美国海军研究新方法，让LiDAR“看穿”模糊元素

2024-10-31上海AR开发专家

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  特别设计的激光系统和基于门控数字全息术的新方法可以让LiDAR能够“看穿”遮蔽的元素（如叶子）。
  当激光在20世纪60年代诞生以后，取名自“Light（光）”和“Radar（雷达）”的LiDAR便因拥有独特的精度而被用于测量时间和距离。LiDAR很快成为了土地调查的标准方法，并且已被用于一系列的传感应用，比如自动驾驶汽车。
  通过使用激光扫描地面（通常是通过飞机），LiDAR可以根据从扫描区域反射回来的光进行时间测量，直接获取高精度三维地表地形数据。
  随着激光和电子技术的发展，LiDAR的能力已经可以克服因真实环境（如动态天气模式）带来的一些限制和模糊效果。通过专门设计的激光系统和基于门控数字全息术的新方法，美国华盛顿特区海军研究实验室的研究现在提供了一种新方法，可以让LiDAR“看穿”其他模糊的地形元素（如叶子）。
  美国海军研究实验室的保罗·列博（Paul Lebow）表示：“这是尝试通过名为叶子穿透LiDAR的东西来解决其中一个问题。你实际上可以用它来检测遮挡背后的三维图像，例如树冠。比方说，你希望在灾难救援情况下寻找陷入麻烦的人，那你可以通过LiDAR照亮叶子，让足够的光线回来并创建一个三维地形图，然后看看其背后是什么情况。”
  在以前，LiDAR难以检测隐藏在叶子后面的表面。就检测来自地面的光线而言，大多数原始光都被丢弃，因为经过叶子的光线在一开始就不会到达地面。此外，被阻挡，在到达地面之前便已经被反射的光线会导致到达相机的信号过强，而确实到达了地面并返回的更弱的信号则被隐藏。
  列博表示：“我们使用名为光相位共轭的处理过程已有一段时间。我们发现这个处理过程可以透过叶片的孔来投射激光束，并且能够看到部分遮挡。这可能是最近五年才可以实现，因为之前的技术尚未成熟。我们在20年前使用的方法涉及非线性光学材料，那是一个困难的处理过程。但现在一切都可以通过数字全息图和计算机生成的全息图实现，而这正是我们所做的。”
  据列博和他的同事艾比·瓦特尼克（Abbie Watnik）的描述，这个新系统使用了专门设计的激光器，而这花费了一年半的时间才最终开发出来。
  瓦特尼克说道：“真正的关键在于传感器上两个激光束之间的干扰。我们把一个激光束发送到目标，然后返回，在其到达探测器的那一刻我们便用另一种激光束将其局部干扰。我们需要光束之间保持完全一致，所以我们必须有一个专门设计的激光系统，以确保在它们彼此干扰时获得一致性。”
  借助宽度仅为几纳米的脉冲激光器发出的脉冲，以及具有类似时间分辨率的门控测量，全息系统可以选择性地阻挡从遮挡处反射而来的最早到达光，然后相机可以只测量从被部分隐藏的表面反射回来的光线。
  列博说：“我们以前使用CW（连续波）激光器做过这个演示，但现在我们正使用脉冲激光器和一个非常快速的门控传感器。这可以在适当的时间开启，让我们得到我们想要的光线。激光器的设计使得本地基准脉冲与从目标返回的信号脉冲之间的时差完全可调，可适应从几英尺到几公里的距离。”
  瓦特尼克补充说：“这意味我们可以在实验室中的桌面设置中，或者是实地中使用这种激光系统，使用与该范围相同的激光器。”
  这个基于实验室的系统已经为潜在的现实价值提供了实质性证据。在把穿孔索引卡作为树叶时，研究人员不仅能够映射索引卡所遮挡的内容，而且他们的建模可以重建“叶子”的拓扑。
  瓦特尼克和列博，以及他们的研究团队希望继续这一项目并对原型进行调整，使这个叶子穿透LiD
  AR系统
  能够准备好进行实地测试。
  列博说：“如果我们得到资金，那将是我们下一个计划。我们还有其他几个后续项目，不是专门针对LiDAR，比如波束控制和其他基于非常相似的属性和原理进行成像的数字全息项目。”