Il LiDAR a fotone singolo fornisce immagini 3D dettagliate a distanze fino a 1 chilometro

Roma  – Ricercatori dell’Università Heriot-Watt, nel Regno Unito, hanno sviluppato una nuova tecnologia LiDAR (acronimo dall’inglese Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging) a fotone singolo in grado di acquisire immagini 3D ad alta risoluzione di un oggetto o di una scena fino a 1 chilometro di distanza. Il nuovo sistema, illustrato in un lavoro oggi su Optica, potrebbe aiutare a migliorare la sicurezza, il monitoraggio e il telerilevamento consentendo di reperire immagini dettagliate anche in condizioni ambientali difficili, ad esempio attraverso fumo o nebbia, di oggetti oscurati da fogliame o reti mimetiche o distribuiti in maniera disorganizzata. “Il nostro sistema utilizza un rilevatore di fotoni singoli circa due volte più efficiente di quelli distribuiti in sistemi LiDAR simili, con una risoluzione temporale almeno 10 volte migliore”, ha affermato Aongus McCarthy, ricercatore presso l’Università Heriot-Watt. “In buona sostanza il nostro sistema di imaging raccoglie più fotoni sparsi dal bersaglio ed è in grado di ottenere una risoluzione spaziale molto più elevata, ad esempio un’immagine 3D raffigurante un volto umano chiaramente riconoscibile da una persona a 325 metri di distanza. Inoltre potrebbe anche consentire l’identificazione remota di oggetti in vari ambienti e il monitoraggio del movimento di edifici o pareti rocciose per valutare cedimenti o altri potenziali pericoli”. Il sistema ha anche abilità di telemetria basata sulla luce, ovvero il sistema di imaging della profondità a tempo di volo a fotone singolo utilizza il tempo impiegato da un impulso laser per viaggiare dal sistema a un punto su un oggetto e ritorno per calcolare la distanza dall’oggetto. Queste misurazioni del tempo di volo vengono ripetute per vari punti nell’oggetto per ottenere informazioni 3D, facendo ricorso a un rilevatore ultrasensibile, chiamato rilevatore di singolo fotone a nanofili superconduttori (SNSD), in grado di rilevare un singolo fotone di luce. Questa tecnica fa sì che anche laser con potenze molto basse, inclusi i laser sicuri per gli occhi, possono essere utilizzati per eseguire misurazioni in tempi molto brevi e su lunghe distanze. Per ridurre i livelli di rumore, il rilevatore è stato raffreddato a poco meno di 1 Kelvin in un sistema crioraffreddator combinato con un nuovo transceiver di scansione a pixel singolo personalizzato, che funziona a una lunghezza d’onda di 1550 nm. Inoltre sono state aggiunte apparecchiature di temporizzazione avanzate per misurare intervalli di tempo con estrema accuratezza fino a trilionesimi di secondo (picosecondi); in prospettiva, in soli 1.000 picosecondi, la luce può percorrere circa 300 millimetri (circa 1 piede). Questa precisione ha reso possibile distinguere superfici separate da circa 1 mm di profondità da 325 metri di distanza. “Poiché i rilevatori SNSPD possono funzionare a lunghezze d’onda superiori a 1550 nm, questo design apre potenzialmente allo sviluppo di un sistema LiDAR a singolo fotone nell’infrarosso medio potendo migliorare sensibilmente l’imaging attraverso nebbia, fumo e altri oscuranti o riprendere oggetti dietro a elementi ingombri, come fogliame o reti mimetiche, difficilmente possibile per una fotocamera digitale” ha concluso il dottor McCarthy. I ricercatori hanno in programma di testare il sistema LiDAR a distanze fino a 10 km ed esplorare l’imaging attraverso oscuranti atmosferici come fumo e nebbia come anche valutare il ricorso a metodi computazionali avanzati per accelerare l’analisi dei dati e consentire l’imaging di scene a maggiore distanza.(30Science.com)