Nowy aparat może sfotografować Cię z odległości 45 kilometrów

Obrazy z papieru Obliczeniowe obrazowanie 3D pojedynczego fotonu z odległości 45 km

Fotografia długodystansowa na Ziemi to trudne wyzwanie. Uchwycenie wystarczającej ilości światła z obiektu z dużej odległości nie jest łatwe. A nawet wtedy atmosfera wprowadza zniekształcenia, które mogą zrujnować obraz; podobnie jak zanieczyszczenie, które jest szczególnym problemem w miastach. To sprawia, że ​​trudno jest uzyskać jakikolwiek obraz z odległości kilku kilometrów (przy założeniu, że kamera jest zamontowana wystarczająco wysoko nad ziemią, aby poradzić sobie z krzywizną Ziemi).

Ale w ostatnich latach naukowcy zaczęli wykorzystywać czułe fotodetektory, aby robić znacznie lepiej. Detektory te są tak czułe, że mogą wychwytywać pojedyncze fotony i używać ich do łączenia obrazów obiektów znajdujących się w odległości do 10 kilometrów (sześciu mil).

Niemniej jednak fizycy chcieliby poprawić jeszcze bardziej. A dzisiaj Zheng-Ping Li i koledzy z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin w Szanghaju pokazują, jak fotografować obiekty oddalone do 45 km (28 mil) w nękanym plagą smogu środowisku miejskim. Ich technika wykorzystuje detektory jednofotonowe w połączeniu z unikalnym algorytmem obrazowania obliczeniowego, który pozwala uzyskać obrazy o bardzo wysokiej rozdzielczości, łącząc ze sobą najmniejsze punkty danych.

Nowa technika jest w zasadzie stosunkowo prosta. Opiera się na odległości i detekcji laserowej, czyli lidar – oświetlaniu obiektu światłem laserowym, a następnie tworzeniu obrazu z odbitego światła.

Dużą zaletą tego rodzaju aktywnego obrazowania jest to, że fotony odbite od obiektu wracają do detektora w określonym oknie czasowym, zależnym od odległości. Tak więc wszelkie fotony, które dotrą poza to okno, mogą zostać zignorowane.

Bramkowanie to radykalnie zmniejsza szum generowany przez niechciane fotony z innych miejsc w środowisku. Dzięki temu systemy lidar są bardzo czułe i dostosowane do odległości.

Aby nowy system był jeszcze lepszy w środowiskach miejskich, Zheng-Ping i jego współpracownicy używają lasera na podczerwień o długości fali 1550 nanometrów, częstotliwości powtarzania 100 kiloherców i skromnej mocy 120 miliwatów. Ta długość fali sprawia, że ​​system jest bezpieczny dla oczu i pozwala zespołowi odfiltrować fotony słoneczne, które w przeciwnym razie przytłoczyłyby detektor.

Naukowcy wysyłają i odbierają te fotony przez ten sam aparat optyczny – zwykły teleskop astronomiczny o aperturze 280 mm. Odbite fotony są następnie wykrywane przez komercyjny detektor pojedynczych fotonów. Aby stworzyć obraz, naukowcy skanują pole widzenia za pomocą lustra sterowanego piezo, które może przechylać się w górę, w dół i na boki.

W ten sposób mogą tworzyć obrazy dwuwymiarowe. Jednak zmieniając czasy bramkowania, mogą wychwytywać fotony odbite z różnych odległości, aby zbudować obraz 3D.

Ostatnim postępem, jaki poczynił zespół, jest opracowanie algorytmu, który łączy obraz przy użyciu danych dotyczących pojedynczego fotonu. Ten rodzaj obrazowania obliczeniowego rozwinął się w ostatnich latach skokowo, umożliwiając naukowcom tworzenie obrazów ze stosunkowo niewielkich zestawów danych.

Wyniki mówią same za siebie. Zespół ustawił nową kamerę na 20. piętrze budynku na wyspie Chongming w Szanghaju i skierował ją na budynek lotnictwa cywilnego Pudong po drugiej stronie rzeki, około 45 km dalej.

Konwencjonalne obrazy wykonane przez teleskop nie pokazują nic poza szumem. Ale nowa technika daje obrazy o rozdzielczości przestrzennej około 60 cm, co pozwala na uzyskanie okien budowlanych. Według zespołu wyniki te pokazują doskonałą zdolność jednofotonowego systemu LiDAR bliskiej podczerwieni do rozpoznawania celów przez smog.

To również znacznie lepiej niż konwencjonalna granica dyfrakcji 1 metra na 45 km, a na pewno lepiej niż inne ostatnio opracowane algorytmy. Obraz tutaj pokazuje potencjał tej techniki w zdjęciach wykonanych w świetle dziennym z odległości 21 km. Nasze wyniki otwierają nowe miejsce dla wysokiej rozdzielczości, szybkiego obrazowania optycznego 3D o niskim poborze mocy na bardzo duże odległości, mówią Zheng-Ping i spółka.

To ciekawa praca, która ma szerokie zastosowanie. Zespół wspomina o teledetekcji, obserwacji z powietrza oraz rozpoznawaniu i identyfikowaniu celów. Rzeczywiście, całe urządzenie jest wielkości dużego pudełka na buty, a więc jest stosunkowo przenośne.

A Zheng-Ping i spółka twierdzą, że można go znacznie poprawić. Nasz system jest możliwy do obrazowania z odległości kilkuset kilometrów poprzez dopracowanie konfiguracji, a tym samym stanowi znaczący kamień milowy w kierunku szybkiego, niskiego poboru mocy i wysokiej rozdzielczości LiDAR na bardzo duże odległości, jak mówią.

Uśmiechaj się więc — mogą patrzeć.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1904.10341 : Obliczeniowe obrazowanie 3D pojedynczego fotonu z odległości 45 km

ukryć