Российские и британские учёные разработали систему лазерного сканирования, способную создавать детальные трёхмерные изображения объектов на расстоянии до одного километра. Новая технология, основанная на принципе измерения времени полёта одиночных фотонов, открывает широкие перспективы в области безопасности, мониторинга и дистанционного зондирования.

Исследовательская группа, в которую вошли специалисты из Университета Хериот-Ватт, Университета Глазго, Лаборатории реактивного движения NASA и Массачусетского технологического института, представила результаты своей работы. Ключевой особенностью разработанной системы является использование сверхчувствительного детектора — сверхпроводящего нанопроволочного однофотонного детектора (SNSPD), способного регистрировать отдельные фотоны.

«Наша система использует однофотонный детектор, который примерно в два раза эффективнее детекторов, применяемых в аналогичных LiDAR-системах, разработанных другими исследовательскими группами, и имеет временное разрешение системы как минимум в 10 раз лучше», — отметил Аонгус Маккарти, член исследовательской группы из Университета Хериот-Ватт.

На верхних изображениях показаны 3D-столбы, снятые с расстояния 45 м при дневном свете. На нижних изображениях изображено лицо человека, находящегося на расстоянии 325 м. Источник: Aongus McCarthy, Heriot-Watt University

Новая технология позволяет получать чёткие трёхмерные изображения даже в сложных условиях окружающей среды, например, при наличии дыма, тумана или маскировочной сетки. В ходе полевых испытаний учёным удалось создать трёхмерное изображение человеческого лица на расстоянии 325 метров, используя лазер мощностью всего 3,5 мВт, что является безопасным для глаз уровнем.

Система работает на принципе измерения времени, которое требуется лазерному импульсу для прохождения пути от устройства до объекта и обратно. Эти измерения повторяются для различных точек объекта, что позволяет получить полную трёхмерную информацию. Благодаря высокой чувствительности детектора SNSPD, система может работать с лазерами очень низкой мощности, что делает её безопасной для использования и позволяет проводить измерения за короткое время на больших расстояниях.

Для снижения уровня шума детектор охлаждается до температуры чуть ниже 1 Кельвина в компактной криогенной системе, разработанной группой из Университета Глазго. Кроме того, исследователи использовали дополнительное оборудование для измерения сверхмалых временных интервалов с точностью до триллионных долей секунды (пикосекунд).

«Эти факторы обеспечивают улучшенную гибкость в выборе между дальностью действия, уровнем мощности лазера, временем сбора данных и разрешением по глубине. Кроме того, поскольку детекторы SNSPD могут работать на длинах волн более 1550 нм, эта конструкция открывает дверь для разработки однофотонной LiDAR-системы среднего инфракрасного диапазона, что может ещё больше улучшить визуализацию сквозь туман, дым и другие помехи», — пояснил Маккарти.

Исследователи провели испытания своей LiDAR-системы, выполняя измерения объектов на расстоянии 45 метров, 325 метров и 1 километра. Для оценки пространственного разрешения и разрешения по глубине они сканировали специально напечатанную на 3D-принтере мишень с различными размерами и высотами столбиков. Система смогла различить детали размером всего 1 мм при дневном свете на расстоянии 45 и 325 метров, что примерно в 10 раз лучше, чем было достигнуто ранее.

«Такое разрешение по глубине означает, что система особенно хорошо подходит для визуализации объектов за препятствиями, такими как листва или маскировочная сетка — сценарий, который был бы сложным для цифровой камеры», — отметил Маккарти.

Хотя испытания LiDAR-системы были ограничены дальностью в 1 километр, исследователи планируют протестировать систему на расстояниях до 10 км и изучить возможности визуализации через атмосферные помехи, такие как дым и туман. Будущая работа также будет сосредоточена на использовании передовых вычислительных методов для ускорения анализа данных и обеспечения визуализации более удалённых сцен.

Технология открывает широкие перспективы для различных областей применения. В сфере безопасности она может использоваться для улучшенного мониторинга и обнаружения объектов в сложных условиях видимости. В области геологии и строительства система может применяться для точного контроля движения зданий или горных пород с целью оценки просадки грунта или других потенциальных опасностей. Способность системы работать с безопасными для глаз уровнями мощности лазера делает её привлекательной для применения в густонаселённых районах или в ситуациях, где безопасность имеет первостепенное значение.

В будущем учёные планируют продолжить совершенствование системы, работая над увеличением дальности действия и улучшением её способности проникать через различные атмосферные помехи. Кроме того, исследователи рассматривают возможность разработки версии системы, работающей в среднем инфракрасном диапазоне, что может ещё больше расширить её возможности по визуализации в сложных условиях.

Подробнее на iXBT