Wetenschap

Science >> Wetenschap > >> Fysica

Lidar-systeem met één foton in de lucht bereikt 3D-beeldvorming met hoge resolutie

"We waren in staat recente technologische ontwikkelingen te integreren in een systeem dat, in vergelijking met andere ultramoderne lidarsystemen in de lucht, het laagste laservermogen en de kleinste optische opening gebruikt, terwijl het toch goede prestaties behoudt in termen van detectiebereik en beeldresolutie."

De video toont 3D-beelden die zijn verkregen met behulp van het lidar-systeem met één foton aan boord van een klein vliegtuig. Credit:Feihu Xu, Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China

In Optica de onderzoekers laten zien dat het systeem het vermogen heeft om een beeldresolutie te bereiken die de diffractielimiet van licht overtreft bij gebruik met subpixelscanning en een nieuw 3D-deconvolutiealgoritme. Ze demonstreren ook het vermogen van het systeem om overdag 3D-beelden met hoge resolutie vast te leggen over grote gebieden aan boord van een klein vliegtuig.

"Uiteindelijk heeft ons werk het potentieel om ons begrip van de wereld om ons heen te vergroten en bij te dragen aan een duurzamere en beter geïnformeerde toekomst voor iedereen", aldus Xu.

“Ons systeem zou bijvoorbeeld kunnen worden ingezet op drones of kleine satellieten om veranderingen in boslandschappen te monitoren, zoals ontbossing of andere gevolgen voor de gezondheid van bossen. Het zou ook na aardbevingen kunnen worden gebruikt om 3D-terreinkaarten te genereren die kunnen helpen bij het beoordelen van de omvang van schade toebrengen en reddingsteams begeleiden, waardoor mogelijk levens worden gered."

De onderzoekers demonstreerden de mogelijkheden van het systeem door het aan boord van een klein vliegtuig te gebruiken om overdag 3D-beelden met hoge resolutie over grote gebieden vast te leggen. Credit:Feihu Xu, Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China

Krimpende lidar met één foton

Het nieuwe lidarsysteem met één foton in de lucht werkt door lichtpulsen van een laser naar de grond te sturen. Deze pulsen weerkaatsen tegen objecten en worden vervolgens opgevangen door zeer gevoelige detectoren, de zogenaamde single-photon lawine diode (SPAD) arrays. Deze detectoren bieden een verhoogde gevoeligheid voor afzonderlijke fotonen, waardoor een efficiëntere detectie van de gereflecteerde laserpulsen mogelijk wordt, zodat een laser met een lager vermogen kan worden gebruikt. Om de totale systeemomvang te verkleinen, gebruikten de onderzoekers kleine telescopen met een optische opening van 47 mm als ontvangstoptiek.

Het meten van de vluchttijd van de teruggekeerde afzonderlijke fotonen maakt het mogelijk om de tijd te berekenen die het licht nodig heeft om naar de grond en terug te reizen. De gedetailleerde 3D-beelden van het terrein kunnen vervolgens op basis van deze informatie worden gereconstrueerd met behulp van computationele beeldalgoritmen.

"Een belangrijk onderdeel van het nieuwe systeem zijn de speciale scanspiegels die continu fijn scannen, waarbij subpixelinformatie van de gronddoelen wordt vastgelegd", aldus Xu. "Bovendien extraheert een nieuw foton-efficiënt computeralgoritme deze subpixelinformatie uit een klein aantal onbewerkte fotondetecties, waardoor de reconstructie van 3D-beelden met superresolutie mogelijk wordt, ondanks de uitdagingen die worden veroorzaakt door zwakke signalen en sterke zonneruis."

Grond- en luchttesten

De onderzoekers voerden een reeks tests uit om de mogelijkheden van het nieuwe systeem te valideren. Een grondtest vóór de vlucht bevestigde de effectiviteit van de techniek en toonde aan dat het systeem lidar-beeldvorming kon uitvoeren met een resolutie van 15 cm vanaf 1,5 km afstand met standaardinstellingen. Nadat ze subpixelscanning en 3D-deconvolutie hadden geïmplementeerd, konden de onderzoekers een effectieve resolutie van 6 cm vanaf dezelfde afstand aantonen.

De onderzoekers voerden gedurende meerdere weken ook overdag experimenten met het systeem uit aan boord van een klein vliegtuig in de stad Yiwu, in de provincie Zhejiang, China. Deze experimenten brachten met succes gedetailleerde kenmerken van verschillende landvormen en objecten aan het licht, waardoor de functionaliteit en betrouwbaarheid van het systeem in realistische scenario's werd bevestigd.

Het team werkt nu aan het verbeteren van de prestaties en integratie van het systeem, met als langetermijndoel het installeren ervan op een ruimteplatform zoals een kleine satelliet. De stabiliteit, duurzaamheid en kosteneffectiviteit van het systeem moeten ook worden verbeterd voordat het op de markt kan worden gebracht.

Meer informatie: Yu Hong et al., Airborne single-photon LiDAR richting kleine payload en laag vermogen, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.518999
Journaalinformatie: Optica

Geleverd door Optica

"We waren in staat recente technologische ontwikkelingen te integreren in een systeem dat, in vergelijking met andere ultramoderne lidarsystemen in de lucht, het laagste laservermogen en de kleinste optische opening gebruikt, terwijl het toch goede prestaties behoudt in termen van detectiebereik en beeldresolutie."

De video toont 3D-beelden die zijn verkregen met behulp van het lidar-systeem met één foton aan boord van een klein vliegtuig. Credit:Feihu Xu, Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China

In Optica de onderzoekers laten zien dat het systeem het vermogen heeft om een beeldresolutie te bereiken die de diffractielimiet van licht overtreft bij gebruik met subpixelscanning en een nieuw 3D-deconvolutiealgoritme. Ze demonstreren ook het vermogen van het systeem om overdag 3D-beelden met hoge resolutie vast te leggen over grote gebieden aan boord van een klein vliegtuig.

"Uiteindelijk heeft ons werk het potentieel om ons begrip van de wereld om ons heen te vergroten en bij te dragen aan een duurzamere en beter geïnformeerde toekomst voor iedereen", aldus Xu.

“Ons systeem zou bijvoorbeeld kunnen worden ingezet op drones of kleine satellieten om veranderingen in boslandschappen te monitoren, zoals ontbossing of andere gevolgen voor de gezondheid van bossen. Het zou ook na aardbevingen kunnen worden gebruikt om 3D-terreinkaarten te genereren die kunnen helpen bij het beoordelen van de omvang van schade toebrengen en reddingsteams begeleiden, waardoor mogelijk levens worden gered."

De onderzoekers demonstreerden de mogelijkheden van het systeem door het aan boord van een klein vliegtuig te gebruiken om overdag 3D-beelden met hoge resolutie over grote gebieden vast te leggen. Credit:Feihu Xu, Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China

Krimpende lidar met één foton

Het nieuwe lidarsysteem met één foton in de lucht werkt door lichtpulsen van een laser naar de grond te sturen. Deze pulsen weerkaatsen tegen objecten en worden vervolgens opgevangen door zeer gevoelige detectoren, de zogenaamde single-photon lawine diode (SPAD) arrays. Deze detectoren bieden een verhoogde gevoeligheid voor afzonderlijke fotonen, waardoor een efficiëntere detectie van de gereflecteerde laserpulsen mogelijk wordt, zodat een laser met een lager vermogen kan worden gebruikt. Om de totale systeemomvang te verkleinen, gebruikten de onderzoekers kleine telescopen met een optische opening van 47 mm als ontvangstoptiek.

Het meten van de vluchttijd van de teruggekeerde afzonderlijke fotonen maakt het mogelijk om de tijd te berekenen die het licht nodig heeft om naar de grond en terug te reizen. De gedetailleerde 3D-beelden van het terrein kunnen vervolgens op basis van deze informatie worden gereconstrueerd met behulp van computationele beeldalgoritmen.

"Een belangrijk onderdeel van het nieuwe systeem zijn de speciale scanspiegels die continu fijn scannen, waarbij subpixelinformatie van de gronddoelen wordt vastgelegd", aldus Xu. "Bovendien extraheert een nieuw foton-efficiënt computeralgoritme deze subpixelinformatie uit een klein aantal onbewerkte fotondetecties, waardoor de reconstructie van 3D-beelden met superresolutie mogelijk wordt, ondanks de uitdagingen die worden veroorzaakt door zwakke signalen en sterke zonneruis."

Grond- en luchttesten

De onderzoekers voerden een reeks tests uit om de mogelijkheden van het nieuwe systeem te valideren. Een grondtest vóór de vlucht bevestigde de effectiviteit van de techniek en toonde aan dat het systeem lidar-beeldvorming kon uitvoeren met een resolutie van 15 cm vanaf 1,5 km afstand met standaardinstellingen. Nadat ze subpixelscanning en 3D-deconvolutie hadden geïmplementeerd, konden de onderzoekers een effectieve resolutie van 6 cm vanaf dezelfde afstand aantonen.

De onderzoekers voerden gedurende meerdere weken ook overdag experimenten met het systeem uit aan boord van een klein vliegtuig in de stad Yiwu, in de provincie Zhejiang, China. Deze experimenten brachten met succes gedetailleerde kenmerken van verschillende landvormen en objecten aan het licht, waardoor de functionaliteit en betrouwbaarheid van het systeem in realistische scenario's werd bevestigd.

Het team werkt nu aan het verbeteren van de prestaties en integratie van het systeem, met als langetermijndoel het installeren ervan op een ruimteplatform zoals een kleine satelliet. De stabiliteit, duurzaamheid en kosteneffectiviteit van het systeem moeten ook worden verbeterd voordat het op de markt kan worden gebracht.

Meer informatie: Yu Hong et al., Airborne single-photon LiDAR richting kleine payload en laag vermogen, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.518999
Journaalinformatie: Optica

Geleverd door Optica

IRIS-bundellijn bij BESSY II krijgt een nieuw eindstation voor nanospectroscopie

Eerste experimenteel bewijs voor hersenachtige computer met water en zout

Hoofdlijnen

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Wetenschap © https://nl.scienceaq.com