Eine neue Kamera kann Sie aus 45 Kilometern Entfernung fotografieren

Bilder aus Papier Computergestützte Einzelphotonen-3D-Bildgebung bei 45 km

Fernfotografie auf der Erde ist eine knifflige Herausforderung. Es ist nicht einfach, genügend Licht von einem Motiv in großer Entfernung einzufangen. Und selbst dann führt die Atmosphäre Verzerrungen ein, die das Bild ruinieren können; ebenso die Umweltverschmutzung, die in Städten ein besonderes Problem darstellt. Das macht es schwierig, irgendein Bild über eine Entfernung von etwa einigen Kilometern hinaus zu erhalten (vorausgesetzt, die Kamera ist hoch genug über dem Boden montiert, um mit der Erdkrümmung fertig zu werden).

Aber in den letzten Jahren haben Forscher begonnen, empfindliche Fotodetektoren zu nutzen, um viel besser zu werden. Diese Detektoren sind so empfindlich, dass sie einzelne Photonen aufnehmen und sie verwenden können, um Bilder von Objekten in einer Entfernung von bis zu 10 Kilometern (sechs Meilen) zusammenzusetzen.

Trotzdem würden Physiker gerne noch besser werden. Und heute zeigen Zheng-Ping Li und Kollegen von der University of Science and Technology of China in Shanghai, wie man Motive in einer von Smog geplagten städtischen Umgebung in einer Entfernung von bis zu 45 km (28 Meilen) fotografieren kann. Ihre Technik verwendet Einzelphotonendetektoren in Kombination mit einem einzigartigen rechnergestützten Bildgebungsalgorithmus, der Bilder mit superhoher Auflösung erzielt, indem die spärlichsten Datenpunkte zusammengefügt werden.

Die neue Technik ist im Prinzip relativ unkompliziert. Es basiert auf Laser-Entfernungsmessung und -Erkennung oder Lidar – das Beleuchten des Objekts mit Laserlicht und das anschließende Erstellen eines Bildes aus reflektiertem Licht.

Der große Vorteil dieser Art der aktiven Bildgebung besteht darin, dass die vom Objekt reflektierten Photonen innerhalb eines bestimmten, von der Entfernung abhängigen Zeitfensters zum Detektor zurückkehren. Daher können alle Photonen, die außerhalb dieses Fensters ankommen, ignoriert werden.

Dieses Gating reduziert drastisch das Rauschen, das durch unerwünschte Photonen von anderen Stellen in der Umgebung erzeugt wird. Und es ermöglicht Lidar-Systemen, hochempfindlich und entfernungsspezifisch zu sein.

Um das neue System in städtischen Umgebungen noch besser zu machen, verwenden Zheng-Ping und Co. einen Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 1550 Nanometern, einer Wiederholrate von 100 Kilohertz und einer bescheidenen Leistung von 120 Milliwatt. Diese Wellenlänge macht das System augensicher und ermöglicht es dem Team, Sonnenphotonen herauszufiltern, die sonst den Detektor überwältigen würden.

Die Forscher senden und empfangen diese Photonen durch denselben optischen Apparat – ein gewöhnliches astronomisches Teleskop mit einer Öffnung von 280 mm. Die reflektierten Photonen werden dann von einem handelsüblichen Einzelphotonendetektor detektiert. Um ein Bild zu erstellen, scannen die Forscher das Sichtfeld mit einem piezogesteuerten Spiegel, der nach oben, unten und von Seite zu Seite geneigt werden kann.

Auf diese Weise können sie zweidimensionale Bilder erstellen. Durch Ändern der Gating-Timings können sie jedoch Photonen aufnehmen, die aus unterschiedlichen Entfernungen reflektiert werden, um ein 3D-Bild zu erstellen.

Der letzte Fortschritt, den das Team gemacht hat, besteht darin, einen Algorithmus zu entwickeln, der ein Bild unter Verwendung der Einzelphotonendaten zusammenfügt. Diese Art der computergestützten Bildgebung hat sich in den letzten Jahren sprunghaft weiterentwickelt und ermöglicht es Forschern, Bilder aus relativ kleinen Datensätzen zu erstellen.

Die Ergebnisse sprechen für sich. Das Team stellte die neue Kamera im 20. Stock eines Gebäudes auf der Insel Chongming in Shanghai auf und richtete sie auf das Pudong Civil Aviation Building auf der anderen Seite des Flusses, etwa 45 km entfernt.

Herkömmliche Bilder, die durch das Teleskop aufgenommen wurden, zeigen nichts anderes als Rauschen. Aber die neue Technik erzeugt Bilder mit einer räumlichen Auflösung von etwa 60 cm, was Gebäudefenster auflöst. Dieses Ergebnis demonstriert die überlegene Fähigkeit des Nahinfrarot-Einzelphotonen-LiDAR-Systems, Ziele durch Smog aufzulösen, so das Team.

Das ist auch deutlich besser als die herkömmliche Beugungsgrenze von 1 Meter auf 45 km und sicherlich besser als andere kürzlich entwickelte Algorithmen. Das Bild hier zeigt das Potenzial der Technik in Bildern, die bei Tageslicht aus einer Entfernung von 21 km aufgenommen wurden. Unsere Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für hochauflösende, schnelle optische 3D-Bildgebung mit geringem Stromverbrauch über ultralange Reichweiten, sagen Zheng-Ping und Co.

Das ist eine interessante Arbeit, die ein breites Anwendungsspektrum hat. Das Team erwähnt Fernerkundung, Luftüberwachung sowie Zielerkennung und -identifikation. Tatsächlich hat das gesamte Gerät etwa die Größe eines großen Schuhkartons und ist daher relativ tragbar.

Und Zheng-Ping und Co sagen, dass es deutlich verbessert werden kann. Unser System ist durch Verfeinerung des Aufbaus für die Bildgebung bei einigen hundert Kilometern geeignet und stellt somit einen bedeutenden Meilenstein in Richtung eines schnellen, stromsparenden und hochauflösenden LiDAR über extra lange Reichweiten dar, heißt es.

Also lächle weiter – vielleicht sehen sie zu.

Ref: arxiv.org/abs/1904.10341 : Computerbasierte Einzelphotonen-3D-Bildgebung bei 45 km

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