Nauja kamera gali fotografuoti iš 45 kilometrų

Vaizdai iš popieriaus Vieno fotono kompiuterinis 3D vaizdas 45 km atstumu

Fotografavimas tolimais atstumais Žemėje yra sudėtingas iššūkis. Užfiksuoti pakankamai šviesos iš objekto dideliais atstumais nėra lengva. Ir net tada atmosfera sukelia iškraipymus, kurie gali sugadinti vaizdą; taip pat ir tarša, kuri yra ypatinga miestų problema. Dėl to sunku gauti bet kokį vaizdą už kelių kilometrų (darant prielaidą, kad fotoaparatas sumontuotas pakankamai aukštai nuo žemės, kad atlaikytų Žemės kreivumą).

Tačiau pastaraisiais metais mokslininkai pradėjo naudoti jautrius fotodetektorius, kad padarytų daug geriau. Šie detektoriai yra tokie jautrūs, kad gali paimti pavienius fotonus ir panaudoti juos objektų vaizdams sujungti iki 10 kilometrų (šešių mylių) atstumu.

Nepaisant to, fizikai norėtų dar labiau tobulėti. Ir šiandien Zheng-Ping Li ir kolegos iš Kinijos mokslo ir technologijų universiteto Šanchajuje parodo, kaip fotografuoti objektus, esančius iki 45 km (28 mylių) atstumu smogo apimtoje miesto aplinkoje. Jų technikoje naudojami vieno fotono detektoriai kartu su unikaliu skaičiavimo vaizdavimo algoritmu, kuris sukuria itin didelės raiškos vaizdus sujungiant rečiausius duomenų taškus.

Naujoji technika iš esmės yra gana paprasta. Jis pagrįstas lazerio nuotolio nustatymu ir aptikimu arba lidaru – objekto apšvietimu lazerio šviesa ir tada sukuriant vaizdą iš atspindėtos šviesos.

Didelis tokio aktyvaus vaizdo privalumas yra tas, kad nuo objekto atsispindėję fotonai grįžta į detektorių per tam tikrą laiko langą, kuris priklauso nuo atstumo. Taigi bet kokie fotonai, patekę už šio lango, gali būti ignoruojami.

Šis užtvaras žymiai sumažina triukšmą, kurį sukelia nepageidaujami fotonai iš kitų aplinkos vietų. Ir tai leidžia lidar sistemoms būti labai jautrioms ir specifinėms atstumui.

Kad naujoji sistema būtų dar geresnė miesto aplinkoje, Zheng-Ping ir bendradarbiai naudoja infraraudonųjų spindulių lazerį, kurio bangos ilgis yra 1550 nanometrų, pasikartojimo dažnis 100 kilohercų ir nedidelė 120 milivatų galia. Dėl šio bangos ilgio sistema yra saugi akims ir leidžia komandai išfiltruoti saulės fotonus, kurie kitu atveju užblokuotų detektorių.

Tyrėjai siunčia ir priima šiuos fotonus per tą patį optinį aparatą – įprastą astronominį teleskopą, kurio diafragma yra 280 mm. Tada atspindėtus fotonus aptinka komercinis vieno fotono detektorius. Norėdami sukurti vaizdą, tyrėjai nuskaito matymo lauką naudodami pjezo valdomą veidrodį, kuris gali pakreipti aukštyn, žemyn ir iš vienos pusės į kitą.

Tokiu būdu jie gali sukurti dvimačius vaizdus. Tačiau pakeitę atitvarų laiką, jie gali paimti iš skirtingų atstumų atsispindinčius fotonus, kad sukurtų 3D vaizdą.

Paskutinis komandos žingsnis yra sukurti algoritmą, kuris sujungia vaizdą naudojant vieno fotono duomenis. Toks kompiuterinis vaizdavimas pastaraisiais metais labai pažengė į priekį, todėl mokslininkai galėjo kurti vaizdus iš santykinai mažų duomenų rinkinių.

Rezultatai kalba patys už save. Komanda pastatė naują kamerą 20-ame pastato Čongmingo saloje Šanchajuje aukšte ir nukreipė į Pudongo civilinės aviacijos pastatą kitapus upės, maždaug už 45 km.

Įprastos nuotraukos, padarytos per teleskopą, rodo tik triukšmą. Tačiau naudojant naują techniką gaunami vaizdai, kurių erdvinė skiriamoji geba yra apie 60 cm, o tai išskiria pastato langus. Šis rezultatas rodo, kad beveik infraraudonųjų spindulių vieno fotono LiDAR sistema gali išspręsti taikinius per smogą, teigia komanda.

Tai taip pat žymiai geriau nei įprastinė 1 metro difrakcijos riba 45 km atstumu ir tikrai geriau nei kiti neseniai sukurti algoritmai. Čia pateiktame paveikslėlyje parodytas technikos potencialas vaizduose, darytose dienos šviesoje iš 21 km atstumo. Mūsų rezultatai atveria naują vietą didelės raiškos, greito ir mažos galios 3D optiniam vaizdavimui itin dideliais diapazonais, sako Zheng-Ping ir kt.

Tai įdomus darbas, turintis platų pritaikymo spektrą. Komanda mini nuotolinį stebėjimą, oro stebėjimą ir taikinio atpažinimą bei identifikavimą. Iš tiesų visas prietaisas yra maždaug didelės batų dėžės dydžio, todėl yra gana nešiojamas.

Ir Zheng-Ping ir kiti teigia, kad tai gali būti žymiai patobulinta. Patobulinus sąranką mūsų sistema yra tinkama vaizduoti keliuose šimtuose kilometrų, todėl tai yra svarbus etapas siekiant greito, mažos galios ir didelės raiškos LiDAR itin dideliais diapazonais.

Taigi šypsokis – galbūt jie žiūri.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1904.10341 : vieno fotono kompiuterinis 3D vaizdas 45 km atstumu

paslėpti