Сканируя участки земли с помощью лазеров, часто с самолетов, LiDAR измеряет время прохождения света, отраженного от сканируемой области, и позволяет определить расстояния, которые составляют топографию с высоким разрешением.По мере развития лазерных и электронных технологий возможности LiDAR адаптировались к преодолению ряда ограничений и скрывающих эффектов, неизбежно возникающих в реальных условиях, таких как динамические погодные условия. Благодаря специально разработанной лазерной системе и новой методологии, основанной на закрытой цифровой голографии, исследования Морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ Колумбия, теперь предоставляют метод, который дает LiDAR улучшенную способность видеть сквозь иным образом затемняющие элементы местности, такие как листва или сети. . Пол Лебоу из Военно-морской исследовательской лаборатории представит эту работу на Конгрессе оптического общества по визуализации и прикладной оптике, который состоится 26-29 июня 2017 года в Сан-Франциско, Калифорния.
«Это была попытка решить одну из проблем с так называемым LiDAR, проникающим через листву», — сказал Лебоу. «На самом деле вы можете использовать его для обнаружения трехмерных изображений за затемнением, таким как кроны деревьев, например, в ситуации оказания помощи при стихийных бедствиях, когда вы хотели найти людей, попавших в беду. Вы можете осветить с помощью LiDAR через листья и получить достаточно света возвращаясь, чтобы иметь возможность воссоздать трехмерное топографическое изображение того, что происходит внизу ».
До сих пор было сложно получить измерения поверхностей, скрытых за листвой, с помощью LiDAR. Большая часть исходного света в этих случаях отбрасывается, поскольку камера улавливает свет от земли, поскольку свет, падающий на листья, никогда не достигает земли. Более того, свет блокируется и, следовательно, отражается, прежде чем попасть на землю, часто подавляет сигнал, попадающий в камеру, и скрывает более слабый сигнал, который действительно достигает земли и обратно.«Мы работали с процессом, называемым оптическим фазовым сопряжением, в течение довольно долгого времени, и нас осенило, что мы могли бы использовать этот процесс, чтобы по существу проецировать лазерный луч через отверстия листьев и иметь возможность видеть сквозь частичную затемнение, — сказал Лебоу. «Это было то, что, может быть, до последних пяти лет было нежизнеспособным только потому, что технологии на самом деле не было.
То, что мы делали около 20 лет назад, было связано с использованием нелинейно-оптического материала и было сложным процессом. Теперь все можно сделать используя цифровую голографию и компьютерные голограммы, что мы и делаем ».В этой новой системе используется специально разработанный лазер, разработка которого заняла полтора года, но, по словам Лебоу и его коллеги Эбби Уотник, которая также работает в Военно-морской исследовательской лаборатории, и еще одного автора работы, она была необходимым компонентом.«Настоящим ключом к тому, чтобы наша система работала, является интерференция между двумя лазерными лучами на датчике.
Мы посылаем один лазерный луч к цели, а затем он возвращается, и в то же самое время, когда обратный [луч] попадает в детектор, мы локально вмешиваться в него с другим лазерным лучом », — сказал Ватник. «Нам нужна полная согласованность между этими лучами, чтобы они мешали друг другу, поэтому нам пришлось иметь специально разработанную лазерную систему, чтобы гарантировать, что мы получим эту согласованность, когда они мешают на камере».Используя импульсный лазер с длительностью импульса в несколько наносекунд и стробированные измерения с аналогичным временным разрешением, голографическая система выборочно блокирует самый ранний приходящий свет, отражающийся от затемненных материалов. Затем камера измеряет только свет, исходящий от частично скрытой поверхности внизу.
«Мы делали это раньше, используя CW (непрерывный) лазер в качестве демонстрации, но теперь мы используем импульсный лазер и очень быстрый стробируемый датчик, который может включаться в нужное время, чтобы мы могли реагировать только на свет идет от того места, откуда мы хотим, от цели », — сказал Лебоу. «Лазер спроектирован таким образом, что разница во времени между локальным эталонным импульсом и сигнальным импульсом, который возвращается от цели, полностью регулируется с учетом расстояний от нескольких футов до нескольких километров».«Это означает, — сказал Ватник, — что мы можем использовать эту лазерную систему как в нашей лаборатории на нашей настольной установке, так и вне поля, используя тот же лазер, работающий в этом диапазоне».Эта предварительная лабораторная система предоставила убедительные доказательства ее мощности и потенциальной реальной ценности. Используя перфорированную учетную карточку, чтобы изобразить (безопасную для лаборатории) листву, группа не только смогла изобразить то, что в противном случае скрыла бы учетная карточка с отверстиями, но их моделирование также позволило воссоздать топологию потенциальной "листвы". . "«Мы смогли проверить, что говорит наша компьютерная модель, используя наши реальные данные — сопоставив это с тем, что мы на самом деле видим с помощью пространственного модулятора света, поэтому я думаю, что это была интересная проверка наших результатов», — сказал Ватник.
Ватник и Лебоу вместе со своей исследовательской группой надеются продолжить работу над проектом и внести в свой прототип необходимые изменения, чтобы сделать систему LiDAR, проникающей через листву, готовой к эксплуатации.«Это был бы наш следующий план, если бы у нас было финансирование», — сказал Лебоу. «Было несколько других последующих проектов, не специально для LiDAR, таких как управление лучом и другая цифровая голографическая работа, которую мы выполняем для визуализации сквозь туман и мутную воду, основываясь на очень схожих свойствах и принципах».