Представьте себе устройство, способное «видеть» сквозь туман, дым и даже маскировочную сетку, создавая при этом детализированные трехмерные изображения объектов на расстоянии в целый километр. Звучит как научная фантастика? Вовсе нет! Международная группа ученых совершила настоящий прорыв в области лазерного сканирования, разработав принципиально новый тип лидара, работающего на уровне… отдельных фотонов.
Что такое лидар и почему он так важен?
Лидар (Light Detection and Ranging) — это технология, которая использует свет для определения расстояния до объектов. Принцип работы прост: лазерный импульс отправляется в направлении цели, отражается от нее и возвращается обратно к детектору. Измеряя время, затраченное светом на этот «путь туда и обратно», можно с высокой точностью определить расстояние. Повторяя эту процедуру для множества точек, лидар создает трехмерную «карту» местности или объекта.
Лидары уже давно используются в самых разных областях: от беспилотных автомобилей и археологии до картографии и метеорологии. Но у традиционных лидаров есть свои ограничения. Им требуется достаточно мощный лазерный луч, а качество изображения может сильно страдать от помех, таких как туман, дым или листва.
В чем же секрет новой разработки?
Главная «фишка» нового лидара — использование сверхчувствительного детектора, способного улавливать буквально единичные фотоны — мельчайшие частицы света. Этот детектор, названный SNSPD (сверхпроводниковый нанопроволочный однофотонный детектор), был разработан совместными усилиями ученых из Массачусетского технологического института и Лаборатории реактивного движения НАСА. Он настолько чувствителен, что позволяет использовать лазеры крайне малой мощности, безопасные для зрения.
(a) Схема системы формирования глубинных изображений на основе времяпролетного метода. Оптоволоконный лазерный источник освещения и однофотонный детектор (SNSPD) подключены к каналам передачи (Tx) и приема (Rx), соответственно, разработанного на заказ моностатического однопиксельного сканирующего приемопередатчика. В качестве сканирующего механизма используется пара гальванометрических зеркал с компьютерным управлением. (b) Аннотированное микроскопическое изображение устройства SNSPD. Оно вытравлено в виде леденцовой структуры размером 2,5 мм на 5 мм, что облегчает выравнивание сердцевины оптического волокна с активной областью SNSPD. Сложенные конические дорожки для согласования импеданса простираются от площадок скрепления (слева на изображении, расстояние между ними 440 мкм) до концов нанопроволочного меандра (справа на изображении). На микроскопическом изображении с большим увеличением (c) показана активная область длиной 25 мкм и шириной 10 мкм, а также концы соединительных конических дорожек. Квадратный контур шириной 50 мкм, расположенный в центре активной области, является периметром антибликового покрытия. График общего IRF системы, полученный при измерении одного пикселя на светоотражающей целевой плате на расстоянии 35 м, показан в (d) — значение временного джиттера FWHM составляет 12,6 пс при рабочей длине волны 1550 нм. Цитирование: Aongus McCarthy, Gregor G. Taylor, Jorge Garcia-Armenta, Boris Korzh, Dmitry V. Morozov, Andrew D. Beyer, Ryan M. Briggs, Jason P. Allmaras, Bruce Bumble, Marco Colangelo, Di Zhu, Karl K. Berggren, Matthew D. Shaw, Robert H. Hadfield, and Gerald S. Buller, «High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors,» Optica 12, 168-177 (2025)
Автор: Aongus McCarthy et al.Источник: opg.optica.org
Но чувствительность — это еще не все. Важнейшую роль играет и временное разрешение системы. Команда под руководством Аонгуса Маккарти из Университета Хериот-Уатт добилась невероятной точности измерений — до триллионных долей секунды (пикосекунд)! А что такое пикосекунда? Чтобы понять насколько это быстро, достаточно сказать, что за 1000 пикосекунд свет проходит всего 30 сантиметров! Такая точность позволяет различать мельчайшие детали объектов на большом расстоянии.
Результаты измерений 3D-печатной мишени в виде столба (подробная информация о макете приведена в разделе S2 Дополнения 1 здесь и далее см. ориг. исследование) на расстоянии 45 м при дневном свете (около 40 клк, средняя скорость счета фона — около 17 клк/с). Окраска изображений используется для отображения глубины или интенсивности (см. соответствующую полосу цветовой шкалы). Область размером 275*275 мм сканировалась с разрешением 256*256 пикселей при времени захвата одного пикселя 1 мс, средней оптической выходной мощности 125 мкВт и фокусном расстоянии объектива 500 мм — это фокусное расстояние дало теоретический геометрический диаметр пятна около 2,5 мм для каналов Tx и Rx: (a) и (b) показывают изображение глубины с лицевой и косой стороны, соответственно; изображение интенсивности с лицевой стороны показано в (c). Большинство столбов высотой 1 мм хорошо видны на графиках глубины, а на косом изображении глубины крупным планом (d) можно различить глубины до 0,5 мм для трех самых больших по диаметру глухих отверстий (11,3, 8 и 5,7 мм). Что касается пространственного разрешения, то видны глубины для столбов диаметром 2 мм, а для столбов диаметром 8 мм и более на всех высотах получен почти круговой контур. Цитирование: Aongus McCarthy, Gregor G. Taylor, Jorge Garcia-Armenta, Boris Korzh, Dmitry V. Morozov, Andrew D. Beyer, Ryan M. Briggs, Jason P. Allmaras, Bruce Bumble, Marco Colangelo, Di Zhu, Karl K. Berggren, Matthew D. Shaw, Robert H. Hadfield, and Gerald S. Buller, «High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors,» Optica 12, 168-177 (2025)
Автор: Aongus McCarthy et al.Источник: opg.optica.org
«Глаза» и «мозг» системы
Чтобы добиться таких впечатляющих результатов, ученые объединили SNSPD-детектор с уникальным сканирующим трансивером, разработанным в Университете Хериот-Уатт. Трансивер — это, по сути, «глаза» системы, которые отправляют и принимают лазерные импульсы. Он работает на длине волны 1550 нм, что открывает перспективы для создания лидаров, способных «видеть» в среднем инфракрасном диапазоне — а это, в свою очередь, еще больше расширит возможности системы по преодолению помех, таких как туман и дым.
Измерения глубины и интенсивности одного из соавторов (GGT), полученные при дневном свете на расстоянии 45 м с использованием времени захвата одного пикселя 1 мс и средней выходной оптической мощности около 200 мкВт, освещающей каждый пиксель. (a) показывает фотографию GGT в положении на расстоянии 45 м, сидящего на фоне фанерной доски — это изображение было сделано с помощью цифровой камеры с объективом с фокусным расстоянием 500 мм, которая была установлена рядом с приемопередатчиком. При использовании объектива SWIR с фокусным расстоянием 500 мм в качестве объектива приемопередатчика была отсканирована область размером примерно 310*310 мм с 256*256 пикселями, в результате чего пиксели были расположены с шагом примерно 1,2 мм. Соответствующие графики глубины и интенсивности проанализированных данных показаны на рисунках (b) и (c), соответственно, причем для обозначения глубины и интенсивности используется цвет. График интенсивности, показанный в (c), подчеркивает очень низкую отдачу от кожи человека по сравнению с материалами одежды и фанерной плиты (разница более чем на порядок для одинаковых углов падения). Наклонный вид профиля глубины показан на рисунке (d) — благодаря миллиметровой глубине и пространственному разрешению системы мелкие детали, такие как пуговицы на воротнике одежды, видны как на графиках глубины, так и на графиках интенсивности. Цитирование: Aongus McCarthy, Gregor G. Taylor, Jorge Garcia-Armenta, Boris Korzh, Dmitry V. Morozov, Andrew D. Beyer, Ryan M. Briggs, Jason P. Allmaras, Bruce Bumble, Marco Colangelo, Di Zhu, Karl K. Berggren, Matthew D. Shaw, Robert H. Hadfield, and Gerald S. Buller, «High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors,» Optica 12, 168-177 (2025)
Автор: Aongus McCarthy et al.Источник: opg.optica.org
Немаловажную роль играет и «мозг» системы — передовое оборудование для измерения времени и программное обеспечение для обработки данных. Благодаря слаженной работе всех компонентов, лидар способен за считанные миллисекунды создавать детализированные 3D-изображения, даже если объект находится за препятствием, например, за листвой или маскировочной сеткой.
Испытания в реальных условиях
Ученые не ограничились лабораторными тестами и провели серию полевых испытаний на территории кампуса Университета Хериот-Уатт. Результаты впечатляют: система успешно распознавала детали размером в миллиметр на расстоянии до 325 метров, а также создавала 3D-модели человеческого лица, затрачивая на каждый пиксель изображения всего одну миллисекунду!
Измерение профиля глубины мачты связи, расположенной в 1,0 км от приемопередатчика, проведенное при дневном свете. Изображения мачты, показанные на рисунках (a) и (d), были получены с помощью камер, установленных рядом с объективом приемопередатчика: (a) — с помощью цифровой зеркальной камеры с объективом с фокусным расстоянием 500 мм, а (d) — с помощью SWIR-камеры, установленной на телескопе с фокусным расстоянием 1370 мм — на этом изображении видно пятно подсветки, сканирующее сцену. Использовалась средняя оптическая выходная мощность 2,9 мВт и время захвата одного пикселя 10 мс, а также телескоп с фокусным расстоянием 2000 мм в качестве объектива приемопередатчика. Область размером примерно 1,4*1,4 М, как показано в (a) и (b), была отсканирована с помощью 128*128 пикселей, в результате чего пиксели были расположены с шагом примерно 11 мм. На рисунке (c) показан график глубины этой некооперативной цели, полученный путем анализа данных гистограммы для каждого пикселя с использованием метода кросс-корреляции и последующего применения к изображению глубины базового фильтра обесцвечивания. Цитирование: Aongus McCarthy, Gregor G. Taylor, Jorge Garcia-Armenta, Boris Korzh, Dmitry V. Morozov, Andrew D. Beyer, Ryan M. Briggs, Jason P. Allmaras, Bruce Bumble, Marco Colangelo, Di Zhu, Karl K. Berggren, Matthew D. Shaw, Robert H. Hadfield, and Gerald S. Buller, «High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors,» Optica 12, 168-177 (2025)
Автор: Aongus McCarthy et al.Источник: opg.optica.org
Какие перспективы открывает новая технология?
Потенциал однофотонного лидара огромен. Он может найти применение в самых разных сферах:
Безопасность: обнаружение скрытых объектов, наблюдение сквозь дым и туман, распознавание лиц на большом расстоянии.
Мониторинг: контроль состояния зданий и сооружений, выявление оползней и других опасных геологических процессов.
Дистанционное зондирование: создание высокоточных карт местности, исследование лесов и других природных объектов.
Беспилотный транспорт: улучшение систем навигации и предотвращения столкновений.
Пока что дальность действия системы ограничена одним километром, но исследователи уверены, что это только начало. В планах — увеличение дальности до 10 километров и дальнейшее совершенствование возможностей по работе в сложных условиях. Однофотонный лидар — это не просто шаг вперед, это настоящий технологический прорыв, который может изменить наш мир.
