Lidar ultra-presis melihat melalui asap dan kamuflase dari satu kilometer jauhnya

Bayangkan bisa menangkap gambar 3D resolusi tinggi dari objek yang jauh-bahkan wajah manusia-melalui kabut, dedaunan, atau jaring kamuflase. Itulah yang dapat dilakukan oleh sistem lidar foton tunggal baru dari satu kilometer.

Dengan menggunakan detektor lanjutan dua kali lebih efisien dari versi sebelumnya dan resolusi waktu sepuluh kali lebih baik, para peneliti telah membuka ketepatan yang luar biasa dalam pencitraan jangka panjang.

Pencitraan lidar resolusi tinggi

Para peneliti telah mengembangkan sistem LIDAR waktu penerbangan tunggal foton yang mampu menangkap gambar 3D resolusi tinggi dari 1 kilometer jauhnya. Sistem canggih ini meningkatkan keamanan, pemantauan, dan penginderaan jauh dengan memberikan pencitraan terperinci, bahkan dalam kondisi sulit atau ketika objek sebagian disembunyikan oleh dedaunan atau kamuflase.

“Sistem kami menggunakan detektor foton tunggal kira-kira dua kali lebih efisien dari detektor yang digunakan dalam sistem lidar serupa yang dilaporkan oleh kelompok penelitian lain dan memiliki resolusi waktu sistem setidaknya 10 kali lebih baik,” kata anggota tim peneliti Aongus McCarthy, dari Heriot-Watt University di Inggris. “Perbaikan ini memungkinkan sistem pencitraan untuk mengumpulkan lebih banyak foton yang tersebar dari target dan mencapai resolusi spasial yang jauh lebih tinggi.”

Menangkap wajah dari ratusan meter jauhnya

Di dalam OpticaOptica Publishing Group's Journal for High-Impact Research, kelompok peneliti multi-institusional dari Inggris dan AS menunjukkan bahwa sistem baru dapat membangun gambar 3D yang menggambarkan wajah manusia yang dapat dikenali dengan jelas dari seseorang yang berjarak 325 meter. Para peneliti berasal dari kelompok Gerald Buller di Universitas Heriot-Watt, kelompok Robert Hadfield di Universitas GlasgowKelompok Matthew Shaw di NASA Laboratorium Propulsi Jet, dan kelompok Karl Berggren di Mit.

“Jenis sistem pengukuran ini dapat menyebabkan peningkatan sistem keamanan dan pemantauan yang dapat, misalnya, memperoleh gambar kedalaman yang terperinci melalui asap atau kabut dan adegan yang berantakan,” kata McCarthy, penulis pertama makalah baru. “Ini juga dapat memungkinkan identifikasi jarak jauh dari objek di berbagai lingkungan dan pemantauan pergerakan bangunan atau wajah batu untuk menilai subsidensi atau bahaya potensial lainnya.”

Temuan rentang berbasis cahaya

Sistem pencitraan kedalaman waktu penerbangan tunggal-foton menggunakan waktu yang dibutuhkan untuk pulsa laser untuk melakukan perjalanan dari sistem ke titik pada objek dan kembali untuk menghitung jarak ke objek. Pengukuran waktu penerbangan ini kemudian diulangi untuk titik-titik di seluruh objek untuk mendapatkan informasi 3D.

Sistem baru ini menggunakan detektor ultrasensitif yang disebut nanowire single-photon detector (SNSPD) superkonduktor yang dikembangkan oleh MIT dan Jpl kelompok penelitian. SNSPD dapat mendeteksi satu foton cahaya, yang berarti bahwa laser dengan kekuatan yang sangat rendah, termasuk laser yang aman mata, dapat digunakan untuk melakukan pengukuran dalam waktu yang sangat singkat dan jarak jauh. Untuk mengurangi tingkat kebisingan, detektor didinginkan hingga tepat di bawah 1 Kelvin dalam sistem cryocooler kompak yang dirancang dan dibangun oleh University of Glasgow Group.

Peningkatan presisi dan kinerja

Para peneliti menggabungkan SNSPD yang didinginkan dengan transceiver pemindaian single-pixel kustom baru yang beroperasi pada panjang gelombang 1550-nm yang dirancang oleh McCarthy di Universitas Heriot-Watt. Mereka juga menambahkan peralatan waktu canggih untuk mengukur interval waktu yang sangat tepat – akurat hingga triliun detik (picoseconds). Untuk menempatkannya dalam perspektif, hanya dalam 1.000 picoseconds, cahaya dapat menempuh sekitar 300 milimeter (sekitar 1 kaki). Presisi ini memungkinkan untuk membedakan permukaan yang dipisahkan dengan kedalaman sekitar 1 mm dari jarak 325 meter.

“Semua faktor ini memberikan fleksibilitas yang lebih baik dalam pertukaran antara jarak standoff, tingkat daya laser, waktu akuisisi data dan resolusi kedalaman,” kata McCarthy. “Juga, karena detektor SNSPD dapat beroperasi pada panjang gelombang lebih dari 1550 nm, desain ini membuka pintu untuk mengembangkan sistem lidar foton tunggal inframerah-tengah, yang selanjutnya dapat meningkatkan pencitraan melalui kabut dan asap dan pengaburan lainnya.”

Pengukuran 3D objek yang jauh

Para peneliti melakukan tes lapangan sistem LIDAR mereka di kampus Universitas Heriot-Watt dengan melakukan pengukuran dari objek yang berjarak 45 meter, 325 meter atau 1 kilometer.

Untuk mengevaluasi resolusi spasial dan kedalaman, mereka memindai target cetak 3D khusus dengan berbagai ukuran pilar dan ketinggian. Sistem menyelesaikan fitur sekecil 1 mm di siang hari pada 45 dan 325 meter – resolusi kedalaman sekitar 10 kali lebih baik daripada yang telah mereka capai sebelumnya. Mereka juga menangkap gambar 3D wajah manusia pada jarak ini menggunakan waktu akuisisi 1 ms per-piksel, laser 3,5 MW yang aman mata, dan pemrosesan data minimal.

Melihat melalui dedaunan dan kamuflase

“Resolusi kedalaman sistem yang sangat baik berarti bahwa itu akan sangat cocok untuk objek pencitraan di balik kekacauan, seperti dedaunan atau jaring kamuflase, skenario yang akan sulit bagi kamera digital,” kata McCarthy. “Misalnya, itu bisa membedakan objek yang terletak beberapa sentimeter di belakang jaring kamuflase sementara sistem dengan resolusi yang lebih buruk tidak akan dapat melihat objek.”

Sementara uji coba lapangan untuk sistem LIDAR terbatas pada kisaran 1 kilometer, para peneliti berencana untuk menguji sistem pada jarak hingga 10 km dan mengeksplorasi pencitraan melalui pengaburan atmosfer seperti asap dan kabut. Pekerjaan di masa depan juga akan fokus pada penggunaan metode komputasi canggih untuk mempercepat analisis data dan memungkinkan pencitraan adegan yang lebih jauh.

Referensi: “Pencitraan kedalaman jarak jauh resolusi tinggi Lidar dengan detektor foton tunggal jitter jitter yang sangat rendah” oleh Robert H. Hadfield, Dmitry V. Morozov, Matthew D. Shaw, Andrew D. Beyer, Di Zhu, Gerald S. Buller, Jorge Garcia-Garcia, di Beyer, Di Zhu, Gerald S. Buller, Jorge Garcia-Garcia-Garcia-Garco-Beyer, Di Zhu, Gerald S. Buller, Jorge Garcia-Garcia- Ryan M. Briggs, Bruce Bumble, Gregor G. Taylor, Jason P. Allmaras, Boris Korzh dan Karl K. Berggren, 19 Februari 2025, Optica.
Doi: 10.1364/optica.544877