Verdens mest kraftfulde 3-D Laser Imager

Luftbåren laserscanning har produceret fantastiske kort og indsigt i de sidste par år. Blandt andet afslørede den de svage konturer af et forsvundet middelalderlig bygadenet skjult af junglen omkring Cambodjas Angkor Wat (se Laserscanning afslører nye dele af en gammel cambodjansk by), en bedrift, der krævede 20 timers helikopterflyvetid for at kortlægge 370 kvadratkilometer til en opløsning på en meter.

Rum skud : Rumfærgen Atlantis, der er parkeret ved Kennedy Space Center i Florida, vises på et 200 meter gange 200 meter billede taget om natten fra 13.600 fod på kun 18 sekunder af en tidligere version af den avancerede LIDAR-teknologi.

Men i en sikker hangar på Hanscom Air Force Base i Bedford, Massachusetts, er maven på en Bombardier-turboprop blevet udstyret med teknologi, der kunne klare det cambodjanske job på omkring en halv time. Flykroppen rummer et nyt LIDAR (light detection and rangeing) 3D-billeddannelsessystem, der arbejder med hidtil uset hastighed og høj opløsning, siger Dale Fried, hovedudvikler af systemet ved Lincoln Laboratory, et føderalt finansieret R&D-center, der drives af MIT.

LIDAR-systemer affyrer lasere og registrerer tilbagevendende fotoner, ved at bruge timingen af ​​disse returture til at måle afstand og dermed lave 3-D-billeder. I hjertet af det nye billeddannelsessystem er en mikrochip, der bærer den største række af pixels nogensinde, der kun registrerer én foton stykket - mere end 16.384 pixels i alt. Rækken af ​​pixels, når den er parret med optiske linser, tillader billeddannelse af bredere områder. Arrays af disse enkeltfoton-detektorer er i stand til at kortlægge brede områder meget hurtigt, siger Fried.

I nutidens luftbårne LIDAR-systemer er individuelle detektorer meget mindre følsomme; og de bevæges mekanisk sammen med laseren, der udsender lyset for at fange et bredere synsfelt.

Selvom ingen billeder fra det nye system, der tager form i Hanscom, er offentligt tilgængelige, er en tidligere generation af teknologien – bygget for fire år siden med kun en fjerdedel så mange pixels – blevet testet. Systemet blev sendt af det amerikanske militær på en humanitær mission efter jordskælvet i Haiti i januar 2010; en enkelt passage af et forretningsjetfly i 10.000 fod over Port-au-Prince var i stand til at fange øjeblikkelige snapshots af 600-meter kvadrater af byen i en opløsning på 30 centimeter, der viser den præcise højde af murbrokker strøet i byens gader.

Dette system var allerede omkring fire gange hurtigere og mere detaljeret end Angkor Wat-systemet. Men detektorarrayet nu i Hanscom-hangaren er yderligere 10 gange bedre og kunne producere meget større kort hurtigere, siger Fried.

Teknologien bruger en halvleder kaldet indium gallium arsenid, som opererer i det infrarøde spektrum ved en relativt lang bølgelængde, der giver mulighed for højere effekt og dermed længere rækkevidde til luftbåren laserscanning.

Kun i det seneste årti eller deromkring arrays af pixels, der kan detektere enkelte fotoner, er blevet bygget. For det meste har de resulterende billeddannelsessystemer været begrænset til regerings- og militærarbejde, såsom hurtig kortlægning af meget af Afghanistans forrevne terræn til den en-meter opløsning, der er nødvendig for, at helikopterbesætninger kan finde landingszoner.

Let chip : Et array på mere end 4.096 pixels - hver i stand til at detektere en enkelt foton - sidder på toppen af ​​chippen.

Teknologien er blevet licenseret til to virksomheder, Princeton Lightwave fra Cranbury, New Jersey, og Spectrolab , en enhed af Boeing, i Sylmar, Californien, som udvikler dem til produkter. Sidste år blev Princeton Lightwave den første til at kommercialisere den teknologi, der afbildede Haiti. Den resulterende pakke var på størrelse med en skoæske, omend til en heftig startpris på $150.000, rettet mod forsvarsentreprenørmarkedet.

Men efterhånden som chipfremstillingsprocessen forbedres, og priserne falder, kan teknologien finde langt flere anvendelser inden for områder, herunder glaciologi, landbrug og arkæologi - og måske endda finde vej til autonome massemarkedsbiler, siger Mark Itzler, CEO for Princeton Lysbølge. Lige nu koster kommercielle versioner af automotive LIDAR, der kan se længere end et par meter, op mod $30.000 og kræver normalt et omfangsrigt mekanisk apparat.

Mens en række forskellige slags LIDAR overvejes til biler, har indium gallium arsenid tilgangen en langsigtet fordel; det kan sikkert rampes op til ekstremt høje effektniveauer. Nuværende systemer bruger silicium, som opererer inden for synlige lysfrekvenser. Som følge heraf øges risikoen for øjenskader, hvis de op på niveauer, der er høje nok til at kunne løse vigtige opgaver – som at opdage et dyr 200 meter foran selv på tåget motorvej. Nok af [billeverandørerne] ser øjensikkerhed som et langsigtet problem, at de er meget interesserede i enkeltfotonfølsomhed ved bølgelængder, hvor du har denne enormt øjensikrere operation, siger Itzler.

Princeton Lightwave er i diskussion med primære leverandører til bilindustrien om at bygge en tidlig prototype. Itzler siger, at omkostningerne bliver nødt til at falde brat, men der er præcedens for det: Den første optiske modtager [ved hjælp af indium galliumarsenid] til højhastigheds-telekommunikationsnetværk var $5.000 - og i dag koster den $10, bemærker han.

Uanset om teknologien gør det til biler eller ej, siger Fried, at eliminering af behovet for nogle bevægelige dele og udvikling af større arrays af enkeltfoton-detektorer i sidste ende vil revolutionere prispunktet for 3-D-billeder med en faktor på 10 eller mere, og derved åbne nye applikationer.

I mellemtiden kan nye fremskridt inden for chip-baserede arrays af emittere gøre det lettere at sende lys ud uden at dreje dele. I en papir i Natur sidste år viste andre MIT-forskere, hvordan en 64 x 64 række siliciumantenner kunne tage en enkelt laserstråle og sende den, hvorhen brugeren ville, ved at justere spændingerne på chippen.

skjule