Strax efter att lasrar först utvecklades på 1960-talet, LiDAR - vars namn kom från en kombination av "ljus" och "radar" - utnyttjade den nyligen unika precision de erbjöd för att mäta både tid och avstånd. LiDAR blev snabbt standardmetoden för (3-D) markundersökningar och används nu i en mängd avkänningsapplikationer, som självkörande bilar.

Genom att skanna områden av land med laser, ofta från flygplan, LiDARs restidsmätningar för ljus som reflekteras tillbaka från det skannade området ger de avstånd som utgör en resulterande högupplöst topografi.

När laser- och elektronisk teknik utvecklades, LiDARs förmågor anpassade för att övervinna flera begränsningar och döljande effekter som oundvikligen produceras av verkliga miljöer, som dynamiska vädermönster. Med ett specialdesignat lasersystem och en ny metodik baserad på gated digital holografi, forskning från Naval Research Laboratory, i Washington, D.C., tillhandahåller nu en metod för att ge LiDAR en förbättrad förmåga att se igenom annars skymmande terrängelement som lövverk eller nät. Paul Lebow, från Naval Research Laboratory, kommer att presentera detta arbete på The Optical Society's Imaging and Applied Optics Congress, hölls 26-29 juni, 2017 i San Francisco, Kalifornien.

"Detta var ett försök att ta itu med ett av problemen med något som kallas bladpenetrerande LiDAR, " sa Lebow. "Du kan faktiskt använda den för att upptäcka tredimensionella bilder bakom en förmörkelse som en trädkrona, till exempel, i en katastrofsituation där man ville hitta människor i knipa. Du kan belysa med hjälp av LiDAR genom bladen och få tillräckligt med ljus som kommer tillbaka för att kunna återskapa en tredimensionell, topografisk bild av vad som händer under."

Tills nu, LiDAR-mätningar av ytor gömda bakom lövverk har varit svåra att få tag på. En majoritet av det ursprungliga ljuset i dessa fall kastas bort, när det gäller kameran som upptäcker ljus från marken, eftersom ljuset som träffar löven aldrig når marken i första hand. Dessutom, ljuset blockerade, och därför reflekterade, innan du kommer till marken övermannar ofta signalen som träffar kameran och döljer den svagare signalen som gör det till marken och tillbaka.

"Vi har arbetat med en process som kallas optisk faskonjugation ganska länge och det gick upp för oss att vi kanske skulle kunna använda den processen för att i huvudsak projicera en laserstråle genom öppningarna på bladen och kunna se genom en partiell obskuration, " Lebow sa. "Det var något som tills kanske de senaste fem åren inte var lönsamt bara för att tekniken inte riktigt fanns där. De saker vi hade gjort för ungefär 20 år sedan involverade att använda ett olinjärt optiskt material och var en svår process. Nu kan allt göras med digital holografi och datorgenererade hologram, vilket är vad vi gör."

Detta nya system använder en specialdesignad laser som bara tog ett och ett halvt år att utveckla, men var en nödvändig komponent enligt Lebow och hans kollega, Abbie Watnik, som också finns vid Sjöforskningslaboratoriet och en annan av verkets författare.

"Den verkliga nyckeln till att få vårt system att fungera är interferensen mellan två laserstrålar på sensorn. Vi skickar en laserstråle ut till målet och sedan återvänder den, och på exakt samma tidpunkt som returstrålen träffar detektorn, vi stör den lokalt med en annan laserstråle, " Sade Watnik. "Vi behöver fullständig koherens mellan dessa strålar så att de interfererar med varandra, så vi var tvungna att ha ett specialdesignat lasersystem för att säkerställa att vi skulle få den sammanhållningen när de stör kameran."

Med hjälp av en pulsad laser med pulsbredder på flera nanosekunder, och gated mätningar med liknande tidsupplösning, det holografiska systemet blockerar selektivt det tidigast ankommande ljuset som reflekteras från skymningar. Kameran mäter då bara ljus som kommer tillbaka från den delvis dolda ytan nedanför.

"Vi har gjort detta tidigare med en CW-laser (kontinuerlig våg) som en demo, men nu använder vi en pulsad laser och en mycket snabb gated sensor som kan slås på vid lämplig tidpunkt för att i princip bara låta oss reagera på ljuset som kommer från där vi vill att det ska komma ifrån, från målet, "Lebow sa. "Lasern är designad så att tidsskillnaden mellan den lokala referenspulsen och signalpulsen som kommer tillbaka från målet är helt justerbar för att ta emot avstånd från några fot till flera kilometer."

"Som betyder, " Sade Watnik, "vi kan använda detta lasersystem både i vårt labb på vår bordsskiva, såväl som ute på fältet, använder samma laser som arbetar inom det området."

Denna preliminära, laboratoriebaserade system har gett betydande bevis på dess kraft och potentiella verkliga värde. Använda ett perforerat registerkort för att posera som (labsäkert) lövverk, inte bara kunde gruppen avbilda vad det hålade registerkortet annars skulle ha gömt, men deras modellering kunde också återskapa topologin för det blivande "lövet".

"Vi kunde verifiera vad vår datormodell säger med hjälp av våra verkliga data - matcha den med vad vi faktiskt ser med den rumsliga ljusmodulatorn, så jag tycker att det var en intressant verifiering av våra resultat, sa Watnik.

Watnik och Lebow, tillsammans med sin forskargrupp, hoppas kunna fortsätta med projektet och göra de anpassningar av sin prototyp som krävs för att göra det lövpenetrerande LiDAR-systemet fältfärdigt.

"Det skulle vara vår nästa plan, om vi fick finansiering för det, " sa Lebow. "Det har funnits flera andra uppföljningsprojekt, inte specifikt för LiDAR, såsom strålstyrning och annat digitalt holografiskt arbete som vi gör för avbildning genom dimma och grumligt vatten baserat på mycket liknande egenskaper och principer."