29. juni, 2017 i San Francisco, Californien.

"Dette var et forsøg på at løse et af problemerne med noget, der kaldes løvtrængende LiDAR, "Sagde Lebow." Du kan faktisk bruge det til at registrere tredimensionelle billeder bag en tilsløring, f.eks. for eksempel, i en katastrofehjælpssituation, hvor du ønskede at finde mennesker i problemer. Du kan belyse ved hjælp af LiDAR gennem bladene og få nok lys til at komme tilbage til at kunne genskabe en tredimensionel, topografisk opfattelse af, hvad der foregår under. "

Indtil nu, LiDAR -målinger af overflader gemt bag løv har været vanskelige at erhverve. Et flertal af det originale lys i disse tilfælde bliver smidt væk, hvad kameraet registrerer lys fra jorden angår, da lyset, der rammer bladene, aldrig når jorden i første omgang. I øvrigt, lyset blokeret, og reflekterede derfor, før man kommer til jorden, overmander ofte signalet, der rammer kameraet, og skjuler det svagere signal, der gør det til jorden og tilbage.

"Vi har arbejdet med en proces kaldet optisk fasekonjugering i et godt stykke tid, og det gik op for os, at vi måske kunne bruge denne proces til i det væsentlige at projicere en laserstråle gennem bladernes åbninger og være i stand til at gennemskue en delvis sløring, "Lebow sagde." Det var noget, der indtil måske de sidste fem år ikke var levedygtigt, bare fordi teknologien ikke rigtig var der. De ting, vi havde gjort for omkring 20 år siden, involverede brug af et ikke -lineært optisk materiale og var en vanskelig proces. Nu kan alt gøres ved hjælp af digital holografi og computergenererede hologrammer, hvilket er hvad vi gør. "

Dette nye system bruger en specialdesignet laser, der alene tog halvandet år at udvikle, men var en nødvendig komponent ifølge Lebow og hans kollega, Abbie Watnik, som også er på Søforskningslaboratoriet og en anden af ​​værkets forfattere.

"Den virkelige nøgle til at få vores system til at fungere er interferensen mellem to laserstråler på sensoren. Vi sender en laserstråle ud til målet, og derefter vender den tilbage, og på nøjagtig samme tidspunkt, som retur [stråle] rammer detektoren, vi forstyrrer det lokalt med en anden laserstråle, "Watnik sagde." Vi har brug for fuldstændig sammenhæng mellem disse bjælker, så de forstyrrer hinanden, så vi måtte have et specialdesignet lasersystem for at sikre, at vi ville få den sammenhæng, når de forstyrrer kameraet. "

Ved hjælp af en pulserende laser med pulsbredder på flere nanosekunder, og gated målinger med lignende tidsopløsning, det holografiske system blokerer selektivt det tidligste lys, der afspejler afdækninger. Kameraet måler derefter kun lys, der kommer tilbage fra den delvist skjulte overflade herunder.

"Vi har gjort dette tidligere ved hjælp af en CW (kontinuerlig bølge) laser som en demo, men nu bruger vi en pulserende laser og en meget hurtig gated sensor, der kan tænde på det passende tidspunkt for stort set kun at lade os reagere på lyset, der kommer fra, hvor vi vil have det skal komme fra, fra målet, "Lebow sagde." Laseren er designet således, at tidsforskellen mellem den lokale referencepuls og signalpulsen, der kommer tilbage fra målet, er fuldstændig justerbar til at rumme afstande fra få fod til flere kilometer. "

"Hvilket betyder, "Sagde Watnik, "vi kan bruge dette lasersystem både i vores laboratorium på vores bordpladeopsætning, såvel som ude i marken, ved hjælp af den samme laser, der opererer i det område. "

Denne foreløbige, laboratoriebaseret system har givet væsentlige beviser for dets magt og potentielle værdi i virkeligheden. Brug af et perforeret indekskort til at udgøre som (laboratoriesikkert) løv, gruppen var ikke kun i stand til at forestille sig, hvad det hulede indekskort ellers ville have skjult, men deres modellering var også i stand til at genskabe topologien for det kommende "løv".

"Vi var i stand til at verificere, hvad vores computermodel siger ved hjælp af vores rigtige data - og matche dem med, hvad vi rent faktisk ser ved hjælp af den rumlige lysmodulator, så jeg synes, det var en interessant verifikation af vores resultater, "Sagde Watnik.

Watnik og Lebow, sammen med deres forskerhold, håber at fortsætte med projektet og gøre tilpasningerne til deres prototype nødvendige for at gøre det løvpenetrerende LiDAR-system feltklar.

"Det ville være vores næste plan, hvis vi fik finansiering til det, "Lebow sagde." Der har været flere andre opfølgningsprojekter, ikke specifikt til LiDAR, såsom strålestyring og andet digitalt holografisk arbejde, som vi udfører for billeddannelse gennem tåge og grumset vand baseret på meget lignende egenskaber og principper. "