Прототип квантового лидара получает 3D-изображения в реальном времени, полностью погрузившись под воду

Исследователи разработали лидарную систему, использующую технологию квантового обнаружения, которая может захватывать 3D-изображения, находясь под водой. Они продемонстрировали систему, используя ее для получения трехмерного изображения (слева) трубы (справа). Сканирование было получено в условиях низкого рассеяния с однофотонной системой, погруженной в резервуар. Авторы и права: Аврора Маккароне, Университет Хериот-Ватт.

Исследователи впервые продемонстрировали прототип лидарной системы, использующей технологию квантового обнаружения для получения трехмерных изображений при погружении под воду. Высокая чувствительность этой системы позволяет ей получать подробную информацию даже в условиях чрезвычайно низкой освещенности под водой.

«Эта технология может быть полезна для широкого круга приложений», — сказала член исследовательской группы Аврора Маккароне, научный сотрудник Королевской инженерной академии из Университета Хериот-Ватт в Соединенном Королевстве. «Например, его можно использовать для осмотра подводных сооружений, таких как кабели подводной ветряной электростанции и подводные конструкции турбин. Подводный лидар также можно использовать для мониторинга или обследования подводных археологических объектов, а также для обеспечения безопасности и обороны».

Получение 3D-изображений через океанскую воду может быть сложной задачей, поскольку она ограничена светом, а любые частицы в воде будут рассеивать свет и искажать изображение. Однако обнаружение одиночных фотонов, основанное на квантовой технике, обеспечивает очень высокое проникновение и работает даже в условиях низкой освещенности.

В Оптике Экспресс, исследователи из Университета Хериот-Ватт и Эдинбургского университета описывают эксперименты, в которых вся система однофотонного лидара была погружена в большой резервуар с водой. Новые демонстрации приближают технологию к практическим приложениям по сравнению с более ранними экспериментами исследовательской группы по обнаружению одиночных фотонов под водой, которые проводились в тщательно контролируемых лабораторных условиях с оптической установкой, размещенной вне резервуара с водой, и анализом данных, выполненным в автономном режиме.

Они также внедрили новые аппаратные и программные разработки, которые позволяют реконструировать 3D-изображения, полученные системой, в режиме реального времени.
«Эта работа направлена ​​на то, чтобы сделать технологии квантового обнаружения доступными для подводных приложений, что означает, что мы сможем отображать интересующую сцену в условиях очень низкой освещенности», — сказал Маккароне. «Это повлияет на использование морских кабелей и энергетических установок, которые используются всеми. Эта технология также может позволить осуществлять мониторинг без присутствия людей, что будет означать меньшее загрязнение и менее агрессивное присутствие в морской среде».

Более быстрое обнаружение при слабом освещении
Лидарные системы создают изображения, измеряя, сколько времени требуется лазерному свету, чтобы отразиться от объектов на сцене и вернуться к приемнику системы, известное как «время полета». В новой работе исследователи стремились разработать способ получения 3D-изображений целей, скрытых мутной водой и, следовательно, невидимых для обычных лидарных систем визуализации.

Они разработали лидарную систему, которая использует зеленый импульсный лазерный источник для освещения интересующей сцены. Отраженное импульсное освещение обнаруживается массивом однофотонных детекторов, что обеспечивает сверхбыстрое обнаружение при слабом освещении и значительно сокращает время измерения в средах с недостатком фотонов, таких как вода с сильным ослаблением.

«Выполняя измерения времени пролета с пикосекундным временным разрешением, мы можем регулярно различать миллиметровые детали целей на сцене», — сказал Маккароне. «Наш подход также позволяет нам отличать фотоны, отраженные целью, от фотонов, отраженных частицами в воде, что делает его особенно подходящим для выполнения трехмерных изображений в сильно мутной воде, где оптическое рассеяние может ухудшить контрастность и разрешение изображения».

Тот факт, что для этого подхода требуются тысячи однофотонных детекторов, каждый из которых производит сотни событий в секунду, делает чрезвычайно сложным получение и обработку данных, необходимых для восстановления трехмерного изображения за короткое время, особенно для приложений реального времени. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали алгоритмы специально для визуализации в условиях сильного рассеяния и применили их в сочетании с широкодоступным оборудованием графического процессора (GPU).

Новая методика основана на некоторых важных технологических достижениях. «Университет Хериота-Ватта имеет большой опыт работы с методами однофотонного обнаружения и обработки изображений однофотонных данных, что позволило нам продемонстрировать усовершенствованную однофотонную визуализацию в чрезвычайно сложных условиях», — сказал Маккароне.

«Эдинбургский университет добился фундаментальных успехов в разработке и производстве массивов однофотонных лавинных диодов, что позволило нам создать компактные и надежные системы визуализации на основе технологий квантового обнаружения».

Подводные испытания
После оптимизации оптической установки на лабораторном оптическом стенде исследователи подключили лидарную систему к графическому процессору для обработки данных в реальном времени, а также внедрили ряд подходов к обработке изображений для трехмерного изображения. Как только система заработала должным образом, ее переместили в резервуар длиной 4 метра, шириной 3 метра и глубиной 2 метра.

Когда система была погружена в воду, исследователи контролируемым образом добавили рассеивающий агент, чтобы сделать воду более мутной. Эксперименты с тремя различными уровнями мутности продемонстрировали успешное получение изображений в сценариях контролируемого сильного рассеяния на расстоянии 3 метра.

«Однофотонные технологии быстро развиваются, и мы продемонстрировали многообещающие результаты в подводных условиях», — сказал Маккароне. «Подход и алгоритмы обработки изображений также можно использовать в более широком диапазоне сценариев для улучшения зрения в свободном пространстве, например, в тумане, дыму или других препятствиях».

Сейчас исследователи работают над уменьшением размера системы, чтобы ее можно было интегрировать в подводный аппарат. Через UK Quantum Technology Hub Network и InnovateUK исследователи сотрудничают с промышленностью, чтобы сделать технологию доступной для целого ряда подводных приложений.