Los investigadores han desarrollado un sistema lidar aéreo de fotón único compacto y liviano que puede adquirir imágenes 3D de alta resolución con un láser de baja potencia. Este avance podría hacer que el lidar de fotón único sea práctico para aplicaciones aéreas y espaciales, como la monitorización ambiental, el mapeo del terreno en 3D y la identificación de objetos.
El lidar de fotón único utiliza técnicas de detección de fotón único para medir el tiempo que tardan los pulsos láser en viajar hacia los objetos y regresar. Es particularmente útil para aplicaciones aéreas porque permite mapear 3D de terreno y objetos de alta precisión incluso en entornos desafiantes como vegetación densa o áreas urbanas.
"El uso de tecnología lidar de fotón único en drones o satélites con recursos limitados requiere reducir todo el sistema y reducir su consumo de energía", afirmó el miembro del equipo de investigación Feihu Xu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China.
"Pudimos incorporar desarrollos tecnológicos recientes en un sistema que, en comparación con otros sistemas lidar aéreos de última generación, emplea la potencia láser más baja y la apertura óptica más pequeña, manteniendo al mismo tiempo un buen rendimiento en términos de rango de detección y resolución de imagen."
En Óptica Los investigadores muestran que el sistema tiene la capacidad de lograr una resolución de imagen que supera el límite de difracción de la luz cuando se utiliza con escaneo de subpíxeles y un nuevo algoritmo de deconvolución 3D. También demuestran la capacidad del sistema para capturar imágenes 3D de alta resolución durante el día en grandes áreas a bordo de un avión pequeño.
"En última instancia, nuestro trabajo tiene el potencial de mejorar nuestra comprensión del mundo que nos rodea y contribuir a un futuro más sostenible e informado para todos", afirmó Xu.
"Por ejemplo, nuestro sistema podría implementarse en drones o pequeños satélites para monitorear los cambios en los paisajes forestales, como la deforestación u otros impactos en la salud de los bosques. También podría usarse después de los terremotos para generar mapas del terreno en 3D que podrían ayudar a evaluar el alcance de daños y guiar a los equipos de rescate, potencialmente salvando vidas."
Lidar de fotón único cada vez más reducido
El nuevo sistema lidar aerotransportado de fotón único funciona enviando pulsos de luz desde un láser hacia el suelo. Estos pulsos rebotan en los objetos y luego son capturados por detectores muy sensibles llamados conjuntos de diodos de avalancha de fotón único (SPAD). Estos detectores proporcionan una sensibilidad mejorada a fotones individuales, lo que permite una detección más eficiente de los pulsos láser reflejados, de modo que se podría utilizar un láser de menor potencia. Para reducir el tamaño total del sistema, los investigadores utilizaron como óptica receptora pequeños telescopios con una apertura óptica de 47 mm.
La medición del tiempo de vuelo de los fotones individuales devueltos permite calcular el tiempo que tarda la luz en llegar al suelo y regresar. Las imágenes detalladas en 3D del terreno se pueden reconstruir a partir de esta información utilizando algoritmos de imágenes computacionales.
"Una parte clave del nuevo sistema son los espejos de escaneo especiales que realizan un escaneo fino continuo, capturando información subpíxel de los objetivos terrestres", dijo Xu. "Además, un nuevo algoritmo computacional eficiente en fotones extrae esta información de subpíxeles de una pequeña cantidad de detecciones de fotones sin procesar, lo que permite la reconstrucción de imágenes 3D de superresolución a pesar de los desafíos que plantean las señales débiles y el fuerte ruido solar".
Los investigadores realizaron una serie de pruebas para validar las capacidades del nuevo sistema. Una prueba en tierra previa al vuelo confirmó la eficacia de la técnica y demostró que el sistema era capaz de realizar imágenes LIDAR con una resolución de 15 cm a 1,5 km de distancia con la configuración predeterminada. Una vez que implementaron el escaneo de subpíxeles y la deconvolución 3D, los investigadores pudieron demostrar una resolución efectiva de 6 cm desde la misma distancia.
Los investigadores también realizaron experimentos diurnos con el sistema a bordo de un pequeño avión durante varias semanas en la ciudad de Yiwu, provincia de Zhejiang, China. Estos experimentos revelaron con éxito características detalladas de diversos accidentes geográficos y objetos, confirmando la funcionalidad y confiabilidad del sistema en escenarios del mundo real.
El equipo ahora está trabajando para mejorar el rendimiento y la integración del sistema, con el objetivo a largo plazo de instalarlo en una plataforma espacial, como un satélite pequeño. También es necesario mejorar la estabilidad, durabilidad y rentabilidad del sistema antes de que pueda comercializarse.
Más información: Yu Hong et al, LiDAR aerotransportado de fotón único hacia una carga útil de tamaño pequeño y bajo consumo, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.518999
Información de la revista: Óptica
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