Os pesquisadores desenvolveram um sistema lidar aerotransportado de fóton único, compacto e leve, que pode adquirir imagens 3D de alta resolução com um laser de baixa potência. Esse avanço poderia tornar o lidar de fóton único prático para aplicações aéreas e espaciais, como monitoramento ambiental, mapeamento de terreno 3D e identificação de objetos.

O lidar de fóton único usa técnicas de detecção de fóton único para medir o tempo que os pulsos de laser levam para viajar até os objetos e voltar. É particularmente útil para aplicações aéreas porque permite mapeamento 3D altamente preciso de terrenos e objetos, mesmo em ambientes desafiadores, como vegetação densa ou áreas urbanas.

“O uso da tecnologia lidar de fóton único em drones ou satélites com recursos limitados exige a redução de todo o sistema e o consumo de energia”, disse Feihu Xu, membro da equipe de pesquisa, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China.

"Fomos capazes de incorporar desenvolvimentos tecnológicos recentes em um sistema que, em comparação com outros sistemas lidar aéreos de última geração, emprega a menor potência do laser e a menor abertura óptica, mantendo ao mesmo tempo um bom desempenho em termos de alcance de detecção e resolução de imagem."

Em Óptica os pesquisadores mostram que o sistema tem a capacidade de atingir uma resolução de imagem que ultrapassa o limite de difração da luz quando usado com digitalização subpixel e um novo algoritmo de deconvolução 3D. Eles também demonstram a capacidade do sistema de capturar imagens 3D de alta resolução durante o dia em grandes áreas a bordo de um pequeno avião.

“Em última análise, o nosso trabalho tem o potencial de melhorar a nossa compreensão do mundo que nos rodeia e contribuir para um futuro mais sustentável e informado para todos”, disse Xu.

"Por exemplo, nosso sistema poderia ser implantado em drones ou pequenos satélites para monitorar mudanças nas paisagens florestais, como o desmatamento ou outros impactos na saúde das florestas. Também poderia ser usado após terremotos para gerar mapas de terreno em 3D que poderiam ajudar a avaliar a extensão de danificar e orientar equipes de resgate, potencialmente salvando vidas."

Redução do lidar de fóton único

O novo sistema lidar aéreo de fóton único funciona enviando pulsos de luz de um laser em direção ao solo. Esses pulsos ricocheteiam em objetos e são então capturados por detectores muito sensíveis chamados matrizes de diodos de avalanche de fóton único (SPAD). Esses detectores fornecem sensibilidade aprimorada a fótons únicos, permitindo uma detecção mais eficiente dos pulsos de laser refletidos para que um laser de menor potência possa ser usado. Para reduzir o tamanho geral do sistema, os pesquisadores usaram pequenos telescópios com uma abertura óptica de 47 mm como óptica de recepção.

Medir o tempo de voo dos fótons individuais retornados torna possível calcular o tempo que a luz leva para viajar até o solo e voltar. As imagens 3D detalhadas do terreno podem então ser reconstruídas a partir dessas informações usando algoritmos de imagem computacional.

“Uma parte fundamental do novo sistema são os espelhos de varredura especiais que realizam varredura contínua e fina, capturando informações subpixel dos alvos terrestres”, disse Xu. "Além disso, um novo algoritmo computacional com eficiência de fótons extrai essas informações de subpixel de um pequeno número de detecções brutas de fótons, permitindo a reconstrução de imagens 3D de super-resolução, apesar dos desafios apresentados por sinais fracos e forte ruído solar."

Testes terrestres e aéreos

Os pesquisadores realizaram uma série de testes para validar as capacidades do novo sistema. Um teste de solo pré-voo confirmou a eficácia da técnica e mostrou que o sistema foi capaz de realizar imagens lidar com resolução de 15 cm a 1,5 km de distância com configurações padrão. Depois de implementarem a digitalização subpixel e a deconvolução 3D, os pesquisadores conseguiram demonstrar uma resolução efetiva de 6 cm à mesma distância.

Os investigadores também realizaram experiências diurnas com o sistema a bordo de um pequeno avião durante várias semanas na cidade de Yiwu, província de Zhejiang, na China. Esses experimentos revelaram com sucesso características detalhadas de vários acidentes geográficos e objetos, confirmando a funcionalidade e confiabilidade do sistema em cenários do mundo real.

A equipe está agora trabalhando para melhorar o desempenho e a integração do sistema, com o objetivo de longo prazo de instalá-lo em uma plataforma espacial, como um pequeno satélite. A estabilidade, durabilidade e rentabilidade do sistema também precisam de ser melhoradas antes de poder ser comercializado.

Mais informações: Yu Hong et al, LiDAR de fóton único aerotransportado para carga útil de pequeno porte e baixo consumo de energia, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.518999
Informações do diário: Óptica

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