Peu de temps après le développement des lasers dans les années 1960, LiDAR, dont le nom est à l'origine une combinaison de "lumière" et de "radar", a capitalisé sur la nouvelle précision unique qu'ils offraient pour mesurer à la fois le temps et la distance. Le LiDAR est rapidement devenu la méthode standard pour les arpentages (3D) et est maintenant utilisé dans une multitude d'applications de détection, comme les voitures autonomes.

En balayant des zones terrestres avec des lasers, souvent d'avions, Les mesures du temps de trajet du LiDAR pour la lumière réfléchie par la zone scannée fournissent les distances qui composent une topographie haute résolution résultante.

Au fur et à mesure de l'évolution de la technologie laser et électronique, Les capacités du LiDAR adaptées pour surmonter plusieurs limitations et effets obscurcissants inévitablement produits par les environnements réels, comme les modèles météorologiques dynamiques. Avec un système laser spécialement conçu et une nouvelle méthodologie basée sur l'holographie numérique fermée, recherches du Laboratoire de recherche navale, à Washington, D.C., fournit désormais une méthode pour donner au LiDAR une capacité améliorée de voir à travers des éléments de terrain qui obscurcraient autrement le feuillage ou les filets. Paul Lebow, du Laboratoire de recherche navale, présentera ce travail au congrès d'imagerie et d'optique appliquée de l'Optical Society, tenue du 26 au 29 juin, 2017 à San Francisco, Californie.

"Il s'agissait d'une tentative de résoudre l'un des problèmes avec quelque chose appelé LiDAR pénétrant dans le feuillage, " a déclaré Lebow. " Vous pouvez en fait l'utiliser pour détecter des images en trois dimensions derrière un obscurcissement tel qu'une canopée d'arbre, par exemple, dans une situation de secours en cas de catastrophe où vous vouliez trouver des personnes en difficulté. Vous pouvez éclairer à l'aide de LiDAR à travers les feuilles et obtenir suffisamment de lumière pour pouvoir recréer une image tridimensionnelle, vue topographique de ce qui se passe en dessous."

Jusqu'à maintenant, Les mesures LiDAR des surfaces cachées derrière le feuillage ont été difficiles à acquérir. Une majorité de la lumière d'origine dans ces cas est jetée, en ce qui concerne la caméra détectant la lumière du sol, puisque la lumière frappant les feuilles n'atteint jamais le sol en premier lieu. De plus, la lumière bloquée, et donc réfléchi, avant d'atteindre le sol, il domine souvent le signal frappant la caméra et masque le signal plus faible qui parvient au sol et à l'arrière.

"Nous travaillons depuis un certain temps avec un processus appelé conjugaison de phase optique et nous nous sommes rendu compte que nous pourrions peut-être utiliser ce processus pour projeter essentiellement un faisceau laser à travers les ouvertures des feuilles et pouvoir voir à travers une partie obscurcissement, " a déclaré Lebow. "C'était quelque chose qui jusqu'à peut-être les cinq dernières années n'était pas viable simplement parce que la technologie n'était pas vraiment là. Ce que nous avions fait il y a environ 20 ans impliquait l'utilisation d'un matériau optique non linéaire et était un processus difficile. Maintenant, tout peut être fait en utilisant l'holographie numérique et les hologrammes générés par ordinateur, c'est ce que nous faisons."

Ce nouveau système utilise un laser spécialement conçu qui a pris à lui seul un an et demi à se développer, mais était un élément nécessaire selon Lebow et son collègue, Abbie Watnik, qui est également au Naval Research Laboratory et un autre des auteurs de l'ouvrage.

"La vraie clé pour faire fonctionner notre système est l'interférence entre deux faisceaux laser sur le capteur. Nous envoyons un faisceau laser vers la cible, puis il revient, et exactement en même temps que le retour [faisceau] frappe le détecteur, on l'interfère localement avec un autre faisceau laser, " a déclaré Watnik. "Nous avons besoin d'une cohérence totale entre ces faisceaux de telle sorte qu'ils interfèrent les uns avec les autres, nous devions donc avoir un système laser spécialement conçu pour nous assurer d'obtenir cette cohérence lorsqu'ils interfèrent avec la caméra."

En utilisant un laser pulsé avec des largeurs d'impulsion de plusieurs nanosecondes, et des mesures déclenchées avec une résolution temporelle similaire, le système holographique bloque sélectivement la lumière arrivée la plus tôt qui se reflète sur les obscurcissements. La caméra ne mesure alors que la lumière provenant de la surface partiellement cachée en dessous.

« Nous l'avons déjà fait en utilisant un laser CW (à ondes continues) comme démonstration, mais maintenant nous utilisons un laser pulsé et un capteur à porte très rapide qui peut s'allumer au moment opportun pour nous permettre de répondre uniquement à la lumière provenant d'où nous voulons qu'elle vienne, de la cible, " Lebow a déclaré. "Le laser est conçu de telle sorte que la différence de temps entre l'impulsion de référence locale et l'impulsion de signal qui revient de la cible est complètement réglable pour s'adapter à des distances de quelques pieds à plusieurs kilomètres."

"Ce qui signifie, " Watnik a dit, "nous pouvons utiliser ce système laser à la fois dans notre laboratoire sur notre configuration de table, ainsi qu'à l'extérieur sur le terrain, en utilisant le même laser fonctionnant dans cette plage."

Ce préliminaire, système de laboratoire a fourni des preuves substantielles de sa puissance et de sa valeur potentielle dans le monde réel. À l'aide d'une fiche perforée pour se présenter comme un feuillage (sûr pour le laboratoire), non seulement le groupe a-t-il pu imaginer ce que la fiche perforée aurait autrement caché, mais leur modélisation a également permis de recréer la topologie du prétendu "feuillage".

"Nous avons pu vérifier ce que dit notre modèle informatique à l'aide de nos données réelles - en le faisant correspondre à ce que nous voyons réellement à l'aide du modulateur spatial de lumière, donc je pense que c'était une vérification intéressante de nos résultats, " dit Watnik.

Watnik et Lebow, avec leur équipe de recherche, espère poursuivre le projet et apporter les adaptations nécessaires à leur prototype pour préparer le système LiDAR à pénétration de feuillage sur le terrain.

"Ce serait notre prochain plan, si nous obtenons des fonds pour cela, " a déclaré Lebow. " Il y a eu plusieurs autres projets de suivi, pas spécifiquement pour LiDAR, tels que la direction du faisceau et d'autres travaux holographiques numériques que nous effectuons pour l'imagerie à travers le brouillard et l'eau trouble sur la base de propriétés et de principes très similaires. »