En ny kamera kan fotografera dig på 45 kilometers avstånd

Bilder från papper Single-Photon Computational 3D Imaging vid 45 km

Långdistansfotografering på jorden är en knepig utmaning. Att fånga tillräckligt med ljus från ett motiv på stora avstånd är inte lätt. Och även då introducerar atmosfären förvrängningar som kan förstöra bilden; det gör även föroreningar, som är ett särskilt problem i städer. Det gör det svårt att få någon form av bild bortom ett avstånd på några kilometer eller så (förutsatt att kameran är monterad tillräckligt högt från marken för att klara av jordens krökning).

Men på senare år har forskare börjat utnyttja känsliga fotodetektorer för att göra det mycket bättre. Dessa detektorer är så känsliga att de kan plocka upp enstaka fotoner och använda dem för att sätta ihop bilder av motiv på upp till 10 kilometer (sex miles) bort.

Ändå skulle fysiker gärna förbättra sig ännu mer. Och idag visar Zheng-Ping Li och kollegor från University of Science and Technology of China i Shanghai hur man fotograferar motiv upp till 45 km (28 miles) bort i en smogplågad stadsmiljö. Deras teknik använder singelfotondetektorer i kombination med en unik beräkningsbildsalgoritm som uppnår superhögupplösta bilder genom att knyta ihop de glesaste datapunkterna.

Den nya tekniken är i princip relativt okomplicerad. Den är baserad på laseravståndsavstånd och detektion, eller lidar – belyser motivet med laserljus och skapar sedan en bild från reflekterat ljus.

Den stora fördelen med denna typ av aktiv avbildning är att fotonerna som reflekteras från motivet återvänder till detektorn inom ett specifikt tidsfönster som beror på avståndet. Så alla fotoner som kommer utanför detta fönster kan ignoreras.

Denna gating minskar dramatiskt bruset som skapas av oönskade fotoner från andra håll i miljön. Och det tillåter lidar-system att vara mycket känsliga och avståndsspecifika.

För att göra det nya systemet ännu bättre i stadsmiljöer använder Zheng-Ping och co en infraröd laser med en våglängd på 1550 nanometer, en repetitionshastighet på 100 kilohertz och en blygsam effekt på 120 milliwatt. Denna våglängd gör systemet ögonsäkert och gör att teamet kan filtrera bort solfotoner som annars skulle överväldiga detektorn.

Forskarna skickar och tar emot dessa fotoner genom samma optiska apparat – ett vanligt astronomiskt teleskop med en öppning på 280 mm. De reflekterade fotonerna detekteras sedan av en kommersiell enkelfotondetektor. För att skapa en bild skannar forskarna synfältet med en piezokontrollerad spegel som kan lutas upp, ner och från sida till sida.

På så sätt kan de skapa tvådimensionella bilder. Men genom att ändra grindningstiderna kan de plocka upp fotoner som reflekteras från olika avstånd för att bygga en 3D-bild.

Det sista framsteg teamet har gjort är att utveckla en algoritm som knyter ihop en bild med hjälp av singelfotondata. Denna typ av beräkningsavbildning har gjort stora framsteg under de senaste åren, vilket gör det möjligt för forskare att skapa bilder från relativt små uppsättningar data.

Resultaten talar för sig själva. Teamet satte upp den nya kameran på 20:e våningen i en byggnad på Chongming Island i Shanghai och riktade den mot Pudong Civil Aviation Building på andra sidan floden, cirka 45 km bort.

Konventionella bilder tagna genom teleskopet visar inget annat än brus. Men den nya tekniken ger bilder med en rumslig upplösning på cirka 60 cm, vilket löser byggnadsfönster. Detta resultat visar den överlägsna förmågan hos det nära-infraröda enfoton LiDAR-systemet för att lösa mål genom smog, säger teamet.

Det är också betydligt bättre än den konventionella diffraktionsgränsen på 1 meter vid 45 km, och definitivt bättre än andra nyligen utvecklade algoritmer. Bilden här visar teknikens potential i bilder tagna i dagsljus från ett avstånd av 21 km. Våra resultat öppnar en ny plats för högupplöst, snabb optisk 3D-avbildning med låg effekt över ultralånga räckvidder, säger Zheng-Ping och co.

Det är ett intressant arbete som har ett brett spektrum av tillämpningar. Teamet nämner fjärranalys, luftburen övervakning och måligenkänning och identifiering. Hela enheten är faktiskt ungefär lika stor som en stor skokartong och är därför relativt portabel.

Och Zheng-Ping och co säger att det kan förbättras avsevärt. Vårt system är genomförbart för avbildning på några hundra kilometer genom att förfina inställningen, och representerar därmed en betydande milstolpe mot snabb, lågeffekts och högupplöst LiDAR över extra långa räckvidder, säger de.

Så fortsätt att le – de kanske tittar.

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

Dölj