08/05/2023
Door Ad Spijkers
Gevoelige beeldvormingsbenadering zou bewaking in troebel water mogelijk kunnen maken
Schotse onderzoekers hebben een prototype van een lidar-systeem gedemonstreerd dat kwantumdetectietechnologie gebruikt om 3D-beelden te verkrijgen terwijl het onder water is. Door de hoge gevoeligheid van dit systeem kan het gedetailleerde informatie vastleggen, zelfs bij extreem weinig licht onder water.
De technologie kan nuttig zijn voor een breed scala aan toepassingen.Ze kan bijvoorbeeld worden gebruikt om onderwaterinstallaties te inspecteren, zoals de kabels van windmolenparken onder water en de onderwaterstructuur van de turbines. Onderwaterlidar kan ook worden gebruikt voor het bewaken of onderzoeken van ondergedompelde archeologische vindplaatsen en voor beveiligings- en defensietoepassingen.
Weinig licht
Het verkrijgen van 3D-beelden door oceaanwater kan een uitdaging zijn omdat het licht beperkt is en alle deeltjes in het water het licht zullen verstrooien en het beeld zullen vervormen. Detectie van één foton, een op kwantum gebaseerde techniek, maakt echter een hoge penetratie mogelijk en werkt zelfs bij weinig licht.
Onderzoekers van Heriot-Watt University in Edinburgh en de University of Edinburgh voerden experimenten uit waarbij een volledig single-photon lidar systeem werd ondergedompeld in een grote watertank. De demonstraties brengen de technologie dichter bij praktische toepassingen in vergelijking met de eerdere experimenten met detectie van enkelvoudige fotonen onder water. Deze werden uitgevoerd in zorgvuldig gecontroleerde laboratoriumomstandigheden met de optische opstelling buiten de watertank en data-analyse offline uitgevoerd.
De onderzoekers implementeerden ook nieuwe hardware- en softwareontwikkelingen waarmee de 3D-beelden die door het systeem zijn verkregen, real-time kunnen worden gereconstrueerd. Het onderzoek heeft tot doel kwantumdetectietechnologieën beschikbaar te maken voor onderwatertoepassingen. Beoogde objecten zijn hierdoor bij zeer weinig licht weer te geven. Dit is een uitkomst voor offshore kabel- en energie-installaties. Deze technologie zou bewaking mogelijk kunnen maken zonder de aanwezigheid van mensen, wat zou leiden tot minder vervuiling en een minder invasieve aanwezigheid in het mariene milieu.
Snellere detectie
Lidar-systemen maken afbeeldingen door te meten volgens het principe van 'time of flight'. In het onderzoek probeerden de wetenschappers een manier te ontwikkelen om 3D-beelden te verkrijgen van objecten die worden verduisterd door troebel water. Deze zullen niet zichtbaar zijn voor conventionele lidar-beeldvormingssystemen.
De onderzoekers ontwierpen een lidar-systeem dat een groene gepulseerde laserbron gebruikt om de betreffende scène te verlichten. De gereflecteerde gepulseerde verlichting wordt gedetecteerd door een reeks detectoren met één foton. Hierdoor is snelle detectie bij weinig licht mogelijk en wordt de meettijd verkort in omgevingen met weinig fotonen.
Door time-of-flight-metingen te doen met een resolutie van picosecondes, kunnen de onderzoekers routinematig millimeterdetails van de objecten vastleggen. Door hun aanpak kunnen ze fotonen die worden gereflecteerd door het object onderscheiden van de fotonen die worden gereflecteerd door deeltjes in het water. Dit maakt de technologie geschikt voor het maken van 3D-beelden in zeer troebel water waar optische verstrooiing het beeldcontrast en de resolutie kan ruïneren."
Uitdaging
Voor deze aanpak zijn duizenden enkelvoudige fotonendetectoren nodig, die allemaal vele honderden gebeurtenissen per seconde produceren. Dit maakt het uitdagend om de gegevens op te halen en te verwerken die nodig zijn om in korte tijd het 3D-beeld te creëren, vooral voor real-time toepassingen. Om dit probleem op te lossen, ontwikkelden de onderzoekers algoritmen specifiek voor beeldvorming in sterk verstrooide omstandigheden. Ze pasten deze toe in combinatie met algemeen beschikbare hardware voor grafische verwerkingseenheden (GPU's).
De nieuwe techniek bouwt voort op enkele belangrijke technologische ontwikkelingen. Heriot-Watt University heeft een lange staat van dienst op het gebied van enkelvoudige fotonendetectietechnieken en beeldverwerking van enkelvoudige fotonengegevens, waardoor we geavanceerde enkelvoudige fotonbeeldvorming konden demonstreren in extreem uitdagende omstandigheden.
De Universiteit van Edinburgh heeft fundamentele vooruitgang geboekt in het ontwerp en de fabricage van 'single photon lawine diode detector arrays', waardoor de onderzoekers compacte en robuuste beeldvormingssystemen konden bouwen op basis van kwantumdetectietechnologieën."
Onderwatertesten
Na de optische opstelling in het laboratorium te hebben getest, hebben de onderzoekers het lidar-systeem aangesloten op een GPU. Doel was om real-time verwerking van de data te realiseren, terwijl ze ook een aantal beeldverwerkingsbenaderingen voor driedimensionale beeldvorming implementeerden. Toen het systeem eenmaal goed werkte, verplaatsten ze het naar een tank van 4 m lang, 3 m breed en 2 m diep.
Met het systeem ondergedompeld in het water, voegden de onderzoekers gecontroleerd een verstrooiingsmiddel toe om het water troebeler te maken. Experimenten met drie verschillende troebelheidsniveaus toonden succesvolle beeldvorming aan in scenario's met gecontroleerde sterk verstrooide lucht op afstanden van 3 m.
Single-photon technologieën ontwikkelen zich snel en hebben veelbelovende resultaten laten zien in onderwateromgevingen. De algoritmen voor nadering en beeldverwerking kunnen ook worden gebruikt in een breder scala aan scenario's voor beter zicht in de vrije ruimte, zoals in mist, rook of andere verduisterende stoffen.
De onderzoekers werken nu aan het verkleinen van het systeem, zodat het kan worden geïntegreerd in een onderwatervoertuig. Via het UK Quantum Technology Hub Network en InnovateUK werken de onderzoekers samen met de industrie om de technologie toegankelijk te maken voor een reeks onderwatertoepassingen.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Ill.: Aurora Maccarone, Heriot-Watt University