Обнаружение объектов за препятствиями: LiDAR-система создаёт высокодетализированные изображения на большом расстоянии

Российские и британские исследователи представили инновационную систему лазерного сканирования, которая способна создавать высокодетализированные трёхмерные изображения объектов на удалении до одного километра. Эта технология, основанная на измерении времени полёта отдельных фотонов, открывает новые горизонты в безопасностном мониторинге и удалённом зондировании.

В проекте приняли участие эксперты из Университета Хериот-Ватт, Университета Глазго, Лаборатории реактивного движения NASA и Массачусетского технического института. Ключевое преимущество этой системы — использование сверхчувствительного детектора, а именно сверхпроводящего нанопроволочного однофотонного детектора (SNSPD), который может фиксировать каждый фотон в отдельности.

«Наш однофотонный детектор примерно в два раза эффективнее аналогов, применяемых в современных LiDAR-системах, и обладает временным разрешением, минимум в десять раз превосходящим существующие решения», — заявил Аонгус Маккарти, представитель исследовательской группы из Университета Хериот-Ватт.

Эта инновационная технология обеспечивает создание чётких трёхмерных изображений даже в сложных условиях — например, в присутствии дыма, тумана или маскировочных сеток. В ходе полевых испытаний исследователи смогли визуализировать человеческое лицо на расстоянии 325 метров, используя лазер мощностью всего 3,5 мВт, что безопасно для зрения.

Методика функционирует на основе измерения времени, за которое лазерный импульс проходит путь до объекта и возвращается обратно. Эти измерения повторяются для многократных точек, что позволяет собрать полноценную трёхмерную модель объекта. Высокая чувствительность SNSPD-детектора позволяет системе работать с минимально необходимой мощностью лазера, обеспечивая безопасность и скорость сканирования на больших дистанциях.

Чтобы уменьшить уровень шума, детектор охлаждается до температуры чуть ниже 1 Кельвина в компактной криогенной установке, созданной в Университете Глазго. Также применяются дополнительные устройства для фиксирования временных интервалов с точностью до триллионных долей секунды (пикосекунд).

«Эти возможности позволяют гибко регулировать дальность, мощность лазера, время сбора данных и глубинное разрешение. Кроме того, поскольку SNSPD-детекторы работают на длинных волнах, превышающих 1550 нм, открывается путь к созданию однофотонных LiDAR-систем для среднего инфракрасного диапазона, что ещё более расширит возможности визуализации в условиях плохой видимости», — добавил Маккарти.

Во время испытаний новой системы было выполнено сканирование объектов на расстояниях 45 метров, 325 метров и 1 километра. Для оценки пространственного и глубинного разрешения использовалась 3D-принтерная мишень со столбиками разных размеров и высот. Система показала способность различать детали размером всего 1 мм даже при дневном свете на расстояниях 45 и 325 метров, что в десять раз лучше ранее достигнутого результата.

«Такое высокое глубинное разрешение делает систему идеальной для обнаружения объектов за препятствиями, например, за листвой или маскировочными сетями — задачей, с которой цифровая камера часто не справляется», — подчеркнул Маккарти.

Хотя текущие испытания LiDAR-системы ограничены дистанцией в 1 километр, команда намерена проверить её на дальностях до 10 км и исследовать её потенциал для работы в условиях дымки и тумана. Перспективным направлением станет также использование продвинутых вычислительных алгоритмов для ускорения обработки данных и улучшения визуализации удалённых объектов.

Эта технология открывает значительные перспективы для множества областей. В сфере безопасности она сможет улучшить мониторинг и обнаружение объектов при неблагоприятной видимости. В геологии и строительстве её можно применять для точных измерений перемещений сооружений и горных пород, определяя просадки грунта или другие риски. Возможность работы системы с безопасными для зрения уровнями мощности делает её особенно привлекательной для использования в густонаселённых местах или где безопасность играет ключевую роль.

В дальнейшем учёные планируют улучшить дальность устройств и их способность работать в условиях различных атмосферных препятствий. Разработка варианта системы, использующего средний инфракрасный диапазон, также рассматривается как способ её дальнейшего совершенствования.

Источник: iXBT