El laboratorio de control de GE Energy en Niskayuna solía ser el hogar de algunos equipo láser Mantuvieron el letrero (presumiblemente para asustar a los visitantes).
Las imágenes Lidar han existido durante casi tanto tiempo como La tecnología en la que se basa, el láser. Pero a diferencia de su más famoso primo, radar, se utilizaba principalmente para fines de investigación. La razón los científicos saben mucho sobre la densidad de aerosoles en la parte superior la atmósfera se debe en gran medida a la práctica de disparar poderosos láser en la atmósfera y examinando la señal de retorno. Ese resume la diferencia clave entre lidar y radar: lidar opera con una longitud de onda más corta para que, en principio, pueda detectar y (a veces) crea imágenes de objetos más pequeños, como partículas de aerosol.
Esta diferencia ahora se ha dado una demostración espectacular, con investigadores que imaginan el perfil de una bala de rifle de aire en vuelo con una resolución de aproximadamente un micrómetro (un rifle de aire comprimido) la bala mide aproximadamente 5 mm de largo). Mientras que los rifles de aire tienen un nivel bastante bajo velocidad del hocico, los investigadores podrían haber fotografiado la bala de un arma de fuego con una velocidad de boca muy alta y todavía tenía una resolución de unos 10 micrómetros.
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Dos láseres que no son gemelos.
Los sistemas lidar anticuados (e incluso los más nuevos) funcionan en El probado y verdadero principio del tiempo de vuelo. Básicamente, envías emitir un pulso de luz y registrar el tiempo que lleva recibir un eco. Este es un sistema bastante simple, siempre que no quieras Buena precisión de distancia.
Para ponerlo en perspectiva, un amigo mío construyó un sistema LIDAR para mediciones en aerosol. Sus pulsos emitidos por láser que estaban a punto cinco nanosegundos (un nanosegundo es una milmillonésima de segundo) en duración, lo que le da, en el mejor de los casos, una resolución de distancia de aproximadamente un metro. Teniendo en cuenta que estaba estudiando aerosoles en la parte superior atmósfera, una resolución de un metro estaba bien.
Tampoco es tan difícil hacer pulsos de luz que son considerablemente más corto Una vez trabajé con un láser que tenía un 35 duración del pulso de femtosegundos (un femtosegundo es una mil millonésima parte de un segundo, 10-15s), que lo haría, si lo hubiera usado para lidar, me dio una resolución de distancia de unos cinco micrómetros. Excepto que no lo habría hecho. El problema es que la luz electrónica Los detectores no son lo suficientemente rápidos. En el lado del detector, el pulso de 35fs se registra como un pulso 0.5ns, unas 15,000 veces más largo. Si el el pulso rebota en un objeto como una bala, puedo ver el reflexión, pero el cambio en la forma del pulso, que contiene información sobre la forma de la bala, es arrastrada por la lentitud electrónica.
Hemos construido buenos sistemas ópticos que pueden medir cambios en distancia en el rango del picómetro (10-12m) usando interferómetros: si toma detectores de ondas gravitacionales como su estándar, podemos hacerlo 10 millones de veces mejor que un picómetro. los diferencia entre estos sistemas y un sistema lidar de tiempo de vuelo es que los interferómetros comparan la luz que se refleja del Objeto a la luz que recorre una distancia fija. Medimos el diferencia en las dos distancias por la interferencia entre los dos haces de luz.
El único posible bloqueo es que si el objeto cambia su distancia por exactamente una longitud de onda, la señal de la La interferencia se ve exactamente igual. En distancias cortas, como en un microscopio, esto puede ser tratado. Pero para largas distancias y objetos grandes, el problema de determinar los cambios de distancia que son mayor que la longitud de onda de la luz se vuelve realmente difícil.
La solución, al parecer, es combinar el tiempo de vuelo y interferometría
Los láseres que producen pulsos de luz muy cortos son muy especiales. En términos de tiempo, producen una serie muy regular de cortos, pulsos de luz agudos. Pero si miras la luz que el láser emite, no es un solo color. De hecho, si estuvieras dispuesto a sacrifica un ojo mirando la salida de tal láser, tu ojo (brevemente, antes de quedar ciego) lo percibiría como el blanco luz de una lámpara de escritorio.
Las apariencias serían engañosas. Mientras el láser emite muchos, muchos colores, no produce un espectro suave. En cambio, cada color es un color puro claramente definido, y cada uno está separado de su vecino por una frecuencia fija. Es esta propiedad: un pulso de luz que se compone de una gran cantidad de elementos distintos y precisos colores separados, que proporcionan la clave para un rango preciso.
Luces, CAMARA, ACCION
Para llevar a cabo mediciones con esta precisión, se requería un Sistema láser completamente nuevo. Y los investigadores realmente usan dos copias del mismo sistema láser. No entraré en detalles aquí, aparte de decir que la técnica que usan genera pulsos que son ambos muy corto y tiene una frecuencia de repetición de pulso muy alta, aproximadamente 100 GHz, aunque los dos láseres tienen una repetición ligeramente diferente frecuencias También tienen un espacio ligeramente diferente entre los colores.
El procedimiento de medición es un poco complicado, pero aquí hay un resumen de la misma. Tenemos dos láseres que llamaré el rango láser y el láser de referencia. Si esos dos haces de luz brillan juntos en un fotodetector, el resultado depende de si los pulsos se superponen en el tiempo. Cuando los pulsos de los dos láseres no superposición, el fotodiodo emite dos frecuencias de microondas señales: una correspondiente a la brecha entre los colores en el rango láser y el otro desde el espacio en el láser de referencia. Cuando el los pulsos de los dos láseres se superponen, dos radios adicionales aparecen las frecuencias: estas dos nuevas frecuencias corresponden a la separación entre los colores de los dos láseres diferentes.
Los láseres tienen frecuencias de repetición de pulso ligeramente diferentes, así que con el tiempo, la salida del fotodiodo oscila desde produciendo dos señales para producir cuatro y viceversa. La fase de esta oscilación nos habla sobre la superposición entre los dos pulsos.
Y esto es exactamente lo que usan los investigadores para determinar distancia a un objeto. El láser de alcance se refleja en un objeto, y la señal de retorno se mezcla con el láser de referencia. Dependiendo de la superposición entre los dos pulsos, la distancia a un El objeto se puede determinar con una precisión de entre 250 nm y 12 nm (dependiendo de cuánto tiempo promedian los investigadores). De hecho, depende de la fase de esta oscilación de superposición en comparación con una señal de referencia que es generada por la luz que nunca sale del sistema.
�Qué tan rápido puede actualizar la posición del objeto? Eso depende en la velocidad de la oscilación de superposición, que es de aproximadamente 100MHz, lo que significa una actualización cada 10ns. El promedio aumenta la precisión mientras sacrifica la velocidad de imagen. Con la mayor precisión, el la posición se actualiza cada 13 microsegundos.
El sistema lidar combina lo mejor de un lidar de tiempo de vuelo con el mejor de los sensores interferométricos. Desafortunadamente, también combina sus desventajas. En la configuración actual, los pulsos de el láser de rango está separado por aproximadamente 1.5 mm. Si la distancia a un objeto es un múltiplo de eso, entonces la señal se ve exactamente mismo. Hay maneras de arreglar eso, pero esas mejoras tendrán esperar una iteración futura.
Necesitarás más que una tarjeta dorada para esto
Esta técnica requiere un equipo impresionante. Los láseres ellos mismos son bastante mundanos y se basan ampliamente en componentes utilizado en sistemas de comunicación por fibra óptica. Los pulsos muy cortos son generados por la luz guía en un pequeño anillo, llamado microring resonador, en un chip de vidrio. Aunque estas microring particulares los resonadores no están disponibles comercialmente, se fabrican utilizando Técnicas de fabricación estándar: una oblea es costosa, pero Tiene muchos anillos.
Es el detector de luz, y la forma en que los investigadores detectan y procesar las frecuencias de radio del detector de luz, que toma mi aliento Para usar esto para uno de los más comunes de LIDAR aplicaciones, estaríamos hablando de duplicar el costo de su Sueño vehículo autónomo.
Los investigadores esbozan la impresión de un artista sobre cómo un uso El sistema puede verse. En su imagen, todo el sistema funciona con un par de láseres de diodo, versiones ligeramente más caras del Láseres utilizados en reproductores de CD. Estos están acoplados directamente a la dispositivos que crean pulsos muy cortos: el pequeño chip de vidrio que contiene resonadores microring, y a partir de ahí, la luz se apaga fuera del sistema de alcance.
Los investigadores sugieren que todos los detectores caros y El equipo de procesamiento de señal se puede reemplazar con un campo matriz de compuerta programable (FPGA) y un convertidor de analógico a digital. En principio, eso es correcto. Pero el detector es la razón por la cual su alcance de muestreo digital (nada más que unos pocos FPGA, un convertidor analógico a digital y una etiqueta de precio chapada en oro) es así costoso. Sinceramente, no creo que esto sea razonablemente sistema lidar con precio en cualquier momento pronto.
La otra parte que los investigadores mencionan de pasada es que Actualmente, este sistema no puede ser alimentado por diodos láser. De hecho, en el sistema de investigación, usan un láser razonablemente potente para condúzcalo. Los investigadores piensan que este problema puede resolverse mediante mejorando la fabricación de los anillos de vidrio. Conozco empresas que he estado trabajando en ese problema por algún tiempo y mejoras son lentos y tienen el costo de muchas ideas fallidas.
En resumen, este trabajo es hermoso, pero podría pasar un tiempo antes puedes ser expulsado del lote usándolo.
Science, 2018, DOI: 10.1126 / science.aao3924
