دیدن در مه و ابر با لیدار

توسط دی 12, 1399 اخبار فناوری

دیدن و تشخیص درست محیط در مکان‌ها، زمان‌ها و آب و ‌هواهای گوناگون یکی از چالش‌های اصلی دست‌یابی به خودروهای خودران است. در این میان روش‌های گوناگون تصویربرداری نوری، مانند لیدار یا تشخیص و فاصله‌یابی نوری، ابزارهای اساسی در سنجش از راه دور، دید روباتیک و رانندگی خودکار به‌شمار می‌روند.

دیدن در مه و ابر با لیدار

بازسازی سه بعدی شکل بازتابنده حرف S که از پشت یک فوم یک اینچی مشاهده می‌شود.

محیط‌های پراکنده‌کننده نور دست‌یابی به قابلیت دیدن محیط اطراف در هوای مه‌آلود، ابری، بارانی و گردوخاک را بسیار محدود ساخته است. بنابراین سال‌هاست غلبه بر این محدودیت مورد توجه زیادی قرار گرفته است.

به‌عنوان مثال در سال 2018 در دانشگاه ام آی تی، سیستم تصویربرداری حسگری عمق برای این منظور ساخته شد و حالا دانشمندان دانشگاه استنفورد سیستم لیداری را با استفاده از یک دیود بهمنی تک فوتونی که می‌تواند زمان رسیدن فوتونها تا یک تک فوتون را با دقت ده‌ها تریلون ثانیه تشخیص دهد توسعه داده‌اند، سیستمی که قادر است از میان اشیاء مات ببیند.

این سیستم با یک دیود بهمنی تک فوتونی، لیزر پالسی فوق سریع و یک روش معکوس تازه برای گرفتن شکل سه بعدی در گذر از محیط پراکنده کننده طراحی شده است. این روش با عنوان توموگرافی پخش شده هم‌کانون شناخته می‌شود. از این سیستم علاوه بر خودروهای خودران می‌توان در تصویربرداری ماهواره‌ای استفاده کرد. برای این‌کار می‌توان ماهواره‌ها را به دوربین‌هایی مجهز کرد که در  مدار زمین یا در مدار سیاره‌ها و اجرام آسمانی دیگر، سطح جرم مورد نظر را از میان لایه‌های ابر و دود و ذرات دیگر رصد کنند.

به لحاظ وضوح زمانی دقت و حساسیت این روش تشخیص و فاصله‌یابی نوری از اکثر آشکارسازهای دیگر برتر است. در این سیستم مانند سیستم‌های لیدار دیگر از لیزر برای نوردهی یک نقطه با پالس کوتاه نور استفاده می‌شود و یک آشکارساز هم مدت زمانی که طول کشیده فوتون‌ها پس پراکنده شوند را اندازه می‌گیرد.

لیزر این سیستم، یک لیزر سبز پالس کوتاه 35 پیکوثانیه‌ای است و نور آن توسط یک تقسیم‌گر باریکه با یک دیود بهمنی تک فوتون، که رو به نقطه نوردهی قرار گرفته تقسیم می‌شود. این چیدمان برای تشخیص فوتون‌های محدود نوری که به آشکارساز می‌رسد کنار هم گذاشته شده‌اند تا از این طریق تمامی ذرات نوری لیزر پخش شده در فضای مورد نظر ردیابی شوند.

لیدار معمولی از زمان تأخیری برای سنجش فاصله تا یک شی استفاده می‌کند، در این حالت فرض بر این است که فوتون‌ها یک مسیر مستقیم را تا شی طی کرده و برمی‌گردند. در این سیستم لیدار زمان رسیدن فوتون‌هایی که مسیر غیر مستقیم را طی می‌کنند اندازه‌گیری می‎شود، به‌این ترتیب که مسیر پراکندگی نور در گذر از یک محیط پراکنده کننده تا یک شی مخفی که پشت آن قرار گرفته و برگشت آن‌ محاسبه می‌شود.

وقتی که لیزر یک مانع مثل یک دیوار یا فوم را در مقابل خود می‌بیند، بعضی از فوتونها از درون آن عبور و از جسمی که در پشت آن پنهان است کمانه می‌کنند و از میان فوم به آشکارساز بازمی‌گردند. یک نرم‌افزار که با الگوریتم پشتیبانی می‌شود اطلاعات را بر اساس زمان و مکان برخورد فوتون‌ها به آشکارساز تفسیر می‎کند تا جسم پنهان را به ‌صورت سه بعدی بازسازی نماید.

مهم‌ترین چالش در تصویربرداری اشیا از خلال محیط پراکندگی این است که بیشتر فوتون‌هایی که توسط لیزر گسیل می‌شوند به‌ سوی آشکار ساز پراکنده نمی‌شوند و فقط فوتون‌هایی مورد اندازه‌گیری قرار می‌گیرند که از محیط پراکنده می‌شوند، توسط یک جسم منعکس می شوند و به عقب پراکنده می شوند.

برای اجسام بازتاب‌دهنده درخشان مثل مخروط‌های ترافیکی و یا علایم جاده‎ای، این سیستم قادر است اطلاعات را زیر یک دقیقه جمع‌آوری کند. برای اجسام کدر که کمتر بازتاب‌دهنده هستند بیش از یک ساعت زمان نیاز است تا فوتون‌های کافی جمع‌آوری شود. این زمان طولانی یک مشکل برای این سیستم محسوب می‌شود. با این‌ حال راه حل‌هایی وجود دارد که پتانسیل سریع‌تر کردن این سیستم را دارند.

مثلاً به جای استفاده از لیزر سبز به ‌کارگیری طول موج‌های بلندتر مادون قرمز در پراکندگی کمتر می‌تواند فوتون‌های بیشتری را برگرداند و به ‌این ترتیب سرعت بیشتری به‌ دست آید. در ضمن امکان بهبود الگوریتم‌ها وجود دارد تا سیستم بتوانند با تعداد کمتری از فوتون‌های به‌دست آمده و زمان کوتاه‌تر عملکرد بهتری نشان دهد.

از طرف دیگر سوق دادن این کار به سمت دیگر انواع هندسه پراکندگی از علاقه‌مندی‌ها و برنامه‌های این گروه تحقیقاتی است، به طوری که نه فقط اشیا پشت یک تیغه ضخیم ماده را تشخیص دهد بلکه اشیا احاطه شده در یک محیط پراکندگی غلیظ مانند اجسامی که در یک مه غلیظ قرار دارند با این سیستم شناسایی کنند. نتایج این تحقیق در مجله Nature Communications انتشار یافته است.

منبع : مرکز ملی علوم و فنون لیزر ایران

مطالب مرتبط :