航空シングルフォトンLiDARシステム、高解像度3Dイメージング達成

July, 22, 2024, Washington--中国科学技術大学の研究者は、低出力レーザで高解像度の3D画像を取得できるコンパクトで軽量な単一光子空中LIDARシステムを開発した。この進歩により、単一光子LiDARは、環境モニタリング、3D地形マッピング、物体識別などの航空宇宙用途に実用的になる可能性がある。

単一光子 LIDAR は、単一光子検出技術を使用して、レーザ パルスが物体に伝わり、戻ってくるまでの時間を計測する。密集した植生や都市部などの困難な環境でも、地形やオブジェクトの高精度な3Dマッピングを可能にするため、空中アプリケーションに特に役立つ。

「資源に限りのあるドローンや人工衛星に単一光子LiDAR技術を使用するには、システム全体を縮小し、エネルギー消費を削減する必要がある。われわれは、他の最先端の空中LiDARシステムと比較して、検出範囲と画像解像度の点で優れた性能を維持しながら、最小のレーザ出力と最小の光学開口を採用するシステムに最新の技術開発を組み込むことができた」と、研究チームのメンバー、中国科学技術大学のFeihu Xuはコメントしている。

Optica誌で、研究チームは、サブピクセルスキャンと新しい3Dデコンボリューションアルゴリズムと併用することで、光の回折限界を超えるイメージング解像度を達成できるシステムを備えていることを示した。また、小型機に搭載された広い範囲で、日中に高解像度の3D画像を撮影するシステムの能力も実証されている。

「究極的には、われわれの研究は、われわれを取り巻く世界に対する理解を深め、すべての人にとってより持続可能で情報に基づいた未来に貢献する可能性を秘めている。例えば、ドローンや小型衛星にわれわれのシステムを導入して、森林伐採やその他の森林の健全性への影響など、森林景観の変化を監視することができる。また、地震発生後に3D地形図を生成することで、被害の程度を評価し、救助隊を誘導し、人命を救う可能性もある」(Xu)。

単一光子LiDARの縮小
新しい空中単一光子 LiDAR システムは、レーザから地上に向けて光パルスを送信することで機能する。これらのパルスは物体に跳ね返り、単一光子アバランシェダイオード(SPAD)アレイと呼ばれる非常に感度の高い検出器によって捕捉される。これらの検出器は、単一光子に対する感度が向上し、反射レーザパルスのより効率的な検出を可能にするため、低出力レーザを使用できる。システム全体のサイズを小さくするために、研究チームは受信光学系として47mmの光開口部を持つ小型望遠鏡を使用した。

戻ってきた単一光子の飛行時間(TOF)を測定することで、光が地上に伝わって戻ってくるまでの時間を計算できる。地形の詳細な3D画像は、計算画像アルゴリズムを使用してこの情報から再構築できる。

「新しいシステムの重要な部分は、連続的なファインスキャンを実行し、地上目標のサブピクセル情報を取得する特別なスキャニングミラーである」とXuは説明している。「また、新しい光子効率の高い計算アルゴリズムは、少数の生の光子検出からこのサブピクセル情報を抽出し、微弱な信号と強い太陽ノイズによってもたらされる課題にもかかわらず、超解像3D画像の再構成を可能にする。」

地上および空中試験
研究チームは、新しいシステムの機能を検証するために一連のテストを実施した。飛行前の地上試験では、この技術の有効性が確認され、1.5km離れた場所から15cmの解像度でLiDARイメージングをデフォルト設定で実行できることが示された。サブピクセルスキャンと3Dデコンボリューションを実装すると、研究者は同じ距離から6cmの有効解像度を実証することができた。

チームはまた、中国浙江省義烏市で数週間にわたり、小型飛行機に搭載されたシステムによる日中の実験も実施した。これらの実験により、様々な地形や物体の詳細な特徴が明らかになり、実際のシナリオでのシステムの機能と信頼性が確認された。

チームは現在、小型衛星などの衛星プラットフォームへの搭載を長期的な目標として、システムの性能向上と統合化に取り組んでいる。また、システムの安定性、耐久性、費用対効果も、商品化前に改善する必要がある。