تکنیک جدید عکس‌برداری مبتنی‌بر لیدار، تصاویر را از فاصله‌ ۴۵ کیلومتری ثبت می‌کند

یک سیستم عکاسی جدید مبتنی بر فناوری لیدار در چین تولید شده است که با استفاده از آن می‌توان از سوژه‌هایی به ابعاد یک انسان، از فواصل طولانی عکس گرفت. عکس‌برداری از فواصل طولانی روی زمین یک چالش پیچیده است.

ثبت نور از یک سوژه که در فاصله‌ی طولانی از دوربین قرار دارد، کار آسانی نیست. علاوه‌براین، جو اتمسفر زمین و نیز آلودگی‌ هوای شهرها در نور تحریف ایجاد کرده که عکس را خراب می‌کند.

این عوامل باعث شده‌اند تا ثبت عکس از سوژه‌هایی که در فاصله‌ی بیشتر از چند کیلومتر از دوربین قرار دارند، سخت باشد؛ با فرض بر اینکه دوربین در ارتفاعی قرار داده شده باشد که انحنای زمین در مشاهده سوژه تاثیر نگذارد.

 اما در سال‌های اخیر محققان، تشخیص‌دهنده‌های حساس عکس را توسعه داده‌اند تا عملکرد بهتری در این زمینه داشته باشند.

این تشخیص‌دهنده‌ها به‌قدری حساس هستند که می‌توانند تک‌تک فوتون‌ها را از سوژه‌هایی که در فاصله‌ی ۱۰ کیلومتری دوربین قرار دارند، ثبت کرده و از کنارهم‌قراردادن این فوتون‌ها تصویر نهایی را تولید کنند.

با این اوصاف، فیزیک‌دانان تمایل دارند تا فناوری یادشده را بیشتر بهبود دهند.

ژنگ‌پینگ لی و تیمش از دانشگاه علم و فناوری چین در شانگهای نشان دادند که چگونه می‌توان از سوژه‌هایی در فاصله‌ی ۴۵ کیلومتری در یک محیط شهری عکس گرفت.

در تکنیک تیم مورد اشاره، تشخیص‌دهنده‌های تک فوتون‌ و یک الگوریتم خاص تصویربرداری محاسباتی ترکیب شده است تا درنهایت بتوان عکس‌هایی با وضوح‌ تصویری بسیار بالا به ثبت رساند.

عکس‌های ثبت‌شده با این تکنیک از بازترکیب کم‌ترین داده‌های نقطه‌ای به‌دست می‌آیند.

تکنیک جدید، در اصل روش کارکرد بسیار ساده‌ای دارد. سیستم یادشده براساس تشخیص فاصله لیزری یا تاباندن نور به فاصله با استفاده از لیزر و ایجاد عکس با استفاده از ثبت نور بازتاب‌شده کار می‌کند.

یکی از مزایای مهم این نوع روش‌های تصویربرداری این است که فوتون‌های بازتاب‌شده از سوژه در بازه‌ی زمانی خاصی به تشخیص‌دهنده‌ها برمی‌گردند که این بازه‌ی زمانی به فاصله‌ی سوژه بستگی دارد و به همین دلیل نور اضافه‌ی بازتاب‌شده توسط تشخیص‌دهنده‌ی فوتون نادیده گرفته می‌شود.

باتوجه‌به ویژگی‌های روش فوق، نویز ایجادشده‌ی ناشی از فوتون‌های ناخواسته که در محیط وجود دارند، به‌میزان قابل‌توجهی کاهش می‌یابد و سیستم‌های لیدار را قادر می‌سازد تا حساسیت بالایی داشته باشند و فاصله‌ی سوژه را نیز به‌دقت تشخیص دهند.

برای بهبود بیشتر عملکرد این سیستم جدید در محیط‌های شهری، ژنگ‌پینک و افراد تیم وی از یک لیزر مادون‌قرمز با طول موج ۱۵۵۰ نانومتر، نرخ تکرار ۱۰۰ کیلوهرتز و قدرت کم ۱۲۰ میلی‌واتی استفاده کرده‌اند.

استفاده از این طول موج باعث شده است تا سیستم مذکور برای چشم ضرر نداشته باشد و بنابراین تیم سازنده را قادر ساخته تا بتوانند فوتون‌های خورشید را در تصویر نهایی فیلتر کنند.

محققان، فوتون‌ها را با دستگاه‌های اپتیکی مشابه‌با یک تلسکوب فضایی معمولی (با گشودگی دیافراگم ۲۸۰ میلی‌متر) ارسال و دریافت می‌کنند.

سپس فوتون‌های بازتاب‌شده با یک تشخیص‌دهنده‌ی تکی فوتون معمولی دریافت می‌شوند. همچنین محققان برای ساخت یک تصویر، دامنه‌ی دید را با استفاده از آینه‌های کنترل‌شونده‌ی پیزو (Piezo) بررسی می‌کنند.

این آینه‌ها امکان چرخیدن به بالا، پایین و طرفین را دراختیار محققان قرار می‌دهند. با این روش می‌توان تصاویری دوبعدی ایجاد کرد اما با تغییردادن زمان امکان ثبت فوتون‌های بازتاب‌شده از فواصل مختلف، امکان ایجاد یک تصویر سه‌بعدی نیز فراهم می‌شود.

آخرین پیشرفتی که تیم مورد بحث به‌ آن دست‌ یافته، توسعه‌ی یک الگوریتم برای ایجاد تصویر براساس داده‌های به‌دست‌آمده از تک‌تک فوتون‌های بازتاب‌شده است.

این نوع تصویربرداری محاسباتی در سال‌های اخیر به‌صورت آزمایشگاهی توسعه داده شده است و به محققان اجازه می‌دهد تا با مجموعه‌ی مختصری از داده‌ها بتوانند یک تصویر نهایی تولید کنند.

نتیجه‌ی کار واضح است و عمکلرد روش فوق را به‌خوبی نشان می‌دهد.

این تیم تحقیقاتی، دوربین جدید خود را در طبقه‌ی بیستم یک ساختمان در جزیره چونگمینگ واقع در شانگهای قرار دادند و با استفاده از آن تصویر ساختمان حمل‌و‌نقل هوایی شهری پودانگ واقع در ۴۵ کیلومتری محل دوربین را ثبت کردند. عکس‌هایی که در همین شرایط با استفاده از تلسکوپ ثبت می‌شوند، چیزی جز نویز نشان نمی‌دهند. اما این تکنیک جدید تصاویری تولید می‌کند که وضوح فضای آن حدود ۶۰ سانتی‌متر است و جزئیاتی مثل پنجره‌ی ساختمان سوژه را هم نشان می‌دهد. این محققان در مورد روش خود می‌گویند:

این تصاویر قابلیت‌های برتر سیستم‌ لیدار تک‌فوتونی مادون قرمز را به‌وضوح نشان می‌دهد. با استفاده از این تکنیک جدید می‌توان سوژه‌ها را در فاصله‌های خیلی دور نیز به‌خوبی تشخیص داد.

همچنین، این روش به‌میزان قابل‌توجهی بهتر از محدودیت انکسار یک متر در فاصله‌ی ۴۵ کیلومتری بوده و مشخصا بهتر از الگوریتم‌هایی است که اخیرا در این زمینه توسعه داده شده‌اند. تصویری که مشاهده می‌کنید، نشان‌دهنده‌ی ظرفیت تکنیک جدید در روشنایی روز از فاصله‌ی ۲۱ کیلومتری است. ژنگ‌پینگ در بخشی از توضیحات خود در مورد این روش جدید می‌گوید:

 با استفاده از روش جدید ما می‌توان از سوژه‌هایی که در فاصله‌های خیلی دور قرار دارند، با سرعتی زیاد و مصرف انرژی بسیار کم، تصاویر اپتیکی سه‌بعدی ثبت کرد.

این تکنیک جدید کاربردهای وسیعی دارد. محققان همچنین به این مورد اشاره کرده‌اند که تشخیص از راه‌دور، نظارت هوایی و تشخیص سوژه ازجمله کاربردهای تکنیک جدید این تکنیک محسوب می‌شوند. ابعاد کلی این دستگاه در حد یک جعبه‌ی کفش است و به‌همین دلیل امکان جابه‌جایی آن به‌راحتی فراهم است. ژنگ‌پینک و تیمش اعلام کرده‌اند که امکان ارتقاء عملکرد تکنیک آن‌ها وجود دارد.

سیستم ما با انجام یک‌سری تغییرات می‌تواند از سوژه‌هایی که در فاصله‌ی چند صدکیلومتری قرار دارند نیز عکسبرداری کند و بنابراین روش جدیدی برای پیشرفت سریع سیستم‌های عکسبرداری لیدار خواهد بود که با کم‌ترین میزان مصرف انرژی و با سرعتی بسیار زیاد می‌تواند تصاویری با وضوح بسیار بالا از فواصل طولانی ثبت کند.