Forskare har utvecklat ett kompakt och lätt enfoton luftburet lidarsystem som kan ta högupplösta 3D-bilder med en lågeffektlaser. Detta framsteg skulle kunna göra en-foton lidar praktiskt för luft- och rymdtillämpningar som miljöövervakning, 3D-terrängkartering och objektidentifiering.
Single-photon lidar använder singel-foton detektionstekniker för att mäta den tid det tar laserpulser att färdas till objekt och tillbaka. Det är särskilt användbart för luftburna applikationer eftersom det möjliggör mycket exakt 3D-kartläggning av terräng och objekt även i utmanande miljöer som tät vegetation eller stadsområden.
"Att använda singelfoton lidar-teknologi på resursbegränsade drönare eller satelliter kräver att hela systemet krymper och dess energiförbrukning minskar", säger forskargruppsmedlem Feihu Xu från University of Science and Technology of China.
"Vi kunde införliva den senaste teknikutvecklingen i ett system som, i jämförelse med andra toppmoderna luftburna lidar-system, använder den lägsta lasereffekten och den minsta optiska bländaren samtidigt som det bibehåller god prestanda när det gäller detektionsräckvidd och bildupplösning."
I Optica forskarna visar att systemet har förmågan att uppnå en bildupplösning som överstiger diffraktionsgränsen för ljus när det används med subpixelskanning och en ny 3D-dekonvolutionsalgoritm. De visar också systemets förmåga att ta högupplösta 3D-bilder under dagtid över stora områden ombord på ett litet flygplan.
"I slutändan har vårt arbete potential att förbättra vår förståelse av världen omkring oss och bidra till en mer hållbar och informerad framtid för alla", sa Xu.
"Till exempel kan vårt system användas på drönare eller små satelliter för att övervaka förändringar i skogslandskap, såsom avskogning eller annan påverkan på skogens hälsa. Det kan också användas efter jordbävningar för att generera 3D-terrängkartor som kan hjälpa till att bedöma omfattningen av skada och vägleda räddningsteam, vilket kan rädda liv."
Shrinking single-photon lidar
Det nya luftburna enfotonlidarsystemet fungerar genom att sända ljuspulser från en laser mot marken. Dessa pulser studsar av föremål och fångas sedan av mycket känsliga detektorer som kallas enkelfoton lavindiod (SPAD) arrays. Dessa detektorer ger ökad känslighet för enstaka fotoner, vilket möjliggör mer effektiv detektering av de reflekterade laserpulserna så att en laser med lägre effekt kan användas. För att minska den totala systemstorleken använde forskarna små teleskop med en optisk öppning på 47 mm som mottagningsoptik.
Att mäta flygtiden för de returnerade enstaka fotonerna gör det möjligt att beräkna tiden det tar för ljuset att resa till marken och tillbaka. De detaljerade 3D-bilderna av terrängen kan sedan rekonstrueras från denna information med hjälp av beräkningsalgoritmer.
"En viktig del av det nya systemet är de speciella skanningsspeglarna som utför kontinuerlig finskanning och fångar subpixelinformation från markmålen", säger Xu. "Dessutom extraherar en ny fotoneffektiv beräkningsalgoritm denna subpixelinformation från ett litet antal obearbetade fotondetektioner, vilket möjliggör rekonstruktion av superupplösta 3D-bilder trots de utmaningar som svaga signaler och starkt solbrus innebär."
Forskarna genomförde en serie tester för att validera det nya systemets kapacitet. Ett marktest före flygning bekräftade effektiviteten av tekniken och visade att systemet kunde utföra lidaravbildning med en upplösning på 15 cm från 1,5 km bort med standardinställningar. När de väl implementerade subpixelskanning och 3D-dekonvolution kunde forskarna demonstrera en effektiv upplösning på 6 cm från samma avstånd.
Utredarna genomförde även experiment på dagtid med systemet ombord på ett litet flygplan under flera veckor i Yiwu City, Zhejiang-provinsen, Kina. Dessa experiment avslöjade framgångsrikt detaljerade egenskaper hos olika landformer och objekt, vilket bekräftar systemets funktionalitet och tillförlitlighet i verkliga scenarier.
Teamet arbetar nu för att förbättra prestandan och integrationen av systemet, med ett långsiktigt mål att installera det på en rymdburen plattform som en liten satellit. Systemets stabilitet, hållbarhet och kostnadseffektivitet behöver också förbättras innan det kan kommersialiseras.
Mer information: Yu Hong et al, Airborne single-photon LiDAR mot liten nyttolast med låg effekt, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.518999
Journalinformation: Optica
Tillhandahålls av Optica
