Et nyt kamera kan fotografere dig på 45 kilometers afstand

Billeder fra papir Single-Photon Computational 3D Imaging ved 45 km

Langdistancefotografering på Jorden er en vanskelig udfordring. Det er ikke nemt at fange nok lys fra et motiv på store afstande. Og selv da introducerer atmosfæren forvrængninger, der kan ødelægge billedet; det samme gør forurening, som er et særligt problem i byerne. Det gør det svært at få nogen form for billede ud over en afstand på et par kilometer eller deromkring (forudsat at kameraet er monteret højt nok fra jorden til at klare jordens krumning).

Men i de senere år er forskere begyndt at udnytte følsomme fotodetektorer til at gøre det meget bedre. Disse detektorer er så følsomme, at de kan opfange enkelte fotoner og bruge dem til at sammensætte billeder af motiver op til 10 kilometer (seks miles) væk.

Ikke desto mindre ville fysikere elske at forbedre sig endnu mere. Og i dag viser Zheng-Ping Li og kolleger fra University of Science and Technology of China i Shanghai, hvordan man fotograferer motiver op til 45 km (28 miles) væk i et smogplaget bymiljø. Deres teknik bruger enkeltfoton-detektorer kombineret med en unik computerbaseret billedbehandlingsalgoritme, der opnår billeder i superhøj opløsning ved at strikke de sparsomme datapunkter sammen.

Den nye teknik er i princippet forholdsvis ligetil. Den er baseret på laserafstandsmåling og -detektion eller lidar - belyser motivet med laserlys og skaber derefter et billede ud fra reflekteret lys.

Den store fordel ved denne form for aktiv billeddannelse er, at fotonerne, der reflekteres fra motivet, vender tilbage til detektoren inden for et bestemt tidsvindue, der afhænger af afstanden. Så alle fotoner, der ankommer uden for dette vindue, kan ignoreres.

Denne gating reducerer dramatisk støjen, der skabes af uønskede fotoner fra andre steder i miljøet. Og det tillader lidar-systemer at være meget følsomme og afstandsspecifikke.

For at gøre det nye system endnu bedre i bymiljøer bruger Zheng-Ping og co en infrarød laser med en bølgelængde på 1550 nanometer, en gentagelseshastighed på 100 kilohertz og en beskeden effekt på 120 milliwatt. Denne bølgelængde gør systemet øjensikkert og giver teamet mulighed for at filtrere solfotoner fra, som ellers ville overvælde detektoren.

Forskerne sender og modtager disse fotoner gennem det samme optiske apparat - et almindeligt astronomisk teleskop med en blænde på 280 mm. De reflekterede fotoner detekteres derefter af en kommerciel enkeltfotondetektor. For at skabe et billede scanner forskerne synsfeltet ved hjælp af et piezo-styret spejl, der kan vippe op, ned og fra side til side.

På den måde kan de skabe todimensionelle billeder. Men ved at ændre gating-tidspunkterne kan de opfange fotoner, der reflekteres fra forskellige afstande, for at bygge et 3D-billede.

Det sidste fremskridt, holdet har gjort, er at udvikle en algoritme, der strikker et billede sammen ved hjælp af enkeltfotondata. Denne form for beregningsmæssig billeddannelse har gjort fremskridt i de seneste år, hvilket gør det muligt for forskere at skabe billeder fra relativt små sæt data.

Resultaterne taler for sig selv. Holdet satte det nye kamera op på 20. etage i en bygning på Chongming Island i Shanghai og rettede det mod Pudong Civil Aviation Building på den anden side af floden, omkring 45 km væk.

Konventionelle billeder taget gennem teleskopet viser intet andet end støj. Men den nye teknik giver billeder med en rumlig opløsning på omkring 60 cm, hvilket løser bygningsvinduer. Dette resultat demonstrerer den overlegne evne af det nær-infrarøde enkeltfoton LiDAR-system til at løse mål gennem smog, siger holdet.

Det er også væsentligt bedre end den konventionelle diffraktionsgrænse på 1 meter ved 45 km, og bestemt bedre end andre nyligt udviklede algoritmer. Billedet her viser teknikkens potentiale i billeder taget i dagslys fra en afstand af 21 km. Vores resultater åbner et nyt sted for høj opløsning, hurtig, laveffekt 3D optisk billeddannelse over ultralange rækkevidder, siger Zheng-Ping og co.

Det er interessant arbejde, der har en bred vifte af anvendelser. Holdet nævner fjernmåling, luftbåren overvågning og målgenkendelse og identifikation. Faktisk er hele enheden omtrent på størrelse med en stor skoæske og er derfor relativt bærbar.

Og Zheng-Ping og co siger, at det kan forbedres markant. Vores system er gennemførligt til billeddannelse på et par hundrede kilometer ved at forfine opsætningen og repræsenterer dermed en væsentlig milepæl i retning af hurtig, laveffekt og højopløselig LiDAR over ekstra lange rækkevidder, siger de.

Så bliv ved med at smile – de ser måske på.

Ref: arxiv.org/abs/1904.10341 : Single-Photon Computational 3D Imaging ved 45 km

skjule