Le lidar miniaturisé repousse les limites de la résolution d’image

Les chercheurs ont développé un système de lidar aéroporté à photon unique compact et léger, capable d’acquérir des images 3D haute résolution avec un laser de faible puissance. Cette avancée pourrait rendre le lidar à photon unique pratique pour des applications aériennes et spatiales telles que la surveillance de l’environnement, la cartographie 3D du terrain et l’identification d’objets.

Le lidar à photon unique utilise des techniques de détection de photons uniques pour mesurer le temps nécessaire aux impulsions laser pour atteindre les objets et revenir. Il est particulièrement utile pour les applications aéroportées car il permet une cartographie 3D très précise du terrain et des objets, même dans des environnements difficiles tels que la végétation dense ou les zones urbaines.

Selon Feihu Xu, membre de l’équipe de recherche de l’Université des sciences et technologies de Chine, « l’utilisation de la technologie lidar à photon unique sur des drones ou des satellites aux ressources limitées nécessite de réduire l’ensemble du système et de diminuer sa consommation d’énergie ».

Les chercheurs ont réussi à intégrer les développements technologiques récents dans un système qui, par rapport aux autres systèmes lidar aéroportés de pointe, emploie la puissance laser la plus faible et l’ouverture optique la plus petite tout en maintenant de bonnes performances en termes de portée de détection et de résolution d’image.

Performances du système lidar miniaturisé

Dans la revue Optica, les chercheurs montrent que le système a la capacité d’atteindre une résolution d’image qui dépasse la limite de diffraction de la lumière lorsqu’il est utilisé avec un balayage sous-pixel et un nouvel algorithme de déconvolution 3D. Ils démontrent également la capacité du système à capturer des images 3D haute résolution pendant la journée sur de vastes zones à bord d’un petit avion.

« En fin de compte, notre travail a le potentiel d’améliorer notre compréhension du monde qui nous entoure et de contribuer à un avenir plus durable et mieux informé pour tous », a déclaré Feihu Xu. « Par exemple, notre système pourrait être déployé sur des drones ou de petits satellites pour surveiller les changements dans les paysages forestiers, tels que la déforestation ou d’autres impacts sur la santé des forêts. Il pourrait également être utilisé après des tremblements de terre pour générer des cartes 3D du terrain qui pourraient aider à évaluer l’étendue des dommages et guider les équipes de secours, sauvant potentiellement des vies. »

Composants clés du système lidar compact

Pour réduire la taille globale du système, les chercheurs ont utilisé de petits télescopes avec une ouverture optique de 47 mm comme optique de réception. Une partie clé du nouveau système est constituée des miroirs de balayage spéciaux qui effectuent un balayage fin continu, capturant des informations sous-pixel des cibles au sol.

De plus, un nouvel algorithme de calcul efficace en photons extrait ces informations sous-pixel à partir d’un petit nombre de détections de photons bruts, permettant la reconstruction d’images 3D super-résolues malgré les défis posés par les signaux faibles et le bruit solaire important.

Tests au sol et en vol du lidar à photon unique

Les chercheurs ont mené une série de tests pour valider les capacités du nouveau système. Un test au sol avant le vol a confirmé l’efficacité de la technique et a montré que le système était capable d’effectuer une imagerie lidar avec une résolution de 15 cm à une distance de 1,5 km avec les paramètres par défaut. Une fois le balayage sous-pixel et la déconvolution 3D mis en œuvre, les chercheurs ont pu démontrer une résolution effective de 6 cm à la même distance.

Les enquêteurs ont également mené des expériences de jour avec le système à bord d’un petit avion pendant plusieurs semaines dans la ville de Yiwu, province du Zhejiang, en Chine. Ces expériences ont révélé avec succès les caractéristiques détaillées de divers reliefs et objets, confirmant la fonctionnalité et la fiabilité du système dans des scénarios réels.

Perspectives d’amélioration et d’application du lidar compact

L’équipe travaille maintenant à améliorer les performances et l’intégration du système, avec pour objectif à long terme de l’installer sur une plateforme spatiale telle qu’un petit satellite. La stabilité, la durabilité et la rentabilité du système doivent également être améliorées avant qu’il ne puisse être commercialisé.

Légende illustration : Un nouveau système lidar aéroporté compact et léger à photon unique pourrait rendre le lidar à photon unique pratique pour les applications aériennes et spatiales telles que la cartographie de terrain en 3D. Crédit : Feihu Xu, University of Science and Technology of China

Article : « Airborne single-photon LiDAR towards small-size and low-power payload » – DOI: 10.1364/OPTICA.518999