Världens mest kraftfulla 3D-laserkamera

Luftburen laserskanning har gett fantastiska kartor och insikter under de senaste åren. Bland annat avslöjade den de svaga konturerna av en försvunnen medeltida stadsgata som skyms av djungeln som omger Kambodjas Angkor Wat (se Laserskanning avslöjar nya delar av en antik kambodjansk stad ), en bedrift som krävde 20 timmars helikopterflygtid för att kartlägga 370 kvadratkilometer till en upplösning på en meter.

Rymdskott : Rymdfärjan Atlantis parkerad vid Kennedy Space Center i Florida visas på en 200 meter gånger 200 meter bild tagen på natten från 13 600 fot på bara 18 sekunder av en tidigare version av den avancerade LIDAR-tekniken.

Men i en säker hangar på Hanscom Air Force Base i Bedford, Massachusetts, har magen på en Bombardier-turboprop utrustats med teknik som skulle kunna göra det kambodjanska jobbet på ungefär en halvtimme. Flygkroppen har ett nytt LIDAR (light detection and rangeing) 3D-bildsystem som fungerar med oöverträffad hastighet och hög upplösning, säger Dale Fried, huvudutvecklare av systemet vid Lincoln Laboratory, ett federalt finansierat FoU-center som drivs av MIT.

LIDAR-system avfyrar lasrar och upptäcker återkommande fotoner, med hjälp av tidpunkten för dessa returresor för att mäta avstånd och på så sätt göra 3D-bilder. Hjärtat i det nya bildbehandlingssystemet är ett mikrochip som bär den största uppsättningen av pixlar någonsin som detekterar bara en foton per styck – mer än 16 384 pixlar totalt. Uppsättningen av pixlar, när den paras ihop med optiska linser, möjliggör avbildning av bredare områden. Matriser av dessa singelfotondetektorer kan kartlägga breda områden mycket snabbt, säger Fried.

I dagens luftburna LIDAR-system är individuella detektorer mycket mindre känsliga; och de flyttas mekaniskt tillsammans med lasern som avger ljuset för att fånga ett bredare synfält.

Även om inga bilder från det nya systemet som tar form i Hanscom är offentligt tillgängliga, har en tidigare generation av tekniken – byggd för fyra år sedan med bara en fjärdedel så många pixlar – testats. Systemet sändes av den amerikanska militären på ett humanitärt uppdrag efter jordbävningen i Haiti i januari 2010; en enda passage av ett affärsjetplan på 10 000 fot över Port-au-Prince kunde fånga ögonblicksbilder av 600-meterstora torg i staden med en upplösning på 30 centimeter, som visar den exakta höjden av spillrorna strödda på stadens gator.

Detta system var redan ungefär fyra gånger snabbare och mer detaljerat än Angkor Wat-systemet. Men detektoruppsättningen nu i Hanscom-hangaren är ytterligare 10 gånger bättre och skulle kunna producera mycket större kartor snabbare, säger Fried.

Tekniken använder en halvledare som kallas indiumgalliumarsenid, som arbetar i det infraröda spektrumet vid en relativt lång våglängd som möjliggör högre effekt och därmed längre räckvidder för luftburen laserskanning.

Bara under det senaste decenniet eller så har matriser av pixlar som kan detektera enstaka fotoner har byggts. För det mesta har de resulterande bildbehandlingssystemen begränsats till statligt och militärt arbete, som att snabbt kartlägga mycket av Afghanistans klippiga terräng till den enmetersupplösning som krävs för att helikopterbesättningar ska hitta landningszoner.

Lätt chip : En array på mer än 4 096 pixlar – var och en kan detektera en enda foton – sitter ovanpå chipet.

Tekniken har licensierats till två företag, Princeton Lightwave från Cranbury, New Jersey och Spectrolab , en enhet av Boeing, i Sylmar, Kalifornien, som utvecklar dem till produkter. Förra året blev Princeton Lightwave först med att kommersialisera tekniken som avbildade Haiti. Det resulterande paketet var storleken på en skokartong, om än till ett rejält initialt pris på $150 000, riktat till försvarsentreprenörsmarknaden.

Men när chiptillverkningsprocessen förbättras och priserna sjunker, kan tekniken hitta mycket fler tillämpningar inom områden inklusive glaciologi, jordbruk och arkeologi - och kanske till och med hitta vägen till autonoma massmarknadsbilar, säger Mark Itzler, VD för Princeton Ljusvåg. Just nu kostar kommersiella versioner av LIDAR för bilar som kan se längre än några meter uppemot $30 000 och kräver vanligtvis en skrymmande mekanisk apparat.

Medan ett antal olika typer av LIDAR övervägs för bilar, har indiumgalliumarsenidmetoden en långsiktig fördel; den kan säkert rampas upp till extremt höga effektnivåer. Nuvarande system använder kisel, som arbetar inom frekvenser för synligt ljus. Som ett resultat, ökar risken för ögonskador om de höjs till nivåer som är tillräckligt höga för att kunna ta itu med viktiga jobb – som att upptäcka ett djur 200 meter framåt även på dimmig motorväg. Tillräckligt många [billeverantörer] ser ögonsäkerhet som ett långsiktigt problem att de är mycket intresserade av singelfotonkänslighet vid våglängder där man har denna enormt ögonsäkrare operation, säger Itzler.

Princeton Lightwave diskuterar med primära leverantörer till bilindustrin för att bygga en tidig prototyp. Itzler säger att kostnaderna måste sjunka hastigt, men det finns prejudikat för det: Den första optiska mottagaren [som använder indiumgalliumarsenid] för höghastighetstelekomnätverk var $5 000 - och idag kostar den $10, noterar han.

Oavsett om tekniken kommer in i bilar eller inte, säger Fried, eliminerar behovet av vissa rörliga delar och utvecklar större arrayer av singelfotondetektorer kommer i slutändan att revolutionera priset för 3D-bilder, med en faktor 10 eller mer, och därmed öppna nya applikationer.

Samtidigt kan nya framsteg inom chipbaserade arrayer av sändare göra det lättare att sända ut ljus utan att snurra delar. I en papper i Natur förra året visade andra MIT-forskare hur en 64-x64-array av kiselantenner kunde ta en enda laserstråle och skicka den vart användaren ville genom att justera spänningarna på chippet.

Dölj