Новости

 

Физики продемонстрировали работу лидара, который способен строить трехмерные изображения объектов с разрешением до нескольких дециметров на расстоянии в 45 км и работать при этом в условиях высокого шума и сигнала.

 

По словам авторов, в дальнейшем предложенная технология может позволить получать детальные изображения по однофотонному сигналу на дистанциях до нескольких сотен км — то есть на сверхдальних расстояниях для лидаров.

 

Лидар — это прибор, который позволяет получать информацию об удаленных объектах при помощи оптического излучения. Основными элементами такого устройства являются излучатель и приемник. Свет от излучателя отражается, встретившись с препятствием, и возвращается к приемнику — по временному интервалу между формированием и регистрацией луча можно вычислить расстояние до объекта, от которого свет отразился.

 

Посылая лучи сразу во множество направлений, можно таким образом воссоздавать трехмерные изображения непрозрачных предметов. На далеких дистанциях, лидары сталкиваются с проблемой: сигнальное излучение рассеивается на прямом и обратном пути в протяженной среде, разделяющей объект и прибор, а приемник при этом регистрирует лишний свет, который не несет полезной информации. Возникает ситуация, когда на один пиксель формируемого изображения приходятся считанные единицы отраженных фотонов и во много раз больше фоновых — в таких условиях трудно выделять сигнал среди шума.

 

Изображение здания на расстоянии 45 километров в видимом свете, которое снято на камеру (слева), в сравнении с результатами работы лидара при различных алгоритмах обработки (справа снизу — предложенный авторами алгоритм)

 

Несмотря на то, что существуют алгоритмы фильтрации и обработки данных, совмещать достаточно качественные однофотонные изображения и дальнодействие в лидарах по-прежнему сложно.

 

Ученые из Научно-технического университета Китая под руководством Ч. П. Ли и С. Хуан, изготовили дальнодействующий лидар и протестировали однофотонную регистрацию на расстояниях в десятки км.

 

В качестве излучателя физики использовали инфракрасный лазер, длина его волны - 1550 нм — это позволило совместить безопасность прибора для зрения с хорошей прозрачностью атмосферы и при этом уменьшить влияние солнечного света.

 

Сравнение реального облика здания, его изображения в видимом свете и четырех результатов обработки данных лидара (справа снизу — предложенный алгоритм). Расстояние до здания — около 21 километра. Рядом с изображениями с лидаров указано пиковое отношение сигнала к шуму (в децибелах), которого удалось достичь

 

Приемник лидара авторы оснастили оптической системой, которая фильтровала фотоны по длине волны, посылая в детектор частицы из полосы спектра шириной в 1,3 нм, и поляризации, поскольку первоначальный пучок света был поляризован — таким образом установка отсеивала фоновые частицы и повышала качество сигнала. Отфильтрованное излучение регистрировал детектор, способный замечать отдельные фотоны.

 

Этапы обработки накопленных лидаром данных:

1. Сначала алгоритм суммировал события по всем пикселям будущего изображения и определял промежуток времени, в котором эта сумма испытывала пиковое значение — то есть обнаруживала интервал регистрации полезного сигнала.
2. После этого авторы подбирали параметры полезного сигнала, зависящие в конечном счете от глубины изображения и интенсивности отраженного излучения, которые наиболее правдоподобно описывали бы данные детектора за указанный период.
3. Наконец, на основе этих параметров авторы строили трехмерную картину, глубина в которой определялась усредненным, в отдельности для каждого пикселя, временем регистрации сигнальных фотонов.
4. Для оценки качества результатов физики также использовали три дополнительных алгоритма обработки данных из предыдущих исследований и получали аналогичное изображение в видимом диапазоне при помощи камеры.

 

В результате ученым удалось получить изображение объектов на расстоянии до 45 км с предельным разрешением в 0,6 м при среднем количестве фотонов на пиксель около 2,59 и тридцатикратном преобладании шума над сигналом. Кроме того, предложенный в работе алгоритм позволил достичь максимального соотношения между сигналом и шумом в обработанном изображении на 8–14 дб выше, чем это получилось в рамках других подходов.

 

Авторы полагают, что такие особенности оборудования и способа обработки данных позволят в будущем существенно развить технические возможности лидаров и обеспечить их работу на дальних дистанциях, вплоть до сотен километров, и в условиях низкой освещенности.