Airborne single-photon lidar system opnår høj opløsning 3D billeddannelse
Forskere har udviklet et kompakt og let enkelt-foton luftbåret lidar-system, der kan tage højopløselige 3D-billeder med en laveffektlaser. Dette fremskridt kunne gøre enkelt-foton lidar praktisk til luft- og rumapplikationer såsom miljøovervågning, 3D terrænkortlægning og objektidentifikation.
Single-photon lidar bruger single-photon detektionsteknikker til at måle den tid, det tager laserimpulser at rejse til objekter og tilbage. Det er især nyttigt til luftbårne applikationer, fordi det muliggør meget nøjagtig 3D-kortlægning af terræn og objekter selv i udfordrende miljøer såsom tæt vegetation eller byområder.
"Brug af single-photon lidar-teknologi på ressourcebegrænsede droner eller satellitter kræver, at hele systemet krymper og dets energiforbrug reduceres," sagde forskerteammedlem Feihu Xu fra University of Science and Technology of China.
"Vi var i stand til at inkorporere den seneste teknologiske udvikling i et system, der sammenlignet med andre avancerede luftbårne lidar-systemer anvender den laveste lasereffekt og den mindste optiske blænde, samtidig med at den bibeholder en god ydeevne med hensyn til detektionsområde og billedopløsning."
I Optica forskerne viser, at systemet har evnen til at opnå en billedopløsning, der overgår lysets diffraktionsgrænse, når det bruges sammen med sub-pixel-scanning og en ny 3D-dekonvolutionsalgoritme. De demonstrerer også systemets evne til at optage 3D-billeder i høj opløsning i dagtimerne over store områder ombord på et lille fly.
"I sidste ende har vores arbejde potentialet til at forbedre vores forståelse af verden omkring os og bidrage til en mere bæredygtig og informeret fremtid for alle," sagde Xu.
"Vores system kunne f.eks. indsættes på droner eller små satellitter for at overvåge ændringer i skovlandskaber, såsom skovrydning eller andre påvirkninger af skovenes sundhed. Det kunne også bruges efter jordskælv til at generere 3D-terrænkort, der kunne hjælpe med at vurdere omfanget af beskadige og guide redningshold, hvilket potentielt kan redde liv."
Shrinking single-photon lidar
Det nye luftbårne single-photon lidar-system virker ved at sende lysimpulser fra en laser mod jorden. Disse impulser preller af objekter og fanges derefter af meget følsomme detektorer kaldet single-photon avalanche diode (SPAD) arrays. Disse detektorer giver øget følsomhed over for enkelte fotoner, hvilket muliggør mere effektiv detektering af de reflekterede laserimpulser, så en laser med lavere effekt kan bruges. For at reducere den samlede systemstørrelse brugte forskerne små teleskoper med en optisk blænde på 47 mm som modtageoptik.
Måling af flyvetiden for de returnerede enkeltfotoner gør det muligt at beregne den tid, det tager for lyset at rejse til jorden og tilbage. De detaljerede 3D-billeder af terrænet kan derefter rekonstrueres ud fra denne information ved hjælp af computerbaserede billedbehandlingsalgoritmer.
"En vigtig del af det nye system er de specielle scanningsspejle, der udfører kontinuerlig fin scanning og fanger sub-pixel information om jordmålene," sagde Xu. "En ny fotoneffektiv beregningsalgoritme udtrækker også denne subpixelinformation fra et lille antal rå fotondetektioner, hvilket muliggør rekonstruktion af 3D-billeder med superopløsning på trods af udfordringerne fra svage signaler og stærk solstøj."
Prøvning af jord og luft
Forskerne gennemførte en række tests for at validere det nye systems muligheder. En jordtest før flyvning bekræftede effektiviteten af teknikken og viste, at systemet var i stand til at udføre lidar-billeddannelse med en opløsning på 15 cm fra 1,5 km væk med standardindstillinger. Når de implementerede sub-pixel scanning og 3D deconvolution, var forskerne i stand til at demonstrere en effektiv opløsning på 6 cm fra samme afstand væk.
Efterforskerne udførte også dagtimerne eksperimenter med systemet ombord på et lille fly over flere uger i Yiwu City, Zhejiang-provinsen, Kina. Disse eksperimenter afslørede med succes detaljerede træk ved forskellige landformer og objekter, hvilket bekræfter systemets funktionalitet og pålidelighed i scenarier i den virkelige verden.
Holdet arbejder nu på at forbedre ydeevnen og integrationen af systemet med et langsigtet mål om at installere det på en rumbåren platform såsom en lille satellit. Systemets stabilitet, holdbarhed og omkostningseffektivitet skal også forbedres, før det kan kommercialiseres.
Flere oplysninger: Yu Hong et al., Airborne single-photon LiDAR mod lille størrelse og lav-effekt nyttelast, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.518999
Journaloplysninger: Optica
Leveret af Optica
Varme artikler
-
At fange atomer, ikke rumskibe, med traktorbjælkerKredit:CC0 Public Domain University of Adelaide forskere har dykket ned i riget af Star Trek og skabte en kraftig traktorstråle – eller lysdrevet energifælde – til atomer. I stedet for at suge -
Computational sleuthing bekræfter den første 3D-kvantespinvæskeEn 3D-repræsentation af spin-excitationskontinuumet - et muligt kendetegn for en kvantespinvæske - observeret i 2019 i en enkelt krystalprøve af ceriumzirconiumpyrochlor. Kredit:Tong Chen/Rice Univers -
I atompropeller, kvantefænomener kan efterligne daglig fysikDr. Piotr Bernatowicz fra Institute of Physical Chemistry ved det polske videnskabsakademi i Warszawa og prof. Slawomir Szymanski fra Institute of Organic Chemistry i PAS har forudsagt og observeret, -
Forskere opdager en ny lagdelt superleder baseret på tin og arsenForskerne ved Tokyo Metropolitan University arbejder altid på oprettelse og teoretisk afklaring af nye superledende materialer. Yosuke Goto, Projektforsker (til venstre), og lektor Yoshikazu Mizuguchi
- Ny online database bringer genomet i fokus ved hjælp af molekylær struktur
- Ny model viser, hvordan diamantbærende sten blev dannet i det nordlige Alberta
- Den længste lige streg havstrækning på planeten Jorden beregnet
- Batterifri smart legetøj bevæger sig tættere på kommerciel virkelighed
- Arkæolog afdækker historien i Mississippi River Valley
- Forskere regenererer neurale veje hos mus med celler fra rotter