211service.com
Een nieuwe camera kan je fotograferen vanaf 45 kilometer afstand
Afbeeldingen van papier Single-Photon Computational 3D Imaging op 45 km
Langeafstandsfotografie op aarde is een lastige uitdaging. Het is niet eenvoudig om voldoende licht van een onderwerp op grote afstand vast te leggen. En zelfs dan introduceert de atmosfeer vervormingen die het beeld kunnen verpesten; dat geldt ook voor vervuiling, wat een bijzonder probleem is in steden. Dat maakt het moeilijk om enig soort beeld te krijgen dan een afstand van een paar kilometer (ervan uitgaande dat de camera hoog genoeg van de grond is gemonteerd om de kromming van de aarde aan te kunnen).
Maar de afgelopen jaren zijn onderzoekers begonnen gevoelige fotodetectoren te exploiteren om het veel beter te doen. Deze detectoren zijn zo gevoelig dat ze afzonderlijke fotonen kunnen oppikken en deze kunnen gebruiken om beelden van onderwerpen tot 10 kilometer (zes mijl) afstand samen te voegen.
Toch zouden natuurkundigen graag nog meer verbeteren. En vandaag laten Zheng-Ping Li en collega's van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Shanghai zien hoe je onderwerpen tot op 45 km afstand kunt fotograferen in een door smog geteisterde stedelijke omgeving. Hun techniek maakt gebruik van single-photon-detectoren in combinatie met een uniek computationeel beeldalgoritme dat beelden met een superhoge resolutie bereikt door de dunste datapunten aan elkaar te breien.
De nieuwe techniek is in principe relatief eenvoudig. Het is gebaseerd op laserbereik en -detectie, of lidar, waarbij het onderwerp wordt verlicht met laserlicht en vervolgens een beeld wordt gemaakt van gereflecteerd licht.
Het grote voordeel van deze vorm van actieve beeldvorming is dat de door het onderwerp weerkaatste fotonen binnen een bepaald tijdsvenster dat afhankelijk is van de afstand, terugkeren naar de detector. Dus alle fotonen die buiten dit venster komen, kunnen worden genegeerd.
Deze poort vermindert de ruis die wordt veroorzaakt door ongewenste fotonen van elders in de omgeving drastisch. En het zorgt ervoor dat lidar-systemen zeer gevoelig en afstandsspecifiek zijn.
Om het nieuwe systeem in stedelijke omgevingen nog beter te maken, gebruiken Zheng-Ping en co een infraroodlaser met een golflengte van 1550 nanometer, een herhalingssnelheid van 100 kilohertz en een bescheiden vermogen van 120 milliwatt. Deze golflengte maakt het systeem oogveilig en stelt het team in staat zonnefotonen uit te filteren die anders de detector zouden overweldigen.
De onderzoekers sturen en ontvangen deze fotonen door hetzelfde optische apparaat: een gewone astronomische telescoop met een opening van 280 mm. De gereflecteerde fotonen worden vervolgens gedetecteerd door een commerciële single-photon detector. Om een afbeelding te maken, scannen de onderzoekers het gezichtsveld met behulp van een piëzo-gestuurde spiegel die omhoog, omlaag en van links naar rechts kan kantelen.
Op deze manier kunnen ze tweedimensionale afbeeldingen maken. Maar door de poorttiming te veranderen, kunnen ze fotonen oppikken die vanaf verschillende afstanden worden weerkaatst om een 3D-beeld te bouwen.
De laatste stap die het team heeft gezet, is het ontwikkelen van een algoritme dat een afbeelding samenvoegt met behulp van de gegevens van één foton. Dit soort computationele beeldvorming is de afgelopen jaren met grote sprongen vooruitgegaan, waardoor onderzoekers afbeeldingen kunnen maken van relatief kleine gegevenssets.
De resultaten spreken voor zich. Het team plaatste de nieuwe camera op de 20e verdieping van een gebouw op Chongming Island in Shanghai en richtte het op het Pudong Civil Aviation Building aan de overkant van de rivier, zo'n 45 km verderop.
Conventionele opnamen die door de telescoop zijn gemaakt, tonen niets anders dan ruis. Maar de nieuwe techniek levert beelden op met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 60 cm, waarmee ramen van gebouwen worden opgelost. Dit resultaat demonstreert het superieure vermogen van het nabij-infrarode enkel-foton LiDAR-systeem om doelen door smog op te lossen, aldus het team.
Dat is ook aanzienlijk beter dan de conventionele diffractielimiet van 1 meter op 45 km, en zeker beter dan andere recent ontwikkelde algoritmen. De afbeelding hier toont het potentieel van de techniek in foto's gemaakt bij daglicht vanaf een afstand van 21 km. Onze resultaten openen een nieuwe locatie voor hoge resolutie, snelle, low-power 3D optische beeldvorming over ultralange afstanden, zeggen Zheng-Ping en co.
Dat is interessant werk met een breed scala aan toepassingen. Het team noemt remote sensing, bewaking in de lucht en doelherkenning en -identificatie. Inderdaad, het hele apparaat is ongeveer zo groot als een grote schoenendoos en is dus relatief draagbaar.
En Zheng-Ping en co zeggen dat het aanzienlijk kan worden verbeterd. Ons systeem is haalbaar voor beeldvorming op enkele honderden kilometers door de opstelling te verfijnen, en vormt daarmee een belangrijke mijlpaal in de richting van snelle LiDAR met laag vermogen en hoge resolutie over extra lange afstanden, zeggen ze.
Dus blijf lachen - ze kijken misschien.
Referentie: arxiv.org/abs/1904.10341 : Single-Photon Computational 3D Imaging op 45 km