Un nouvel appareil photo peut vous photographier à 45 kilomètres de distance

Développé en Chine, le système à base de lidar peut couper à travers le smog urbain pour résoudre des problèmes de taille humaine à de grandes distances.

La photographie longue distance sur Terre est un défi délicat. Il n’est pas facile de capturer suffisamment de lumière d’un sujet à grande distance. Et même là, l’atmosphère introduit des distorsions qui peuvent nuire à l’image, tout comme la pollution, qui est un problème particulier dans les villes. Il est donc difficile d’obtenir des images au-delà d’une distance d’environ quelques kilomètres (en supposant que la caméra est montée assez haut par rapport au sol pour supporter la courbure de la Terre).

Mais ces dernières années, les chercheurs ont commencé à exploiter les photodétecteurs sensibles pour faire beaucoup mieux. Ces détecteurs sont si sensibles qu’ils peuvent capter des photons individuels et les utiliser pour reconstituer des images de sujets jusqu’à 10 kilomètres (six milles) de distance.

Néanmoins, les physiciens aimeraient s’améliorer encore davantage. Aujourd’hui, Zheng-Ping Li et ses collègues de l’Université des sciences et de la technologie de Chine à Shanghai montrent comment photographier des sujets jusqu’à 45 km (28 milles) de distance dans un environnement urbain marqué par le smog. Leur technique utilise des détecteurs à photons uniques combinés à un algorithme d’imagerie numérique unique qui permet d’obtenir des images à très haute résolution en tricotant ensemble les points de données les plus rares.

La nouvelle technique est relativement simple en principe. Elle est basée sur la télémétrie et la détection laser, ou lidar-illuminant le sujet avec de la lumière laser et créant ensuite une image à partir de la lumière réfléchie.

Le grand avantage de ce type d’imagerie active est que les photons réfléchis par le sujet retournent au détecteur dans une fenêtre temporelle spécifique qui dépend de la distance. Ainsi, tous les photons qui arrivent à l’extérieur de cette fenêtre peuvent être ignorés.

Ce « gate » réduit considérablement le bruit créé par les photons indésirables provenant d’ailleurs dans l’environnement. De plus, il permet aux systèmes lidar d’être très sensibles et spécifiques à la distance.

Pour rendre le nouveau système encore meilleur en milieu urbain, Zheng-Ping et ses collaborateurs utilisent un laser infrarouge d’une longueur d’onde de 1550 nanomètres, un taux de répétition de 100 kilohertz, et une puissance modeste de 120 milliwatts. Cette longueur d’onde rend le système sûr pour les yeux et permet à l’équipe de filtrer les photons solaires qui, autrement, submergeraient le détecteur.

Les chercheurs envoient et reçoivent ces photons par le même appareil optique – un télescope astronomique ordinaire avec une ouverture de 280 mm. Les photons réfléchis sont ensuite détectés par un détecteur monophotonique commercial. Pour créer une image, les chercheurs balaient le champ de vision à l’aide d’un miroir à commande piézoélectrique qui peut s’incliner vers le haut, vers le bas et latéralement.

De cette façon, ils peuvent créer des images bidimensionnelles. Mais en changeant les temps de déclenchement, ils peuvent capter des photons réfléchis à différentes distances pour construire une image 3D.

La dernière avancée de l’équipe est la mise au point d’un algorithme qui tisse une image à l’aide des données d’un seul photon. Ce type d’imagerie computationnelle a progressé à pas de géant au cours des dernières années, permettant aux chercheurs de créer des images à partir d’ensembles de données relativement petits.

Les résultats parlent d’eux-mêmes. L’équipe a installé la nouvelle caméra au 20e étage d’un bâtiment sur l’île de Chongming à Shanghai et l’a dirigée vers le bâtiment de l’aviation civile de Pudong, de l’autre côté du fleuve, à quelque 45 km de là.

imagerie à résolution d’un seul pixel

Les images conventionnelles prises au télescope ne montrent rien d’autre que du bruit. Mais la nouvelle technique produit des images avec une résolution spatiale d’environ 60 cm, ce qui résout les fenêtres du bâtiment. « Ce résultat démontre la capacité supérieure du système LiDAR à photon unique dans le proche infrarouge de résoudre les cibles à travers le smog « , dit l’équipe.

C’est aussi nettement mieux que la limite de diffraction conventionnelle de 1 mètre à 45 km, et certainement mieux que d’autres algorithmes récemment développés. L’image ci-contre montre le potentiel de la technique sur des images prises à la lumière du jour à une distance de 21 km. « Nos résultats ouvrent une nouvelle voie pour l’imagerie optique 3D haute résolution, rapide et basse consommation sur de très longues distances « , déclarent Zheng-Ping et al.

C’est un travail intéressant qui a un large éventail d’applications. L’équipe mentionne la télédétection, la surveillance aérienne et la reconnaissance et l’identification des cibles. En effet, l’appareil a la taille d’une grande boîte à chaussures et est donc relativement portable.

Et Zheng-Ping et al. disent qu’il peut être considérablement amélioré. « Notre système est réalisable pour l’imagerie à quelques centaines de kilomètres en affinant la configuration, et représente donc une étape importante vers un LiDAR rapide, basse consommation et haute résolution sur de très longues distances « , disent-ils.

Alors, continuez de sourire, ils regardent peut-être.

https://arxiv.org/abs/1904.10341

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