I ricercatori hanno sviluppato un sistema lidar aereo a fotone singolo compatto e leggero in grado di acquisire immagini 3D ad alta risoluzione con un laser a bassa potenza. Questo progresso potrebbe rendere il lidar a fotone singolo pratico per applicazioni aeree e spaziali come il monitoraggio ambientale, la mappatura 3D del terreno e l'identificazione di oggetti.
Il lidar a fotone singolo utilizza tecniche di rilevamento di fotone singolo per misurare il tempo impiegato dagli impulsi laser per raggiungere gli oggetti e ritorno. È particolarmente utile per le applicazioni aeree perché consente la mappatura 3D altamente accurata del terreno e degli oggetti anche in ambienti difficili come la fitta vegetazione o le aree urbane.
"L'utilizzo della tecnologia lidar a fotone singolo su droni o satelliti con risorse limitate richiede la riduzione dell'intero sistema e la riduzione del consumo di energia", ha affermato Feihu Xu, membro del gruppo di ricerca dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina.
"Siamo stati in grado di incorporare i recenti sviluppi tecnologici in un sistema che, rispetto ad altri sistemi lidar aerei all'avanguardia, impiega la potenza laser più bassa e l'apertura ottica più piccola pur mantenendo buone prestazioni in termini di raggio di rilevamento e risoluzione delle immagini."
In Ottica i ricercatori dimostrano che il sistema ha la capacità di raggiungere una risoluzione dell’immagine che supera il limite di diffrazione della luce se utilizzato con la scansione sub-pixel e un nuovo algoritmo di deconvoluzione 3D. Dimostrano inoltre la capacità del sistema di acquisire immagini 3D ad alta risoluzione durante il giorno su vaste aree a bordo di un piccolo aereo.
"In definitiva, il nostro lavoro ha il potenziale per migliorare la nostra comprensione del mondo che ci circonda e contribuire a un futuro più sostenibile e informato per tutti", ha affermato Xu.
"Ad esempio, il nostro sistema potrebbe essere utilizzato su droni o piccoli satelliti per monitorare i cambiamenti nei paesaggi forestali, come la deforestazione o altri impatti sulla salute delle foreste. Potrebbe anche essere utilizzato dopo i terremoti per generare mappe 3D del terreno che potrebbero aiutare a valutare l'entità dei terremoti. danneggiare e guidare le squadre di soccorso, salvando potenzialmente vite umane."
Lidar a fotone singolo restringente
Il nuovo sistema lidar a fotone singolo in volo funziona inviando impulsi luminosi da un laser verso il suolo. Questi impulsi rimbalzano sugli oggetti e vengono poi catturati da rilevatori molto sensibili chiamati array di diodi a valanga a fotone singolo (SPAD). Questi rilevatori forniscono una maggiore sensibilità ai singoli fotoni, consentendo un rilevamento più efficiente degli impulsi laser riflessi in modo da poter utilizzare un laser di potenza inferiore. Per ridurre le dimensioni complessive del sistema, i ricercatori hanno utilizzato piccoli telescopi con un'apertura ottica di 47 mm come ottica di ricezione.
Misurando il tempo di volo dei singoli fotoni restituiti è possibile calcolare il tempo impiegato dalla luce per raggiungere il suolo e tornare indietro. Le immagini 3D dettagliate del terreno possono quindi essere ricostruite da queste informazioni utilizzando algoritmi di imaging computazionale.
"Una parte fondamentale del nuovo sistema sono gli speciali specchi di scansione che eseguono una scansione continua e fine, catturando informazioni sub-pixel dei bersagli terrestri", ha affermato Xu. "Inoltre, un nuovo algoritmo computazionale efficiente in termini di fotoni estrae queste informazioni sub-pixel da un piccolo numero di rilevamenti di fotoni grezzi, consentendo la ricostruzione di immagini 3D ad alta risoluzione nonostante le sfide poste da segnali deboli e forte rumore solare."
I ricercatori hanno condotto una serie di test per convalidare le capacità del nuovo sistema. Un test a terra pre-volo ha confermato l’efficacia della tecnica e ha dimostrato che il sistema era in grado di eseguire imaging lidar con una risoluzione di 15 cm da 1,5 km di distanza con le impostazioni predefinite. Una volta implementata la scansione sub-pixel e la deconvoluzione 3D, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare una risoluzione effettiva di 6 cm dalla stessa distanza.
Gli investigatori hanno anche condotto esperimenti diurni con il sistema a bordo di un piccolo aereo per diverse settimane nella città di Yiwu, nella provincia di Zhejiang, in Cina. Questi esperimenti hanno rivelato con successo caratteristiche dettagliate di varie morfologie e oggetti, confermando la funzionalità e l'affidabilità del sistema in scenari del mondo reale.
Il team sta ora lavorando per migliorare le prestazioni e l’integrazione del sistema, con l’obiettivo a lungo termine di installarlo su una piattaforma spaziale come un piccolo satellite. Anche la stabilità, la durabilità e il rapporto costo-efficacia del sistema devono essere migliorati prima che possa essere commercializzato.
Ulteriori informazioni: Yu Hong et al, LiDAR a fotone singolo in volo verso un carico utile di piccole dimensioni e a basso consumo, Optica (2024). DOI:10.1364/OTTICA.518999
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