Il nuovo sistema di imaging per immaginare i caratteri LEGO ai 32 m di distanza.
I ricercatori hanno progettato un sistema LiDAR time-of-flight a singolo fotone in grado di acquisire un'immagine 3D ad alta risoluzione di un oggetto o di una scena fino a 1 chilometro di distanza
Il nuovo sistema potrebbe aiutare a migliorare la sicurezza, il monitoraggio e il telerilevamento consentendo immagini dettagliate anche in condizioni ambientali difficili o quando gli oggetti sono oscurati da fogliame o reti mimetiche. «Il nostro sistema utilizza un rilevatore di fotoni singoli circa due volte più efficiente dei rilevatori impiegati in sistemi LiDAR simili segnalati da altri gruppi di ricerca e ha una risoluzione temporale del sistema almeno 10 volte migliore», ha affermato il membro del team di ricerca, il dottor Aongus McCarthy (1), della Heriot-Watt University nel Regno Unito. «Questi miglioramenti consentono al sistema di imaging di raccogliere più fotoni sparsi dal bersaglio e di ottenere una risoluzione spaziale molto più elevata».
In Optica, la rivista di ricerca ad alto impatto dell'Optica Publishing Group, un gruppo multi-istituzionale di ricercatori del Regno Unito e degli Stati Uniti dimostra che il nuovo sistema può costruire un'immagine 3D raffigurante un volto umano chiaramente riconoscibile da una persona a 325 metri di distanza. I ricercatori provenivano dal gruppo di Gerald Buller presso l'Heriot-Watt University, dal gruppo di Robert Hadfield presso l'University of Glasgow, dal gruppo di Matthew Shaw presso il NASA Jet Propulsion Laboratory e dal gruppo di Karl Berggren presso il MIT.
«Questo tipo di sistema di misurazione potrebbe portare a sistemi di sicurezza e monitoraggio migliorati che potrebbero, ad esempio, acquisire immagini di profondità dettagliate attraverso fumo o nebbia e di scene disordinate», ha affermato il dottor McCarthy, primo autore del nuovo articolo. «Potrebbe anche consentire l'identificazione remota di oggetti in vari ambienti e il monitoraggio del movimento di edifici o pareti rocciose per valutare cedimenti o altri potenziali pericoli».
Rilevamento della distanza basato sulla luce
Il sistema di imaging della profondità time-of-flight a singolo fotone utilizza il tempo impiegato da un impulso laser per viaggiare dal sistema a un punto su un oggetto e ritorno per calcolare la distanza dall'oggetto. Queste misurazioni time-of-flight vengono quindi ripetute per i punti attraverso l'oggetto per ottenere informazioni 3D.
Il nuovo sistema utilizza un rilevatore ultrasensibile chiamato rilevatore di singolo fotone a nanofili superconduttori (SNSD) sviluppato dai gruppi di ricerca del MIT e del JPL. L'SNSD può rilevare un singolo fotone di luce, il che significa che i laser con potenze molto basse, compresi i laser sicuri per gli occhi, possono essere utilizzati per eseguire misurazioni in tempi molto brevi e su lunghe distanze. Per ridurre i livelli di rumore, il rilevatore è stato raffreddato a poco meno di 1 Kelvin in un sistema 'criocooler' compatto progettato e costruito dal gruppo dell'University of Glasgow.
I ricercatori hanno combinato l'SNSD raffreddato con un nuovo transceiver di scansione a singolo pixel personalizzato che opera a una lunghezza d'onda di 1550 nm, progettato da McCarthy presso la Heriot-Watt University. Hanno anche aggiunto apparecchiature di temporizzazione avanzate per misurare intervalli di tempo estremamente precisi, accurati fino a trilionesimi di secondo (picosecondi). Per mettere tutto questo in prospettiva, in soli 1.000 picosecondi, la luce può percorrere circa 300 millimetri. Questa precisione ha reso possibile distinguere superfici separate da circa 1 mm di profondità da 325 metri di distanza.
«Tutti questi fattori forniscono una flessibilità migliorata nel compromesso tra distanza di standoff, livelli di potenza laser, tempo di acquisizione dati e risoluzione di profondità», ha affermato McCarthy. «Inoltre, poiché i rilevatori SNSPD possono funzionare a lunghezze d'onda superiori a 1550 nm, questo design apre le porte allo sviluppo di un sistema LiDAR a singolo fotone nel medio infrarosso, che potrebbe migliorare ulteriormente l'imaging attraverso nebbia, fumo e altri oscuranti».
Misurazioni 3D di oggetti distanti
I ricercatori hanno eseguito test sul campo del loro sistema LiDAR nel campus della Heriot-Watt University, effettuando misurazioni da oggetti distanti 45 metri, 325 metri o 1 chilometro.
Per valutare la risoluzione spaziale e di profondità, hanno scansionato un bersaglio personalizzato stampato in 3D con diverse dimensioni e altezze dei pilastri. Il sistema ha risolto caratteristiche piccole quanto 1 mm alla luce del giorno a 45 e 325 metri, una risoluzione di profondità circa 10 volte migliore di quella ottenuta in precedenza. Hanno anche catturato un'immagine 3D di un volto umano a queste distanze utilizzando un tempo di acquisizione di 1 ms per pixel, un laser da 3,5 mW sicuro per gli occhi e un'elaborazione minima dei dati.
«L'eccellente risoluzione di profondità del sistema significa che sarebbe particolarmente adatto per riprendere oggetti dietro a confusione, come fogliame o reti mimetiche, uno scenario che sarebbe difficile focalizzare per una fotocamera digitale», ha affermato McCarthy. «Ad esempio, potrebbe distinguere un oggetto situato a pochi centimetri dietro una rete mimetica, mentre i sistemi con una risoluzione inferiore non sarebbero in grado di distinguere l'oggetto».
Mentre le prove sul campo per il sistema LiDAR erano limitate a un raggio di 1 chilometro, i ricercatori hanno in programma di testare il sistema a distanze fino a 10 km ed esplorare l'imaging attraverso oscuranti atmosferici come fumo e nebbia. Il lavoro futuro si concentrerà anche sull'utilizzo di metodi computazionali avanzati per accelerare l'analisi dei dati e consentire l'imaging di scene più distanti.
L'articolo (2) è stato redatto da: A. McCarthy, GG Taylor, J. Garcia-Armenta, B. Korzh, DV Morozov, AD Beyer, RM Briggs, JP Allmaras, B. Bumble, M. Colangelo, D. Zhu, KK Berggren, MD Shaw, RH Hadfield, GS Buller.
Riferimenti:
(1) Aongus McCarthy
Descrizione foto: I ricercatori hanno progettato un sistema LiDAR time-of-flight a singolo fotone in grado di produrre immagini 3D ad alta risoluzione di oggetti e volti che si trovano a una certa distanza. Le immagini in alto mostrano pilastri stampati in 3D ripresi da una distanza di 45 metri in pieno giorno. Le immagini in basso raffigurano un volto umano riconoscibile di una persona a 45 metri di distanza. - Credit: Aongus McCarthy, Heriot-Watt University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Single-photon LiDAR delivers detailed 3D images at distances up to 1 kilometer