Des chercheurs ont développé un nouveau type de système lidar qui mesure simultanément la position, la vitesse et les propriétés des matériaux d’objets dans une scène. Ce type d’informations pourrait être utile pour des applications telles que la robotique, la conduite autonome et la télédétection.
Le lidar utilise des impulsions laser pour mesurer les distances et créer des cartes 3D très détaillées d’objets et de terrains. Cependant, la plupart des systèmes lidar commerciaux, comme ceux utilisés dans les voitures autonomes, mesurent principalement la distance.
« Bien que certaines technologies lidar émergentes puissent également mesurer la vitesse, la perception du monde réel nécessite souvent de comprendre également la surface d’un objet », a déclaré Dongyu Du, de l’Université de Toronto au Canada. « Notre nouveau système utilise une seule mesure à chaque point scanné pour capturer la distance, la vitesse et le matériau de surface avec une précision millimétrique, tout en utilisant une puissance laser sans danger pour les yeux. »
Dans Optica, la revue de Optica Publishing Group’s pour les recherches à fort impact, les chercheurs de l’Université de Toronto et de l’entreprise de technologies réseau Ciena Corporation décrivent leur nouveau système lidar, qui combine de nouvelles méthodes d’analyse avec un dispositif de télécommunications standard permettant de détecter la distance, la vitesse et le matériau de surface en capturant des informations de polarisation.
« Bien que ce travail en soit encore au stade de prototype de recherche, il pointe vers de futurs systèmes de détection qui pourraient aider les machines à comprendre le monde physique de manière plus fiable,
a déclaré Du. « Cela pourrait conduire à des véhicules autonomes plus sûrs, des robots plus performants, une meilleure inspection industrielle et des systèmes de détection fonctionnant dans des conditions de visibilité réduite dues à l’éblouissement, au brouillard ou aux fortes pluies. »
Adapter la technologie des télécommunications pour le lidar
Ce nouveau travail est issu d’une collaboration entre des groupes de recherche de l’Université de Toronto et de Ciena Corporation, qui ont exploré comment un dispositif appelé modem optique cohérent pourrait être adapté au lidar. Ces modems produits en série peuvent mesurer simultanément de nombreuses propriétés différentes de la lumière, notamment sa fréquence, sa polarisation, sa phase et son amplitude.
« Les modems optiques cohérents sont utilisés pour envoyer le trafic Internet à travers les villes et même à travers les continents en encodant l’information dans la lumière, a déclaré Du. « Ils peuvent donc contrôler et mesurer la lumière avec une vitesse et une précision très élevées, se présentent sous des formats compacts et résolvent naturellement de nombreux problèmes de détection rencontrés avec le lidar. »
Les chercheurs ont développé un système lidar qui utilise un modem optique cohérent comme émetteur et récepteur. Cela a permis d’envoyer et de détecter plusieurs propriétés de la lumière avec une vitesse et une précision extrêmement élevées, et ainsi d’extraire beaucoup plus d’informations de chaque mesure qu’avec un système lidar conventionnel.
Le système fonctionne en éclairant une cible avec un faisceau laser modulé de manière aléatoire à des vitesses extrêmement rapides — des dizaines de milliards de fois par seconde — dans deux canaux de polarisation orthogonaux. Alors que les systèmes lidar conventionnels mesurent le délai entre l’émission et le retour de la lumière pour calculer la distance, le nouveau système mesure également comment les propriétés de polarisation de la lumière changent après interaction avec la surface de la cible, permettant ainsi de retrouver la distance, la vitesse et les propriétés des matériaux.
Extraire le signal lidar
Les chercheurs ont également développé une nouvelle façon d’interpréter les mesures, qui sont difficiles à récupérer et sont dégradées par le bruit et les distorsions inévitables induites par l’optique interne du système lidar.
« Les systèmes précédents manquaient d’outils de calcul pour séparer le signal d’intérêt des distorsions internes, a déclaré Du. « Nous avons développé un nouveau modèle tenant compte de la polarisation de la façon dont la lumière se propage dans notre système et interagit avec la scène, ainsi que des algorithmes capables de démêler tous ces effets pour produire des estimations propres de la distance, de la vitesse et des propriétés des matériaux. »
Pour tester le système, les chercheurs ont d’abord comparé ses mesures de profondeur et de vitesse à celles obtenues avec d’autres méthodes de traitement lidar en utilisant des scènes contrôlées avec des objets statiques et en mouvement. La nouvelle méthode a surpassé les techniques existantes sur les deux fronts, en particulier dans les zones à faible signal où les autres approches luttaient contre le bruit. Ils ont également montré que le système fonctionne de manière fiable sous une forte lumière ambiante, ce qui peut faire échouer d’autres systèmes lidar polarimétriques.
Les chercheurs ont ensuite montré que le système lidar pouvait retrouver les propriétés de surface de matériaux courants, notamment les métaux, les plastiques et les objets présentant une rugosité de surface variable. Ils ont également mesuré le speckle de polarisation — un motif d’interférence créé par la lumière laser — et démontré que ces motifs portent des informations sur la rugosité de surface, offrant ainsi un moyen de caractériser les matériaux à des échelles fines.
Enfin, les chercheurs ont démontré que les informations de polarisation obtenues avec le système peuvent être utiles pour l’imagerie à travers des milieux diffusants d’épaisseur optique allant jusqu’à 4,76. Cette capacité pourrait être utile pour l’imagerie dans des conditions où la visibilité est limitée par le brouillard, la pluie ou la poussière.
Les chercheurs travaillent actuellement à améliorer la bande passante de lecture du matériel du système, l’acquisition en continu et le transfert de données afin de permettre une capture plus directe et plus rapide de scènes dynamiques en constante évolution.
Article : D. Du, A. Xie, P. Mirdehghan, B. Buscaino, S.-H. Baek, K. N. Kutulakos, D. B. Lindell, « Polarimetric Full-Wavefield Coherent Lidar » 13, (2026). Journal : Optica – DOI : Lien vers l’étude
Source : Optica
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