Un nuovo sistema LIDAR aereo compatto e leggero, a singolo fotone, potrebbe essere reso pratico per applicazioni aeree e spaziali come la mappatura 3D del terreno. Dal team di ricerca Feihu Xu, della University of Science and Technology of China.
I ricercatori hanno sviluppato un sistema LIDAR aereo compatto e leggero a singolo fotone, che può acquisire immagini 3D ad alta risoluzione con un laser a bassa potenza. Questo progresso potrebbe rendere pratico il lidar a singolo fotone per applicazioni aeree e spaziali come il monitoraggio ambientale, la mappatura 3D del terreno e l'identificazione di oggetti.
A metà degli anni 2000, il Lincoln Laboratory del MIT ha sviluppato il lidar a singolo fotone aereo Jigsaw, mirato all'imaging 3D per penetrare nella vegetazione, che da allora ha realizzato sistemi maturi e prodotti commerciali. La Sigma Space Corporation e la NASA hanno contribuito a questo campo con sistemi operanti a diverse altitudini. Verso le applicazioni spaziali, la NASA ha sviluppato diversi sistemi aerei, in cui ATLAS è stato infine schierato sul satellite ICESat-2. Altri lidar a singolo fotone aerei sono stati segnalati da diversi gruppi di ricerca. Tra questi approcci, i LIDAR a singolo fotone con misura del tempo correlato (TCSPC) hanno il vantaggio unico di una maggiore sensibilità rispetto a quelli a singolo pulse.
Nonostante i notevoli progressi nel lidar a singolo fotone aereo, i sistemi precedenti avevano payload relativamente grandi e alto consumo energetico. C'è un crescente interesse nello sviluppo di sistemi lidar a singolo fotone compatti e leggeri per applicazioni su piattaforme con risorse limitate, come veicoli aerei senza pilota (UAV) o nanosatelliti. Tuttavia, realizzare sistemi lidar a singolo fotone miniaturizzati e leggeri comporta diverse sfide. Ad esempio, l'apertura ottica del sistema deve essere ridotta, ma questa riduzione dell'apertura porterà a una seria diminuzione della risoluzione dell'imaging del sistema. Inoltre, la potenza del laser deve essere limitata, indebolendo così il segnale di eco dal bersaglio a terra, rendendo difficile ricostruire immagini di alta qualità.
Sono queste le sfide affontate dal gruppo di ricerca per dimostrare la possibilità di installazione ottica di piccole dimensioni (47 mm) e bassa potenza laser (150 mW) per il lidar a singolo fotone aereo.
Per migliorare la risoluzione dell'imaging nonostante la limitata apertura ottica, sono utilizzati specchi di scansione per eseguire una scansione fine sub-pixel. Per ricostruire immagini di alta qualità indipendentemente dal debole segnale di eco, sono impiegati algoritmi computazionali efficienti in termini di fotoni e array SPAD ad alte prestazioni.
Il lidar a singolo fotone utilizza tecniche di rilevamento per misurare il tempo impiegato dai raggi laser a raggiungere gli oggetti e tornare indietro. È particolarmente utile per applicazioni aeree perché consente una mappatura 3D altamente accurata del terreno e degli oggetti anche in ambienti difficili come vegetazione densa o aree urbane.
"L'utilizzo della tecnologia lidar a singolo fotone su droni o satelliti con risorse limitate consente la riduzione delle dimensioni dell'intero sistema e la diminuzione del consumo energetico", ha dichiarato il membro del team di ricerca Feihu Xu della University of Science and Technology of China in una intervista rilasciata a Phys.org.
"Siamo stati in grado di incorporare sviluppi tecnologici recenti in un sistema che, rispetto ad altri sistemi lidar aereo all'avanguardia, impiega la potenza laser più bassa e l'apertura ottica più piccola pur mantenendo buone prestazioni in termini di portata di rilevamento e risoluzione dell'imaging."
Il video mostra immagini 3D acquisite utilizzando il sistema lidar aereo
a singolo fotone a bordo di un piccolo aereo.
Crediti: Feihu Xu, University of Science and Technology of China
"Infine, il nostro lavoro ha il potenziale di migliorare la nostra comprensione del mondo che ci circonda e contribuire a un futuro più sostenibile e informato per tutti", ha detto 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 della foresta. Potrebbe anche essere utilizzato dopo i terremoti per generare mappe 3D del terreno che potrebbero aiutare a valutare l'entità dei danni e guidare le squadre di soccorso, potenzialmente salvando vite."
Alcuni dettagli
Il nuovo sistema lidar aereo a singolo fotone funziona inviando impulsi di luce da un laser verso il terreno. Questi impulsi rimbalzano sugli oggetti e vengono quindi catturati da rilevatori molto sensibili chiamati single-photon avalanche diode (SPAD) arrays. Questi rilevatori forniscono una maggiore sensibilità ai singoli fotoni, consentendo una rilevazione più efficiente degli impulsi laser riflessi in modo che possa essere utilizzato un laser a bassa potenza. Per ridurre le dimensioni complessive del sistema, i ricercatori hanno utilizzato piccoli telescopi con un'apertura ottica di 47 mm come ottica di ricezione.
Misurare il tempo di volo dei singoli fotoni riflessi consente di calcolare il tempo impiegato dalla luce per viaggiare fino al terreno e ritorno. Le immagini 3D dettagliate del terreno possono quindi essere ricostruite da queste informazioni utilizzando algoritmi di imaging computazionale.
"Una parte chiave del nuovo sistema sono gli specchi di scansione speciali che eseguono una scansione fine continua, catturando informazioni sub-pixel sui bersagli a terra", ha detto Xu. "Inoltre, un nuovo algoritmo computazionale ad alta efficienza di fotoni estrae queste informazioni sub-pixel da un piccolo numero di rilevazioni grezze di fotoni, consentendo la ricostruzione di immagini 3D a super risoluzione nonostante le sfide poste da segnali deboli e forte rumore solare."
I test eseguiti
I ricercatori hanno condotto una serie di test per validare le capacità del nuovo sistema. Un test a terra pre-volo ha confermato l'efficacia della tecnica e ha mostrato che il sistema era in grado di eseguire imaging lidar con una risoluzione di 15 cm da 1,5 km di distanza con impostazioni predefinite. Una volta implementata la scansione sub-pixel e la deconvoluzione 3D, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare una risoluzione efficace di 6 cm dalla stessa distanza.
Hanno anche condotto esperimenti durante il giorno con il sistema a bordo di un piccolo aereo per diverse settimane a Yiwu City, Zhejiang Province, Cina. Questi esperimenti hanno rivelato con successo dettagliati tratti di varie forme di terreno e oggetti, confermando la funzionalità e l'affidabilità del sistema in scenari reali.
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. Occorre anche migliorare la stabilità, la durata e il costo del sistema prima che possa essere commercializzato.
Maggiori informazioni: Yu Hong et al, Airborne single-photon LiDAR towards small-size and low-power payload, Optica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.518999
