211service.com
Et nytt kamera kan fotografere deg på 45 kilometers avstand
Bilder fra papir Single-Photon Computational 3D Imaging ved 45 km
Langdistansefotografering på jorden er en vanskelig utfordring. Å fange nok lys fra et motiv på store avstander er ikke lett. Og selv da introduserer atmosfæren forvrengninger som kan ødelegge bildet; det samme gjør forurensning, som er et spesielt problem i byer. Det gjør det vanskelig å få noen form for bilder utover en avstand på noen få kilometer eller så (forutsatt at kameraet er montert høyt nok fra bakken til å takle jordens krumning).
Men de siste årene har forskere begynt å utnytte sensitive fotodetektorer for å gjøre det mye bedre. Disse detektorene er så følsomme at de kan fange opp enkeltfotoner og bruke dem til å sette sammen bilder av motiver opptil 10 kilometer unna.
Likevel vil fysikere gjerne forbedre seg enda mer. Og i dag viser Zheng-Ping Li og kolleger fra University of Science and Technology of China i Shanghai hvordan man fotograferer motiver opptil 45 km (28 miles) unna i et smogplaget bymiljø. Teknikken deres bruker enkeltfoton-detektorer kombinert med en unik beregningsbasert bildebehandlingsalgoritme som oppnår superhøyoppløselige bilder ved å strikke sammen de sparsommeste datapunktene.
Den nye teknikken er i prinsippet relativt grei. Den er basert på laseravstandsmåling og deteksjon, eller lidar – belyser motivet med laserlys og lager deretter et bilde fra reflektert lys.
Den store fordelen med denne typen aktiv avbildning er at fotonene som reflekteres fra motivet går tilbake til detektoren innen et spesifikt tidsvindu som avhenger av avstanden. Så alle fotoner som kommer utenfor dette vinduet kan ignoreres.
Denne porten reduserer dramatisk støyen som skapes av uønskede fotoner fra andre steder i miljøet. Og det lar lidar-systemer være svært følsomme og avstandsspesifikke.
For å gjøre det nye systemet enda bedre i urbane miljøer, bruker Zheng-Ping og co en infrarød laser med en bølgelengde på 1550 nanometer, en repetisjonshastighet på 100 kilohertz og en beskjeden effekt på 120 milliwatt. Denne bølgelengden gjør systemet øyesikkert og lar teamet filtrere ut solfotoner som ellers ville overveldet detektoren.
Forskerne sender og mottar disse fotonene gjennom det samme optiske apparatet – et vanlig astronomisk teleskop med en blenderåpning på 280 mm. De reflekterte fotonene blir deretter oppdaget av en kommersiell enkeltfotondetektor. For å lage et bilde skanner forskerne synsfeltet ved hjelp av et piezo-kontrollert speil som kan vippes opp, ned og side til side.
På denne måten kan de lage todimensjonale bilder. Men ved å endre gating-tidspunktene, kan de fange opp fotoner som reflekteres fra forskjellige avstander for å bygge et 3D-bilde.
Det siste fremskrittet teamet har gjort er å utvikle en algoritme som strikker sammen et bilde ved å bruke enkeltfotondata. Denne typen beregningsmessige avbildninger har avansert i sprang og grenser de siste årene, slik at forskere kan lage bilder fra relativt små sett med data.
Resultatene taler for seg selv. Teamet satte opp det nye kameraet i 20. etasje i en bygning på Chongming Island i Shanghai og rettet det mot Pudong Civil Aviation Building over elven, omtrent 45 km unna.
Konvensjonelle bilder tatt gjennom teleskopet viser ingenting annet enn støy. Men den nye teknikken gir bilder med en romlig oppløsning på ca. 60 cm, som løser bygningsvinduer. Dette resultatet demonstrerer den overlegne evnen til det nær-infrarøde enkeltfoton LiDAR-systemet til å løse mål gjennom smog, sier teamet.
Det er også betydelig bedre enn den konvensjonelle diffraksjonsgrensen på 1 meter ved 45 km, og absolutt bedre enn andre nylig utviklede algoritmer. Bildet her viser potensialet til teknikken i bilder tatt i dagslys fra en avstand på 21 km. Resultatene våre åpner et nytt sted for høyoppløselig, rask optisk 3D-avbildning med lav effekt over ultralange rekkevidder, sier Zheng-Ping og co.
Det er interessant arbeid som har et bredt spekter av bruksområder. Teamet nevner fjernmåling, luftbåren overvåking og målgjenkjenning og identifikasjon. Faktisk er hele enheten omtrent på størrelse med en stor skoeske og er derfor relativt bærbar.
Og Zheng-Ping og co sier det kan forbedres betydelig. Systemet vårt er gjennomførbart for bildebehandling på noen få hundre kilometer ved å avgrense oppsettet, og representerer dermed en betydelig milepæl mot rask, laveffekt og høyoppløselig LiDAR over ekstra lange avstander, sier de.
Så fortsett å smile – de kan se på.
Ref: arxiv.org/abs/1904.10341 : Single-Photon Computational 3D Imaging ved 45 km