چینی‌ها با استفاده از لیدار از 45 کیلومتری تصویر سه‌بعدی گرفتند

عکاسی از فاصله دور روی کره زمین چالش دشواری است. دریافت نور کافی از سوژه‌ای در فاصله دور کار ساده‌ای نیست. حتی در صورت ثبت نور کافی نیز جو زمین پرتوهای نور را منحرف و تصویر را خراب می‌کند؛ آلودگی هوا هم که از مشکلات عمده شهرهاست تاثیر مخربی بر تصویر دارد. وقتی فاصله دوربین تا موضوع از چند کیلومتر فراتر می‌رود، این عوامل رخ می‌نمایانند.

اما در سال‌های اخیر، پژوهشگران با بهره‌گیری از نوریاب‌ها یا حسگرهای نوری دقیق، نتایج بهتری گرفته‌اند. این حسگرهای نوری چنان حساس هستند که می‌توانند هر یک از ذرات فوتون را گرفته و با کنار هم چیدن آن‌ها، از 10 کیلومتر دورتر تصویر ثبت کنند.

با این‌حال، فیزیکدان‌ها دوست دارند کار خود را باز هم ارتقا دهند. لذا اکنون، «جنگ‌پینگ لی¹» و همکارانش در دانشگاه علم و فناوری چین در شانگهای موفق شده‌اند در هوای غبارآلود شهر از موضوعاتی در فاصله 45 کیلومتری عکس بگیرند. آن‌ها در این روش، از حسگرهای نوری یا در واقع تک‌فوتون‌یاب‌هایی بهره می‌برند که هر ذره ‌فوتون‌ را تشخیص می‌دهند و می‌توانند آن را جذب کنند. آن‌ها همچنین از الگوریتمی استفاده می‌کنند که کار آن، تصویربرداری رایانشی است و با به‌هم بافتن داده‌های مجزا تصویر نهایی را شکل می‌دهد.

(در تصویربرداری رایانشی یا computational imaging، تصاویر به‌صورت غیرمستقیم یعنی با استفاده از الگوریتم‌هایی شکل می‌گیرند که کار آن‌ها سنجش و اندازه‌گیری است. فرآیند مذکور نیازمند رایانش یا محاسبات قابل‌توجهی است.)

این شیوه جدید اصول تقریبا ساده‌فهمی دارد. در این روش از دامنه‌یابی و تشخیص لیزری استفاده می‌شود که اصطلاحا به آن لیدار² می‌گویند؛ یعنی پرتو لیزر به موضوع می‌تابد و از انعکاس این پرتوها تصویر ساخته می‌شود.

مزیت بزرگ این نوع تصویربرداری فعال این است که فوتون‌های منعکس شده از موضوع، در محدوده زمانی مشخصی که به فاصله بستگی دارد، به حسگر نوری بازمی‌گردند. لذا هر فوتون که خارج از این محدوده زمانی به حسگر نوری برسد کنار گذاشته می‌شود.  

با این ترفند، نویز ناشی از فوتون‌های ناخواسته که از جاهای دیگر محیط به حسگر نوری می‌رسند، به‌طرز چشمگری کاهش می‌یابد. همچنین، حساسیت سیستم‌های لیدار و دقت آن‌ها بسته به فاصله بسیار زیاد می‌شود.

جنگ‌پینگ و همکارانش برای بهبود هرچه بیشتر عملکرد این سامانه در محیط‌های شهری، از لیزر فروسرخ با طول موج 1550 نانومتر با نرخ تکرار 100 کیلوهرتز و قدرت 120 میلی‌وات بهره برده‌اند‌. این طول موج برای چشم بی‌خطر است و به گروه اجازه می‌دهد تا فوتون‌های خورشیدی را فیلتر کنند، زیرا فیلتر نشدن فوتون‌های خورشیدی، حسگر نوری را مختل می‌کند.

دانشمندان چینی، هم برای ارسال و هم دریافت فوتون‌ها از وسیله یکسانی استفاده می‌کنند که یک دستگاه تلسکوپ نجومی معمولی با منفذ 280 میلی‌متری است. برای شناسایی فوتون‌های بازتابی نیز از تک‌فوتون‌یابی بهره می‌برند که در بازار موجود است. این دانشمندان برای تشکیل تصویر، محدوده دید را با استفاده از آینه کنترل پیزو که می‌تواند به بالا، پایین یا طرفین کج ‌شود، اسکن می‌‌کنند.

بدین سان تصویر دوبعدی ساخته می‌شود، اما آن‌ها با تغییر دادن محدوده زمانی، فوتون‌های منعکس‌شده از فواصل مختلف را نیز دریافت می‌کنند و تصویر سه‌بعدی می‌سازند.  

دیگر پیشرفت‌ جالب این گروه، ساخت الگوریتمی بود که با دریافت داده‌های فوتونی اجزای تصویر را به هم می‌بافد تا تصویر نهایی شکل بگیرد. این نوع تصویربرداری رایانشی که طی سال‌های اخیر پیشرفت سریعی داشته است، به محققان اجازه می‌دهد از مجموعه داده‌های نسبتا کوچک تصویر بسازند.  

گروه جنگ‌پینگ دوربین جدیدشان را روی طبقه بیستم ساختمانی در جزیره چونگ‌مینگ شانگهای مستقر کرد و آن را به‌سمت ساختمان هوانوردی شهری چودونگ، حدود 45 کیلومتر دورتر در آن‌سوی رودخانه نشانه رفت.

تصاویری که با تلسکوپ عادی گرفته شدند چیزی جز نویز نشان نمی‌دادند. اما با شیوه جدید، تصاویری با وضوح فضایی 60 سانتی‌متر به دست آمد که حتی پنجره‌های ساختمان نیز در آن پیدا بود. گروه جنگ‌پینگ می‌گوید، این نتیجه، قابلیت فوق‌العاده سامانه لیدار تک‌فوتون‌یاب فروسرخ را در ثبت تصویر از میان مه‌دود نشان می‌دهد.

وسیله‌ای که آن‌ها ساخته‌اند تقریبا به‌اندازه یک جعبه کفش است و آن‌طور که می‌گویند، باز هم ارتقاپذیر است. گروه جنگ‌پینگ می‌گوید، این سامانه اگر ارتقا پیداکند، می‌تواند از فاصله چندصدکیلومتری هم تصویر بگیرد.

پی‌نوشت:

1. Zheng Ping Li
2. LiDAR مخفف Light Detection and Lighting