Лідар розгледів метрові деталі за 45 кілометрів

Фізики продемонстрували роботу лідара, який здатний будувати тривимірні детальні (з роздільною здатністю до декількох дециметрів) зображення об'єктів на відстані 45 кілометрів і працювати при цьому в умовах високого шуму і слабкого (порядку одного фотона на піксель) сигналу. За словами авторів, надалі запропонована технологія може дозволити отримувати детальні зображення за однофотонним сигналом на дистанціях до декількох сотень кілометрів - тобто на наддальних відстанях для лідарів. Стаття опублікована в журналі.

Лідар - це прилад, який дозволяє отримувати інформацію про віддалені об'єкти за допомогою оптичного випромінювання. Основними елементами такого пристрою є випромінювач і приймач. Світло від випромінювача відбивається, зустрівшись з перешкодою, і (в дещо спотвореному вигляді, оскільки на шляху відбувається розсіювання) повертається до приймача - за тимчасовим інтервалом між формуванням і реєстрацією променя можна вирахувати відстань до об'єкта, від якого світло відбилося. Посилаючи промені відразу в безліч напрямків, можна таким чином відтворювати тривимірні зображення непрозорих предметів.

На досить далеких дистанціях (близько кілометрів) лідари стикаються з проблемою: сигнальне випромінювання двічі (на прямому і зворотному шляху) розсіюється в протяжному середовищі, що розділяє об'єкт і прилад, а приймач при цьому реєструє зайве світло, яке не несе корисної інформації. Виникає ситуація, коли на один піксель формованого зображення припадають лічені одиниці відображених фотонів і в багато разів більше фонових - в таких умовах важко виділяти сигнал серед шуму. Незважаючи на те, що існують алгоритми фільтрації та обробки даних, поєднувати досить якісні однофотонні зображення і далекодію в лідарах як і раніше складно.

Вчені з Науково-технічного університету Китаю під керівництвом Чжен Пін Лі (Zheng-Ping Li) і Сінь Хуан (Xin Huang) виготовили далекодіючий лідар і протестували однофотонну реєстрацію на відстанях у десятки кілометрів. Як випромінювач фізики використовували інфрачервоний лазер (довжина хвилі 1550 нанометрів) - це дозволило поєднати безпеку приладу для зору з хорошою прозорістю атмосфери (частка випромінювання, яку пропускає повітря, для даної довжини хвилі порівнянна з такою ж часткою для видимого діапазону) і при цьому зменшити вплив сонячного світла (його інтенсивність біля земної поверхні в інфрачервоному діапазоні в 2-3 рази нижче, ніж у видимому).

Приймач лідара автори оснастили оптичною системою, яка фільтрувала фотони за довжиною хвилі (посилаючи в детектор частинки зі смуги спектру шириною 1,3 нанометра) і поляризації (оскільки початковий пучок світла був поляризований) - таким чином установка відсівала фонові частинки і підвищувала якість сигналу. Фільтроване випромінювання реєстрував детектор, здатний помічати окремі фотони.

Обробку накопичених лідаром даних вчені вели в два етапи. Спочатку алгоритм підсумував події (реєстрації фотонів) за всіма пікселями майбутнього зображення і визначав проміжок часу, в якому ця сума відчувала пікове значення - тобто виявляла інтервал реєстрації корисного сигналу. Після цього автори підбирали параметри корисного сигналу (залежні в кінцевому рахунку від глибини зображення та інтенсивності відображеного випромінювання), які найбільш правдоподібно описували б дані детектора за вказаний період. Нарешті, на основі цих параметрів автори будували тривимірну картину, глибина в якій визначалася усередненим (окремо для кожного пікселя) часом реєстрації сигнальних фотонів.

Для оцінки якості результатів фізики також використовували три додаткові алгоритми обробки даних з попередніх досліджень і отримували аналогічне зображення у видимому діапазоні за допомогою камери.

В результаті вченим вдалося отримати зображення об'єктів на відстані до 45 кілометрів з граничною роздільною здатністю в 0,6 метра при середній кількості фотонів на піксель близько 2,59 і тридцятикратному переважанні шуму над сигналом. Крім того, запропонований у роботі алгоритм дозволив досягти максимального співвідношення між сигналом і шумом в обробленому зображенні на 8-14 децибелів вище, ніж це вийшло в рамках інших підходів.

Автори вважають, що такі особливості обладнання і способу обробки даних дозволять в майбутньому істотно розвинути технічні можливості лідарів і забезпечити їх роботу на далеких дистанціях (аж до сотень кілометрів) і в умовах низької освітленості.

Раніше ми писали про те, як лідар навчили бачити крізь туман і об'єднали в одному пристрої з радаром.