Enfoton LIDAR-system avbildar 3D-objekt under vattnet – Physics World

Enfoton LIDAR-system avbildar 3D-objekt under vattnet – Physics World

Tidsstämpel: 3 juni 2023 7:00

enkelfotonsystemet nedsänkt i en tank
Forskare utvecklade ett LIDAR-system som använder kvantdetekteringsteknik som kan fånga 3D-bilder när de är nedsänkt under vattnet. De demonstrerade systemet genom att använda det för att fånga en 3D-bild (vänster) av ett rör (höger). Skanningen erhölls med enkelfotonsystemet nedsänkt i en tank. Med tillstånd: A Maccarone, Heriot-Watt University

Ett nytt LIDAR-system kan avbilda objekt i tre dimensioner under vattnet med hjälp av en enfotondetektoruppsättning. Utvecklad av forskare vid Herriot-Watt University i Storbritannien, kan tekniken komma väl till pass för tillämpningar som inspektion, övervakning och kartläggning av undervattensobjekt, offshore-teknik och till och med arkeologi.

"Såvitt vi vet är detta den första prototypen av ett helt nedsänkt bildsystem baserat på kvantdetektionsteknologier", säger teamledaren Aurora Maccarone. Medan teamet tidigare hade demonstrerat avbildning med enfotondetekteringstekniker som kan penetrera grumliga eller mycket dämpande undervattensmiljöer, går det senaste arbetet ett steg längre och bevisar att systemet verkligen kan fungera medan det är helt nedsänkt i en stor testtank. Forskarna förbättrade också hårdvaran och mjukvaran som användes för att rekonstruera 3D-bilderna, vilket gjorde det möjligt för dem att utföra avbildningen i realtid.

3D-bilder i mycket grumliga vatten

Funktionskonceptet för sensorn är ganska enkelt, förklarar Maccarone. Först lyser en grön pulsad laserkälla upp scenen av intresse. Objekt i scenen reflekterar denna pulserande belysning, och en ultrakänslig uppsättning av enfotondetektorer fångar upp det reflekterade ljuset. "Genom att mäta returtiden för det reflekterade ljuset kan avståndet till målet mätas exakt, vilket gör att vi kan bygga 3D-profilen för målet", säger Maccarone. "Typiskt utförs tidsmätningen med pikosekunders timingupplösning, vilket innebär att vi kan lösa detaljer i millimeterskala av målen på scenen."

Det avgörande är att tekniken tillåter forskarna att skilja mellan fotoner som reflekteras av målet och de som reflekteras av partiklar i vattnet. "Detta gör den särskilt lämplig för 3D-bilder i mycket grumliga vatten där optisk spridning kan förstöra bildkontrasten och upplösningen", tillägger Maccarone.

Forskarna testade sitt system i en vattentank som mätte 4 mx 3 mx 2 m. Genom att tillsätta varierande mängder spridningsmedel till vattnet kunde de efterlikna de olika ljusspridningsnivåerna som finns i naturliga undervattensmiljöer. Eftersom den optiska matrisen producerar många hundra detekteringshändelser per sekund, använde forskarna algoritmer speciellt utvecklade för avbildning under mycket ljusspridande förhållanden för att analysera data.

Utbudet av applikationer för undervattens-LIDAR är extremt brett, säger Maccarone. En möjlig användning kan vara för att inspektera undervattenskablar eller den nedsänkta delen av turbiner. Andra alternativ inkluderar övervakning och kartläggning av arkeologiska platser och tillämpningar inom säkerhets- och försvarssektorn.

Den största utmaningen nu, tillägger Maccarone, är att krympa varje komponent i systemet och på så sätt få ner dess totala dimensioner till något som skulle kunna passa i ett undervattensfarkost. "Vi samarbetar med industrin för att hitta en lämplig lösning för att göra detta möjligt utan att kompromissa med systemets prestanda", säger hon.

Forskarna redovisar sitt arbete i Optik Express.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden