מערכת לידר חד פוטון חדשה, קומפקטית וקלת משקל, יכולה להפוך את לידר חד פוטון למעשי ליישומי אוויר וחלל כגון מיפוי שטח תלת מימדי. קרדיט: Feihu Xu, אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין
מערכת קומפקטית עם צריכת חשמל נמוכה פותחת דלתות עבור פוטון-ניטור ומיפוי סביבתי יעיל של מזל"ט ולוויינים.
חוקרים פיתחו מערכת לידר קומפקטית וקלת משקל המוטסת באוויר, שיכולה לרכוש תמונות תלת מימד ברזולוציה גבוהה עם לייזר בעוצמה נמוכה. התקדמות זו עשויה להפוך את לידר פוטון בודד למעשי ליישומי אוויר וחלל כגון ניטור סביבתי, מיפוי שטח תלת מימדי וזיהוי אובייקטים.
Lidar של פוטון בודד משתמש בטכניקות זיהוי של פוטון בודד כדי למדוד את הזמן שלוקח לפולסי לייזר לעבור אל עצמים ובחזרה. זה שימושי במיוחד עבור יישומים מוטסים מכיוון שהוא מאפשר מיפוי תלת מימדי מדויק ביותר של שטח ואובייקטים אפילו בסביבות מאתגרות כמו צמחייה צפופה או אזורים עירוניים.
התקדמות טכנולוגית
"שימוש בטכנולוגיית לידאר חד-פוטון על מל"טים או לוויינים מוגבלים במשאבים דורש כיווץ של המערכת כולה והפחתת צריכת האנרגיה שלה", אמר חבר צוות המחקר Feihu Xu מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין. "הצלחנו לשלב פיתוחים טכנולוגיים עדכניים במערכת שבהשוואה למערכות לידר מוטסות מתקדמות אחרות, מפעילה את הספק הלייזר הנמוך ביותר ואת הצמצם האופטי הקטן ביותר תוך שמירה על ביצועים טובים במונחים של טווח זיהוי ו רזולוציית הדמיה."
החוקרים הדגימו את יכולתה האמיתית של המערכת על ידי שימוש בה על סיפון מטוס קטן כדי לצלם תמונות תלת מימד ברזולוציה גבוהה במהלך היום על פני שטחים גדולים. קרדיט: Feihu Xu, אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין
ב אופטיקה, כתב העת של Optica Publishing Group למחקר בעל השפעה גבוהה, החוקרים מראים שלמערכת יש את היכולת להשיג רזולוציית הדמיה שעולה על גבול העקיפה של האור כאשר משתמשים בה עם סריקת תת-פיקסל ואלגוריתם חדש של פירוק תלת מימד. הם גם מדגימים את היכולת של המערכת ללכוד תמונות תלת מימד ברזולוציה גבוהה במהלך היום על פני שטחים גדולים על סיפון מטוס קטן.
"בסופו של דבר, לעבודה שלנו יש פוטנציאל לשפר את הבנתנו את העולם סביבנו ולתרום לעתיד בר-קיימא ומושכל יותר לכולם", אמר שו. "לדוגמה, המערכת שלנו יכולה להיפרס על רחפנים או לוויינים קטנים כדי לנטר שינויים בנופי היער, כמו כריתת יערות או השפעות אחרות על בריאות היער. זה יכול לשמש גם לאחר רעידות אדמה כדי ליצור מפות שטח תלת מימדיות שיכולות לעזור להעריך את היקף הנזק ולהנחות צוותי חילוץ, שעלולים להציל חיים".
מתכווץ סינגל-פוטון לידר
מערכת הלידר החד-פוטון החדשה המוטסת פועלת על ידי שליחת פולסי אור מלייזר לכיוון הקרקע. פולסים אלה מקפיצים מעצמים ואז נלכדים על ידי גלאים רגישים מאוד הנקראים מערכי דיודות מפולת חד פוטון (SPAD). גלאים אלה מספקים רגישות מוגברת לפוטונים בודדים, ומאפשרים זיהוי יעיל יותר של פעימות הלייזר המשתקפות כך שניתן יהיה להשתמש בלייזר בעל הספק נמוך יותר. כדי להקטין את גודל המערכת הכולל, החוקרים השתמשו בטלסקופים קטנים עם צמצם אופטי של 47 מ"מ כאופטיקת קליטה.
הסרטון מציג תמונות תלת מימד שנרכשו באמצעות מערכת הלידר המוטסת עם פוטון יחיד על סיפון מטוס קטן. קרדיט: Feihu Xu, אוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין
מדידת זמן הטיסה של הפוטונים הבודדים המוחזרים מאפשרת לחשב את הזמן שלוקח לאור לעבור אל הקרקע ובחזרה. לאחר מכן ניתן לשחזר את התמונות התלת-ממדיות המפורטות של השטח ממידע זה באמצעות אלגוריתמי הדמיה חישוביים.
"חלק מרכזי של המערכת החדשה הוא מראות הסריקה המיוחדות שמבצעות סריקה עדינה רציפה, הלוכדת מידע תת-פיקסל של מטרות הקרקע", אמר שו. "כמו כן, אלגוריתם חישובי חדש יעיל בפוטונים מחלץ מידע תת-פיקסל זה ממספר קטן של גילויי פוטון גולמיים, ומאפשר שחזור של תמונות תלת-ממד ברזולוציה-על למרות האתגרים שמציבים אותות חלשים ורעש שמש חזק".
בדיקות קרקע ואוויר
החוקרים ערכו סדרה של בדיקות כדי לאמת את היכולות של המערכת החדשה. בדיקה קרקעית לפני טיסה אישרה את יעילות הטכניקה והראתה שהמערכת הצליחה לבצע הדמיית לידר ברזולוציה של 15 ס"מ ממרחק של 1.5 ק"מ עם הגדרות ברירת מחדל. לאחר שהטמיעו סריקת תת-פיקסל ופירוק תלת-ממד, החוקרים הצליחו להדגים רזולוציה יעילה של 6 ס"מ מאותו מרחק.
החוקרים ערכו גם ניסויים בשעות היום עם המערכת על סיפון מטוס קטן במשך מספר שבועות בעיר Yiwu, במחוז ג'ה-ג'יאנג, סין. ניסויים אלה חשפו בהצלחה תכונות מפורטות של צורות קרקע ואובייקטים שונים, ואישרו את הפונקציונליות והאמינות של המערכת בתרחישים בעולם האמיתי.
הצוות פועל כעת לשיפור הביצועים והאינטגרציה של המערכת, במטרה ארוכת טווח להתקין אותה על פלטפורמת חלל כגון לוויין קטן. גם היציבות, העמידות והעלות-תועלת של המערכת צריכים לשפר לפני שניתן יהיה למסחר אותה.
