Les chercheurs ont développé un système lidar aéroporté à photon unique, compact et léger, capable d'acquérir des images 3D haute résolution avec un laser de faible puissance. Cette avancée pourrait rendre le lidar à photon unique pratique pour les applications aériennes et spatiales telles que la surveillance environnementale, la cartographie du terrain en 3D et l'identification d'objets.
Le lidar à photon unique utilise des techniques de détection de photons uniques pour mesurer le temps nécessaire aux impulsions laser pour se déplacer vers les objets et revenir. Il est particulièrement utile pour les applications aéroportées car il permet une cartographie 3D très précise du terrain et des objets, même dans des environnements difficiles tels qu'une végétation dense ou des zones urbaines.
"L'utilisation de la technologie lidar à photon unique sur des drones ou des satellites aux ressources limitées nécessite de réduire l'ensemble du système et de réduire sa consommation d'énergie", a déclaré Feihu Xu, membre de l'équipe de recherche de l'Université des sciences et technologies de Chine.
"Nous avons pu intégrer les développements technologiques récents dans un système qui, par rapport à d'autres systèmes lidar aéroportés de pointe, utilise la plus faible puissance laser et la plus petite ouverture optique tout en conservant de bonnes performances en termes de plage de détection et résolution d'imagerie."
Dans Optique les chercheurs montrent que le système a la capacité d’atteindre une résolution d’imagerie qui dépasse la limite de diffraction de la lumière lorsqu’il est utilisé avec un balayage sous-pixel et un nouvel algorithme de déconvolution 3D. Ils démontrent également la capacité du système à capturer des images 3D haute résolution pendant la journée sur de vastes zones à bord d'un petit avion.
"En fin de compte, notre travail a le potentiel d'améliorer notre compréhension du monde qui nous entoure et de contribuer à un avenir plus durable et plus informé pour tous", a déclaré Xu.
"Par exemple, notre système pourrait être déployé sur des drones ou de petits satellites pour surveiller les changements dans les paysages forestiers, tels que la déforestation ou d'autres impacts sur la santé des forêts. Il pourrait également être utilisé après des tremblements de terre pour générer des cartes de terrain en 3D qui pourraient aider à évaluer l'étendue des dégâts. endommager et guider les équipes de secours, sauvant potentiellement des vies."
Lidar à photon unique qui rétrécit
Le nouveau système lidar aéroporté à photon unique fonctionne en envoyant des impulsions lumineuses d’un laser vers le sol. Ces impulsions rebondissent sur les objets et sont ensuite capturées par des détecteurs très sensibles appelés réseaux de diodes à avalanche à photon unique (SPAD). Ces détecteurs offrent une sensibilité accrue aux photons uniques, permettant une détection plus efficace des impulsions laser réfléchies afin qu'un laser de moindre puissance puisse être utilisé. Pour réduire la taille globale du système, les chercheurs ont utilisé de petits télescopes avec une ouverture optique de 47 mm comme optique de réception.
La mesure du temps de vol des photons uniques renvoyés permet de calculer le temps nécessaire à la lumière pour se rendre au sol et en revenir. Les images 3D détaillées du terrain peuvent ensuite être reconstruites à partir de ces informations à l'aide d'algorithmes d'imagerie informatique.
"Un élément clé du nouveau système réside dans les miroirs de balayage spéciaux qui effectuent un balayage fin et continu, capturant des informations sous-pixels des cibles au sol", a déclaré Xu. "En outre, un nouvel algorithme informatique efficace en photons extrait ces informations sous-pixels à partir d'un petit nombre de détections brutes de photons, permettant ainsi la reconstruction d'images 3D super-résolution malgré les défis posés par les signaux faibles et le fort bruit solaire."
Les chercheurs ont mené une série de tests pour valider les capacités du nouveau système. Un test au sol avant vol a confirmé l'efficacité de la technique et a montré que le système était capable d'effectuer une imagerie lidar avec une résolution de 15 cm à 1,5 km avec les paramètres par défaut. Une fois qu'ils ont mis en œuvre le balayage sous-pixel et la déconvolution 3D, les chercheurs ont pu démontrer une résolution efficace de 6 cm à la même distance.
Les enquêteurs ont également mené des expériences de jour avec le système à bord d'un petit avion pendant plusieurs semaines dans la ville de Yiwu, province du Zhejiang, en Chine. Ces expériences ont révélé avec succès les caractéristiques détaillées de divers reliefs et objets, confirmant la fonctionnalité et la fiabilité du système dans des scénarios du monde réel.
L'équipe travaille désormais à améliorer les performances et l'intégration du système, avec pour objectif à long terme de l'installer sur une plate-forme spatiale telle qu'un petit satellite. La stabilité, la durabilité et la rentabilité du système doivent également être améliorées avant de pouvoir être commercialisé.
Plus d'informations : Yu Hong et al, LiDAR aéroporté à photon unique vers une charge utile de petite taille et de faible puissance, Optica (2024). DOI :10.1364/OPTICA.518999
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