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Der leistungsstärkste 3D-Laser-Imager der Welt
Airborne Laserscanning hat in den letzten Jahren beeindruckende Karten und Einblicke geliefert. Unter anderem enthüllte es die schwachen Umrisse eines verschwundenen mittelalterlichen Straßengitters, das vom Dschungel rund um Angkor Wat in Kambodscha verdeckt wurde (siehe Laserscanning enthüllt neue Teile einer alten kambodschanischen Stadt), eine Leistung, die 20 Stunden Hubschrauberflugzeit erforderte, um 370 zu kartieren Quadratkilometer auf eine Auflösung von einem Meter.
Weltraumaufnahme : Das im Kennedy Space Center in Florida geparkte Space Shuttle Atlantis erscheint in einem 200 mal 200 Meter großen Bild, das nachts aus 13.600 Fuß in nur 18 Sekunden mit einer früheren Version der fortschrittlichen LIDAR-Technologie aufgenommen wurde.
Aber in einem sicheren Hangar der Hanscom Air Force Base in Bedford, Massachusetts, wurde der Bauch eines Bombardier-Turboprops mit Technologie ausgestattet, die den kambodschanischen Job in etwa einer halben Stunde erledigen könnte. Der Rumpf enthält ein neues LIDAR (Light Detection and Ranging) 3-D-Bildgebungssystem, das mit beispielloser Geschwindigkeit und hoher Auflösung arbeitet, sagt Dale Fried, Hauptentwickler des Systems am Lincoln Laboratory, einem staatlich finanzierten F&E-Zentrum des MIT.
LIDAR-Systeme feuern Laser ab und erkennen zurückkehrende Photonen, indem sie das Timing dieser Rückfahrten verwenden, um die Entfernung zu messen und so 3D-Bilder zu erstellen. Das Herzstück des neuen Bildgebungssystems ist ein Mikrochip, der das größte Pixelarray aller Zeiten trägt, das nur ein Photon pro Stück erkennt – mehr als 16.384 Pixel insgesamt. Das Pixelarray ermöglicht in Kombination mit optischen Linsen die Abbildung breiterer Bereiche. Arrays dieser Einzelphotonen-Detektoren können sehr schnell große Gebiete kartieren, sagt Fried.
In den heutigen luftgestützten LIDAR-Systemen sind einzelne Detektoren viel weniger empfindlich; und sie werden mechanisch zusammen mit dem Laser bewegt, der das Licht aussendet, um ein breiteres Sichtfeld zu erfassen.
Während keine Bilder des neuen Systems, das in Hanscom Gestalt annimmt, öffentlich zugänglich sind, wurde eine frühere Generation der Technologie – die vor vier Jahren mit nur einem Viertel so vielen Pixeln gebaut wurde – getestet. Das System wurde nach dem Erdbeben in Haiti im Januar 2010 vom US-Militär für eine humanitäre Mission entsandt; Ein einziger Durchgang eines Business-Jets in 10.000 Fuß Höhe über Port-au-Prince war in der Lage, Momentaufnahmen von 600-Meter-Quadraten der Stadt mit einer Auflösung von 30 Zentimetern aufzunehmen und die genaue Höhe der Trümmer in den Straßen der Stadt anzuzeigen.
Dieses System war bereits etwa viermal schneller und detaillierter als das Angkor Wat-System. Aber das Detektor-Array im Hanscom-Hangar ist jetzt noch zehnmal besser und könnte schneller viel größere Karten erstellen, sagt Fried.
Die Technologie verwendet einen Halbleiter namens Indium-Gallium-Arsenid, der im Infrarotspektrum bei einer relativ langen Wellenlänge arbeitet, was eine höhere Leistung und damit größere Reichweiten für luftgestütztes Laserscannen ermöglicht.
Erst in den letzten zehn Jahren oder so haben Arrays von Pixeln gebaut, die einzelne Photonen erkennen können. Die resultierenden Bildgebungssysteme waren größtenteils auf Regierungs- und Militäraufgaben beschränkt, wie zum Beispiel die schnelle Kartierung eines Großteils des zerklüfteten Geländes Afghanistans auf die 1-Meter-Auflösung, die Hubschrauberbesatzungen benötigen, um Landezonen zu finden.
Lichtchip : Auf dem Chip sitzt ein Array mit mehr als 4.096 Pixeln, von denen jedes ein einzelnes Photon erkennen kann.
Die Technologie wurde an zwei Unternehmen lizenziert, Princeton Lightwave von Cranbury, New Jersey, und Spectrolab , eine Einheit von Boeing, in Sylmar, Kalifornien, die sie in Produkte umwandelt. Im vergangenen Jahr war Princeton Lightwave das erste Unternehmen, das die Technologie, die Haiti abbildete, kommerzialisierte. Das resultierende Paket hatte die Größe eines Schuhkartons, wenn auch zu einem saftigen Anfangspreis von 150.000 US-Dollar, das sich an den Markt für Rüstungsunternehmen richtete.
Aber da sich der Chip-Herstellungsprozess verbessert und die Preise sinken, könnte die Technologie weit mehr Anwendungen in Bereichen wie Glaziologie, Landwirtschaft und Archäologie finden – und vielleicht sogar ihren Weg in autonome Autos für den Massenmarkt finden, sagt Mark Itzler, CEO von Princeton Lichtwelle. Gegenwärtig kosten kommerzielle Versionen von Automobil-LIDAR, die weiter als ein paar Meter sehen können, mehr als 30.000 US-Dollar und erfordern normalerweise eine sperrige mechanische Vorrichtung.
Während für Autos eine Reihe verschiedener Arten von LIDAR in Betracht gezogen werden, hat der Indium-Gallium-Arsenid-Ansatz einen langfristigen Vorteil; es kann sicher auf extrem hohe Leistungsstufen hochgefahren werden. Aktuelle Systeme verwenden Silizium, das innerhalb sichtbarer Lichtfrequenzen arbeitet. Daher erhöht sich das Risiko von Augenverletzungen, wenn sie auf ein Niveau hochgefahren werden, das hoch genug ist, um wichtige Aufgaben zu bewältigen – wie das Erkennen eines Tieres in 200 Metern Entfernung selbst auf einer nebligen Autobahn. Genug der [Autozulieferer] sehen die Augensicherheit als langfristiges Problem an, dass sie sehr an der Einzelphotonenempfindlichkeit bei Wellenlängen interessiert sind, bei denen diese enorm augensichere Operation möglich ist, sagt Itzler.
Princeton Lightwave ist im Gespräch mit Hauptlieferanten der Automobilindustrie, um einen frühen Prototyp zu bauen. Itzler sagt, dass die Kosten drastisch gesenkt werden müssen, aber dafür gibt es einen Präzedenzfall: Der erste optische Empfänger [mit Indium-Gallium-Arsenid] für Hochgeschwindigkeits-Telekommunikationsnetze kostete 5.000 US-Dollar – und heute kostet er 10 US-Dollar, bemerkt er.
Unabhängig davon, ob die Technologie es in Autos schafft oder nicht, sagt Fried, dass der Verzicht auf einige bewegliche Teile und die Entwicklung größerer Arrays von Einzelphotonen-Detektoren letztendlich den Preis für 3D-Bilder um den Faktor 10 oder mehr revolutionieren werden neue Anwendungen erschließen.
In der Zwischenzeit könnten neue Fortschritte bei chipbasierten Emitter-Arrays es einfacher machen, Licht ohne rotierende Teile auszusenden. In einem Papier in Natur Letztes Jahr zeigten andere MIT-Forscher, wie ein 64-mal-64-Array von Siliziumantennen einen einzelnen Laserstrahl aufnehmen und an jeden gewünschten Ort senden kann, indem die Spannungen auf dem Chip optimiert werden.