Ein neues LIDAR-System kann mithilfe eines Einzelphotonen-Detektorarrays Objekte dreidimensional unter Wasser abbilden. Die von Forschern der Herriot-Watt-Universität im Vereinigten Königreich entwickelte Technologie könnte sich für Anwendungen wie die Inspektion, Überwachung und Vermessung von Unterwasserobjekten, Offshore-Technik und sogar Archäologie als nützlich erweisen.
„Nach unserem besten Wissen ist dies der erste Prototyp eines vollständig untergetauchten Bildgebungssystems, das auf Quantendetektionstechnologien basiert“, sagt Teamleiter Aurora Maccarone. Während das Team zuvor Bildgebung mithilfe von Einzelphotonen-Detektionstechniken demonstriert hatte, die in trübe oder stark dämmende Unterwasserumgebungen eindringen können, geht die neueste Arbeit noch einen Schritt weiter und beweist, dass das System tatsächlich funktionieren kann, während es vollständig in einem großen Testtank eingetaucht ist. Die Forscher verbesserten auch die Hardware und Software, die zur Rekonstruktion der 3D-Bilder verwendet wurde, sodass sie die Bildgebung in Echtzeit durchführen konnten.
3D-Bildgebung in stark trüben Gewässern
Das Funktionskonzept des Sensors sei recht einfach, erklärt Maccarone. Zunächst beleuchtet eine grün gepulste Laserquelle die interessierende Szene. Objekte in der Szene reflektieren diese gepulste Beleuchtung, und eine hochempfindliche Anordnung von Einzelphotonendetektoren nimmt das reflektierte Licht auf. „Durch die Messung der Rückkehrzeit des reflektierten Lichts kann die Entfernung zum Ziel genau gemessen werden, wodurch wir das 3D-Profil des Ziels erstellen können“, sagt Maccarone. „Normalerweise wird die Zeitmessung mit einer Zeitauflösung im Pikosekundenbereich durchgeführt, was bedeutet, dass wir Details der Ziele in der Szene im Millimeterbereich auflösen können.“
Entscheidend ist, dass die Technik den Forschern ermöglicht, zwischen vom Ziel reflektierten Photonen und solchen, die von Partikeln im Wasser reflektiert werden, zu unterscheiden. „Dadurch eignet es sich besonders für die 3D-Bildgebung in stark trüben Gewässern, in denen optische Streuung den Bildkontrast und die Auflösung beeinträchtigen kann“, fügt Maccarone hinzu.
Die Forscher testeten ihr System in einem 4 mx 3 mx 2 m großen Wassertank. Durch die Zugabe unterschiedlicher Mengen an Streumitteln zum Wasser konnten sie die unterschiedlichen Lichtstreuungsniveaus in natürlichen Unterwasserumgebungen nachahmen. Da das optische Array viele hundert Detektionsereignisse pro Sekunde erzeugt, verwendeten die Forscher zur Analyse der Daten Algorithmen, die speziell für die Bildgebung unter Bedingungen mit hoher Lichtstreuung entwickelt wurden.
Das Anwendungsspektrum von Unterwasser-LIDAR sei äußerst breit, sagt Maccarone. Ein möglicher Einsatz könnte die Inspektion von Unterwasserkabeln oder dem unter Wasser liegenden Teil von Turbinen sein. Weitere Optionen sind die Überwachung und Vermessung archäologischer Stätten sowie Anwendungen im Sicherheits- und Verteidigungsbereich.
Aus der Augenbildgebung erlernte Tricks ermöglichen LiDAR mit Videorate
Die größte Herausforderung besteht nun, fügt Maccarone hinzu, darin, jede Komponente im System zu verkleinern und so die Gesamtabmessungen so zu reduzieren, dass sie in ein Unterwasserfahrzeug passen. „Wir arbeiten mit der Industrie zusammen, um eine geeignete Lösung zu finden, um dies zu ermöglichen, ohne Kompromisse bei der Leistung des Systems einzugehen“, sagt sie.
Die Forscher berichten in Optik Express.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/single-photon-lidar-system-images-3d-objects-underwater/
