Poco dopo che i laser furono sviluppati per la prima volta negli anni '60, LiDAR, il cui nome è nato come una combinazione di "luce" e "radar", ha sfruttato la nuova precisione unica che offrivano per misurare sia il tempo che la distanza. LiDAR è diventato rapidamente il metodo standard per i rilievi del terreno (3-D) ed è ora utilizzato in una moltitudine di applicazioni di rilevamento, come le auto a guida autonoma.

Scansionando aree di terreno con laser, spesso dagli aerei, Le misurazioni del tempo di viaggio di LiDAR per la luce riflessa dall'area scansionata forniscono le distanze che costituiscono una topografia ad alta risoluzione risultante.

Con l'evoluzione della tecnologia laser ed elettronica, Le capacità di LiDAR si sono adattate a superare diversi limiti ed effetti oscuranti inevitabilmente prodotti da ambienti reali, come modelli meteorologici dinamici. Con un sistema laser appositamente progettato e una nuova metodologia basata sull'olografia digitale gated, ricerca dal Laboratorio di Ricerca Navale, a Washington, DC, ora fornisce un metodo per dare a LiDAR una maggiore capacità di vedere attraverso elementi del terreno altrimenti oscuranti come fogliame o rete. Paul Lebow, dal Laboratorio di Ricerca Navale, presenterà questo lavoro al Congresso di imaging e ottica applicata della The Optical Society, tenutosi dal 26 al 29 giugno, 2017 a San Francisco, California.

"Questo è stato un tentativo di affrontare uno dei problemi con qualcosa chiamato LiDAR che penetra nel fogliame, " Disse Lebow. "Puoi effettivamente usarlo per rilevare immagini tridimensionali dietro un'oscuramento come un baldacchino di albero, ad esempio, in una situazione di emergenza in cui volevi trovare persone in difficoltà. Puoi illuminare usando LiDAR attraverso le foglie e ottenere abbastanza luce che ritorna per essere in grado di ricreare un tridimensionale, vista topografica di ciò che sta accadendo sotto."

Fino ad ora, Le misurazioni LiDAR delle superfici nascoste dietro il fogliame sono state difficili da acquisire. La maggior parte della luce originale in questi casi viene buttata via, per quanto riguarda la telecamera che rileva la luce da terra, poiché la luce che colpisce le foglie non raggiunge mai il suolo in primo luogo. Inoltre, la luce bloccata, e quindi riflesso, prima di arrivare a terra spesso sovrasta il segnale che colpisce la telecamera e nasconde il segnale più debole che arriva a terra e viceversa.

"Abbiamo lavorato con un processo chiamato coniugazione di fase ottica per un po' di tempo e ci siamo resi conto che potremmo essere in grado di utilizzare quel processo essenzialmente per proiettare un raggio laser attraverso le aperture delle foglie ed essere in grado di vedere attraverso un parziale oscuramento, " Ha detto Lebow. "Era qualcosa che fino forse agli ultimi cinque anni non era praticabile solo perché la tecnologia non c'era davvero. Le cose che avevamo fatto circa 20 anni fa prevedevano l'utilizzo di un materiale ottico non lineare ed era un processo difficile. Ora tutto può essere fatto utilizzando l'olografia digitale e gli ologrammi generati dal computer, che è quello che facciamo".

Questo nuovo sistema utilizza un laser appositamente progettato che da solo ha impiegato un anno e mezzo per essere sviluppato, ma era una componente necessaria secondo Lebow e il suo collega, Abbie Watnik, che è anche presso il Laboratorio di Ricerca Navale e un altro degli autori dell'opera.

"La vera chiave per far funzionare il nostro sistema è l'interferenza tra due raggi laser sul sensore. Inviamo un raggio laser al bersaglio e poi ritorna, e nello stesso momento esatto in cui il [raggio] di ritorno colpisce il rilevatore, lo interferiamo localmente con un altro raggio laser, "Ha detto Watnik. "Abbiamo bisogno di una completa coerenza tra quei raggi in modo che interferiscano l'uno con l'altro, quindi dovevamo avere un sistema laser appositamente progettato per assicurarci di ottenere quella coerenza quando interferiscono con la fotocamera".

Utilizzando un laser pulsato con larghezze di impulso di diversi nanosecondi, e misurazioni con gate con risoluzione temporale simile, il sistema olografico blocca selettivamente la prima luce che arriva riflettendo le oscurazioni. La fotocamera misura quindi solo la luce che ritorna dalla superficie parzialmente nascosta sottostante.

"Lo abbiamo fatto in precedenza utilizzando un laser CW (onda continua) come demo, ma ora stiamo usando un laser pulsato e un sensore gated molto veloce che può accendersi al momento opportuno per permetterci sostanzialmente di rispondere solo alla luce proveniente da dove vogliamo che provenga, dal bersaglio, " Ha detto Lebow. "Il laser è progettato in modo che la differenza di tempo tra l'impulso di riferimento locale e l'impulso del segnale che ritorna dal bersaglio sia completamente regolabile per adattarsi a distanze da pochi piedi a diversi chilometri".

"Che significa, "Watnik ha detto, "possiamo utilizzare questo sistema laser sia nel nostro laboratorio sulla nostra configurazione da tavolo, così come fuori sul campo, utilizzando lo stesso laser che opera in quella gamma."

Questo preliminare, Il sistema basato su laboratorio ha fornito prove sostanziali della sua potenza e del potenziale valore nel mondo reale. Usando una scheda perforata per posare come fogliame (sicura per il laboratorio), non solo il gruppo è stato in grado di immaginare ciò che il cartellino bucato avrebbe altrimenti nascosto, ma la loro modellazione è stata anche in grado di ricreare la topologia del cosiddetto "fogliame".

"Siamo stati in grado di verificare ciò che dice il nostro modello al computer utilizzando i nostri dati reali, abbinandoli a ciò che vediamo effettivamente utilizzando il modulatore di luce spaziale, quindi penso che sia stata una verifica interessante dei nostri risultati, "Ha detto Watnik.

Watnik e Lebow, insieme al loro gruppo di ricerca, sperano di continuare con il progetto e apportare gli adattamenti al loro prototipo necessari per rendere pronto per il campo il sistema LiDAR che penetra nel fogliame.

"Questo sarebbe il nostro prossimo piano, se abbiamo fondi per questo, " Ha detto Lebow. "Ci sono stati molti altri progetti di follow-on, non specificamente per LiDAR, come lo sterzo del raggio e altri lavori olografici digitali che stiamo facendo per l'imaging attraverso la nebbia e l'acqua torbida sulla base di proprietà e principi molto simili".