Фотосъемка на Земле на расстоянии — сложная задача. Поймать достаточно света от объекта на большом расстоянии нелегко. И даже тогда атмосфера будет вносить искажения, способные испортить снимок; загрязнение очень мешает, особенно в городах. Поэтому любой снимок с расстояния в несколько километров или около того (при условии, что камера закреплена достаточно высоко, чтобы справиться с кривизной Земли) сделать крайне трудно.
Однако в последние годы ученые начали использовать чувствительные фотоприемники, которые намного лучше справляются с этой задачей. Такие детекторы настолько чувствительны, что могут улавливать отдельные фотоны и совмещать их в снимки на расстоянии до 10 километров.
Какова предельная дальность фотокамеры?
Очевидно, физики никогда не останавливаются на достигнутом. На днях Чжен-Пинг Ли и его коллеги из Научно-технического университета Китай в Шанхае показали, как фотографировать объекты на расстоянии до 45 километров в укрытой смогом городской среде. Их метод использует детекторы отдельных фотонов в сочетании с уникальным вычислительным алгоритмом, который позволяет получать изображения сверхвысокого разрешения, объединяя рассеянные точки данных.
Новая техника относительно проста в принципе. Она основана на методе лидаров — LIDAR (Light Identification Detection and Ranging): «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света» — подсвечивает объект лазерным светом и затем создает изображение из отраженного света.
Большое преимущество такого рода активной визуализации состоит в том, что отраженные от объекта фотоны возвращаются в детектор в течение определенного временного окна, которое зависит от расстояния. Поэтому любые фотоны, которые прибывают за пределами этого окна, можно игнорировать.
Такого рода фильтр радикально уменьшает шум, который создается нежелательными фотонами из окружающей среды. И это позволяет лидарным системам быть очень чувствительными и ориентированными на расстояние.
Чтобы новая система работала еще лучше в городской среде, Чжен-Пинг и его коллеги использовали инфракрасный лазер с длиной волны 1550 нанометров, частотой повторения 100 килогерц и умеренной мощностью в 120 милливатт. Эта длина волны делает систему безопасной для глаз и позволяет команде отфильтровывать солнечные фотоны, которые в противном случае могли бы перегрузить детектор.
Исследователи отправляют и получают эти фотоны с помощью одного оптического прибора — обычного астрономического телескопа с линзой 280 мм. Отраженные фотоны затем регистрируются коммерческим детектором одиночных фотонов. Чтобы создать снимок, ученые сканируют поле обзора, используя пьезоуправляемое зеркало, которое может поворачиваться вверх, вниз, вправо и влево.
Таким образом, они могут создавать двухмерные изображения. Но благодаря контролю времени поступления фотонов они могут улавливать фотоны, отраженные с разных расстояний, для создания трехмерного изображения.
Последнее достижение, которое удалось осуществить команде, это разработать алгоритм, который собирает изображение воедино, используя однофотонные данные. Такого рода вычислительная визуализация проделала огромный путь за последние годы, позволив ученым создавать снимки из относительно небольших наборов данных.
Результаты говорят сами за себя. Команда установила новую камеру на 20-м этаже здания на острове Чонгминг в Шанхае и направила его на здание гражданской авиации Пудун через реку, в 45 километрах.
Обычные изображения, полученные через телескоп, не показывают ничего, кроме шума. Но новая техника позволяет получать изображения с пространственным разрешением в 60 см, на которых можно разобрать окна здания. «Этот результат демонстрирует превосходную способность LiDAR-системы одиночных фотонов ближнего инфракрасного спектра различать цели через смог», говорят ученые.
Стоит подразумевать, что основное применение такой системы будет в области наблюдения, распознавания и идентификации целей. Помимо всего, устройство по размерам не больше коробки обуви, относительно портативное.
Обсудить другие возможные применения такой зоркой камеры можно в нашем чате в Телеграме.