Kort nadat lasers voor het eerst werden ontwikkeld in de jaren zestig, LiDAR - wiens naam is ontstaan ​​als een combinatie van "licht" en "radar" - kapitaliseerde op de nieuwe unieke precisie die ze boden voor het meten van zowel tijd als afstand. LiDAR werd al snel de standaardmethode voor (3D) landmetingen en wordt nu gebruikt in een groot aantal detectietoepassingen, zoals zelfrijdende auto's.

Door stukken land te scannen met lasers, vaak vanuit vliegtuigen, LiDAR's reistijdmetingen voor licht dat door het gescande gebied wordt teruggekaatst, leveren de afstanden op waaruit de resulterende topografie met hoge resolutie bestaat.

Naarmate laser- en elektronische technologie evolueerden, De capaciteiten van LiDAR aangepast om verschillende beperkingen en verduisterende effecten te overwinnen die onvermijdelijk worden geproduceerd door echte omgevingen, zoals dynamische weerpatronen. Met een speciaal ontworpen lasersysteem en een nieuwe methodologie op basis van gated digitale holografie, onderzoek van het Naval Research Laboratory, in Washington, gelijkstroom, biedt nu een methode om LiDAR een verbeterd vermogen te geven om door anders verduisterende terreinelementen zoals gebladerte of netten te kijken. Paul Lebow, van het Naval Research Laboratory, zal dit werk presenteren op het Imaging and Applied Optics Congress van The Optical Society, gehouden 26 -29 juni, 2017 in San Francisco, Californië.

"Dit was een poging om een ​​van de problemen aan te pakken met iets dat bladdoordringende LiDAR wordt genoemd, "Zei Lebow. "Je kunt het echt gebruiken om driedimensionale beelden te detecteren achter een verduistering zoals een boomkruin, bijvoorbeeld, in een rampenbestrijdingssituatie waar je mensen in moeilijkheden wilde vinden. Je kunt met LiDAR door de bladeren verlichten en genoeg licht terug laten komen om een ​​driedimensionaal, topografische weergave van wat er onder gebeurt."

Tot nu, LiDAR-metingen van oppervlakken verborgen achter gebladerte waren moeilijk te verkrijgen. Een meerderheid van het oorspronkelijke licht wordt in deze gevallen weggegooid, wat betreft de camera die licht vanaf de grond detecteert, omdat het licht dat op de bladeren valt nooit de grond bereikt. Bovendien, het licht geblokkeerd, en dus weerspiegeld, voordat het op de grond komt, overmeestert het vaak het signaal dat de camera raakt en verbergt het zwakkere signaal dat de grond en terug bereikt.

"We werken al geruime tijd met een proces dat optische faseconjugatie wordt genoemd en het drong tot ons door dat we dat proces misschien zouden kunnen gebruiken om in wezen een laserstraal door de openingen van de bladeren te projecteren en door een gedeeltelijke verduistering, "Zei Lebow. "Het was iets dat tot misschien de laatste vijf jaar niet levensvatbaar was, alleen maar omdat de technologie er niet echt was. De dingen die we ongeveer 20 jaar geleden hadden gedaan, hadden betrekking op het gebruik van niet-lineair optisch materiaal en was een moeilijk proces. Nu kan alles worden gedaan met behulp van digitale holografie en computergegenereerde hologrammen, dat is wat we doen."

Dit nieuwe systeem maakt gebruik van een speciaal ontworpen laser die alleen al anderhalf jaar nodig had om te ontwikkelen, maar was volgens Lebow en zijn collega een noodzakelijk onderdeel, Abbie Watnik, die ook bij het Naval Research Laboratory is en een andere auteur van het werk.

"De echte sleutel om ons systeem te laten werken, is de interferentie tussen twee laserstralen op de sensor. We sturen één laserstraal naar het doel en dan keert het terug, en op exact hetzelfde moment dat de return [straal] de detector raakt, we interfereren lokaal met een andere laserstraal, "Zei Watnik. "We hebben volledige samenhang tussen die stralen nodig, zodat ze met elkaar interfereren, dus moesten we een speciaal ontworpen lasersysteem hebben om ervoor te zorgen dat we die coherentie zouden krijgen als ze interfereren met de camera."

Met behulp van een gepulseerde laser met pulsbreedtes van enkele nanoseconden, en gated metingen met vergelijkbare tijdresolutie, het holografische systeem blokkeert selectief het licht dat het vroegst arriveert en weerkaatst door verduisteringen. De camera meet dan alleen het licht dat terugkomt van het gedeeltelijk verborgen oppervlak eronder.

"We hebben dit eerder gedaan met een CW-laser (continuous-wave) als demo, maar nu gebruiken we een gepulste laser en een zeer snelle gated sensor die op het juiste moment kan inschakelen om ons in principe alleen te laten reageren op het licht dat komt van waar we willen dat het vandaan komt, van het doel, "Zei Lebow. "De laser is zo ontworpen dat het tijdsverschil tussen de lokale referentiepuls en de signaalpuls die terugkomt van het doelwit volledig instelbaar is om afstanden van enkele voet tot enkele kilometers aan te kunnen."

"Wat betekent, "Watnik zei, "we kunnen dit lasersysteem zowel in ons lab als op onze tafelopstelling gebruiken, maar ook buiten in het veld, met dezelfde laser die in dat bereik werkt."

Deze voorlopige, op een laboratorium gebaseerd systeem heeft substantieel bewijs geleverd van zijn kracht en potentiële waarde in de echte wereld. Met behulp van een geperforeerde indexkaart om te poseren als (labveilig) gebladerte, niet alleen was de groep in staat om te visualiseren wat de opengeslagen indexkaart anders zou hebben verborgen, maar hun modellering was ook in staat om de topologie van het toekomstige 'blad' te recreëren.

"We waren in staat om te verifiëren wat ons computermodel zegt met behulp van onze echte gegevens - door het af te stemmen op wat we daadwerkelijk zien met behulp van de ruimtelijke lichtmodulator, dus ik denk dat dat een interessante verificatie van onze resultaten was, ' zei Watnik.

Watnik en Lebow, samen met hun onderzoeksteam, hopen door te gaan met het project en de aanpassingen aan hun prototype aan te brengen die nodig zijn om het gebladerte-penetrerende LiDAR-systeem veldklaar te maken.

"Dat zou ons volgende plan zijn, als we er geld voor krijgen, "Zei Lebow. "Er zijn verschillende andere vervolgprojecten geweest, niet specifiek voor LiDAR, zoals straalbesturing en ander digitaal holografisch werk dat we doen voor beeldvorming door mist en troebel water op basis van zeer vergelijkbare eigenschappen en principes."