Jauna kamera var jūs fotografēt no 45 kilometru attāluma

Attēli no papīra Viena fotona skaitļošanas 3D attēlveidošana 45 km attālumā

Fotografēšana no liela attāluma uz Zemes ir grūts izaicinājums. Uzņemt pietiekami daudz gaismas no objekta lielos attālumos nav viegli. Un pat tad atmosfēra rada izkropļojumus, kas var sabojāt attēlu; tāpat arī piesārņojums, kas ir īpaša problēma pilsētās. Tāpēc ir grūti iegūt jebkāda veida attēlu tālāk par dažu kilometru attālumu (pieņemot, ka kamera ir uzstādīta pietiekami augstu no zemes, lai tiktu galā ar Zemes izliekumu).

Taču pēdējos gados pētnieki ir sākuši izmantot jutīgus fotodetektorus, lai paveiktu daudz labāk. Šie detektori ir tik jutīgi, ka var uztvert atsevišķus fotonus un izmantot tos, lai apvienotu objektu attēlus, kas atrodas līdz 10 kilometriem (sešas jūdzes) attālumā.

Tomēr fiziķi labprāt uzlabotu vēl vairāk. Un šodien Zheng-Ping Li un kolēģi no Ķīnas Zinātnes un tehnoloģijas universitātes Šanhajā parāda, kā fotografēt objektus līdz 45 km (28 jūdžu) attālumā smoga plosītā pilsētvidē. Viņu tehnika izmanto viena fotona detektorus apvienojumā ar unikālu skaitļošanas attēlveidošanas algoritmu, kas nodrošina īpaši augstas izšķirtspējas attēlus, savienojot retākos datu punktus.

Jaunā tehnika principā ir samērā vienkārša. Tā pamatā ir lāzera attāluma noteikšana un noteikšana jeb lidar — objekta apgaismošana ar lāzera gaismu un pēc tam attēla izveide no atstarotās gaismas.

Šāda veida aktīvās attēlveidošanas lielā priekšrocība ir tā, ka no objekta atstarotie fotoni atgriežas detektorā noteiktā laika logā, kas ir atkarīgs no attāluma. Tātad visus fotonus, kas nonāk ārpus šī loga, var ignorēt.

Šis stingrs ievērojami samazina troksni, ko rada nevēlami fotoni no citām vietām vidē. Un tas ļauj lidar sistēmām būt ļoti jutīgām un specifiskām attālumam.

Lai padarītu jauno sistēmu vēl labāku pilsētas vidē, Zheng-Ping un co izmanto infrasarkano lāzeru ar viļņa garumu 1550 nanometri, atkārtošanās ātrumu 100 kiloherci un nelielu jaudu 120 milivati. Šis viļņa garums padara sistēmu acu drošu un ļauj komandai filtrēt saules fotonus, kas pretējā gadījumā pārslogotu detektoru.

Pētnieki sūta un saņem šos fotonus caur to pašu optisko aparātu — parastu astronomisko teleskopu ar 280 mm atvērumu. Pēc tam atstarotos fotonus nosaka komerciāls viena fotona detektors. Lai izveidotu attēlu, pētnieki skenē redzes lauku, izmantojot pjezo kontrolētu spoguli, kas var noliekt uz augšu, uz leju un no vienas puses uz otru.

Tādā veidā viņi var izveidot divdimensiju attēlus. Bet, mainot vārtu laikus, viņi var uzņemt fotonus, kas atspoguļoti no dažādiem attālumiem, lai izveidotu 3D attēlu.

Pēdējais komandas sasniegums ir izstrādāt algoritmu, kas apvieno attēlu, izmantojot viena fotona datus. Šāda veida skaitļošanas attēlveidošana pēdējos gados ir strauji attīstījusies, ļaujot pētniekiem izveidot attēlus no salīdzinoši nelielām datu kopām.

Rezultāti runā paši par sevi. Komanda uzstādīja jauno kameru ēkas 20. stāvā Čongmingas salā Šanhajā un norādīja uz Pudongas civilās aviācijas ēku pāri upei, aptuveni 45 km attālumā.

Parastie attēli, kas uzņemti caur teleskopu, nerāda neko citu kā troksni. Bet jaunā tehnika rada attēlus ar aptuveni 60 cm telpisko izšķirtspēju, kas izšķir ēku logus. Šis rezultāts parāda gandrīz infrasarkanās viena fotona LiDAR sistēmas izcilo spēju atrisināt mērķus ar smogu, saka komanda.

Tas ir arī ievērojami labāks par parasto difrakcijas robežu, kas ir 1 metrs pie 45 km, un noteikti labāk nekā citi nesen izstrādātie algoritmi. Šeit redzamais attēls parāda tehnikas potenciālu attēlos, kas uzņemti dienasgaismā no 21 km attāluma. Mūsu rezultāti paver jaunu vietu augstas izšķirtspējas, ātrai un mazjaudas 3D optiskai attēlveidošanai īpaši lielos diapazonos, saka Zheng-Ping un co.

Tas ir interesants darbs, kam ir plašs pielietojumu klāsts. Komanda min attālo uzrādi, gaisa novērošanu un mērķa atpazīšanu un identifikāciju. Patiešām, visa ierīce ir apmēram lielas kurpju kastes izmērā, un tāpēc tā ir salīdzinoši pārnēsājama.

Un Zheng-Ping un co saka, ka to var ievērojami uzlabot. Mūsu sistēma ir iespējama attēlveidošanai dažu simtu kilometru attālumā, uzlabojot iestatījumus, un tādējādi tā ir nozīmīgs pavērsiens ceļā uz ātru, mazjaudas un augstas izšķirtspējas LiDAR īpaši lielos diapazonos.

Tāpēc turpiniet smaidīt — viņi, iespējams, skatās.

Atsauce: arxiv.org/abs/1904.10341 : viena fotona skaitļošanas 3D attēlveidošana 45 km attālumā

paslēpties