三维激光成像仪进展情况分析

国际金属加工网 2017年05月23日

激光雷达成像可以提供清晰图像,之前的激光雷达技术在夜间于13600英尺的高度(4145米高度),18秒内就获得了停放航天飞机的肯尼迪航天中心内200米*200米的清晰图像。

机载激光扫描在过去几年中已经生成了清晰的地图,比如利用它透过丛林遮蔽扫描出吴哥窟城市遗迹的街道网格,而对面积370公里的区域绘制分辨率为1米的图像需要直升机飞行20小时完成。

位于马萨诸塞州贝德福德的汉斯科姆空军基地中,一架庞巴迪的涡桨飞机运用了该项技术,机身拥有一个新兴的激光雷达(光探测和测距)3-D成像系统,吴哥窟的扫描工作只需要半个小时左右即能完成。该系统由联邦政府资助的林肯实验室开发,该实验室由麻省理工学院运营。

激光雷达系统发射激光并检测反射的光子,通过回程的时间差探测距离,实现3D成像。新的成像系统核心是一个微型集成电路片,包含超过16384个像素组,每个像素组处理一个光子。每个像素组与光学镜片一一对应,能够实现区域成像。费尔德表示这些单光子探测器组成的阵列能够非常迅速地映射宽领域。

目前的机载激光雷达中,各个探测器不是很敏感,只能靠机械移动来监测激光的反射来获得更宽的视野。目前该系统生成的图像尚未公开,采用上一代该技术的系统于四年前制成,其像素组仅为目前的四分之一。该系统于2010年1月调往海地地震灾区执行人道救援任务。该系统能在10000英尺以上的空中对600平方米的区域快速成像,并能分辨尺寸约30厘米散落在城市街道的瓦砾。激光雷达已经在吴哥窟使用的系统上,工作速度约提升四倍并可以捕获更多的细节。据估计,在汉斯科姆空军基地的最新系统处理速度应该在十倍以上,并能生成更大的地图。

这个技术采用铟镓砷半导体,其工作在红外光谱中在一个相对长的波长,并能够采用更大的功率,因此延长增大激光扫描的范围。在过去十年中,像素阵列是依据单个光子的检测而建立的。在大多数情况下,成像系统仅限于政府和军队的任务中使用,如快速绘制阿富汗的崎岖地形来寻找直升机机组着陆的区域(要求分辨率达到1米)。

该技术目前已授权两家公司,分别是普林斯顿光波公司、波音公司旗下的Spectrolab公司。去年普林斯顿光波公司在海地成功实现了技术的商业化,产品如鞋盒大小,主要针对国防承包商市场,其初始价格约为15万美元。

随着芯片制造工艺的提高和价格的降低,该技术能够运用在更多的领域,包括冰川学、农业、考古学等方面,甚至能用于自动驾驶汽车。普林斯顿光波公司的CEO埃特泽表示,眼下汽车激光雷达的商业版本仅能探测几米,而成本却高达3万美元,还需要一个笨重的机械设备。虽然目前汽车有许多不同类型的雷达,铟镓砷方法有一个长期的优势,它可以安全地被上升到非常高的功率电平。当前系统使用的硅,只能在可见光的频率范围内运行。因此,需要将电压升到足够高,能够在雾天探测到200米外的动物,这种光照对眼部是有影响的。对于眼睛的安全是汽车供应商长期关注的问题,他们对于拥有更安全波长的单光子探测更感兴趣。

无论该技术是否运用于汽车,省去一些可动部件、开发更大的单光子探测器阵列最终将带来3-D图像的价格革命。发射阵列的新进展可以更容易发射激光。去年《自然》杂志中报道了来自麻省理工学院的研究人员开发出64*64的硅阵列,所发射的激光可以照射到任一用户想要的位置,并且可以通过芯片调节电压。


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