تصویربرداری از اعماق تاریک اقیانوس با لیدار کوانتومی

پژوهشگران دانشگاه هریوت-وات(Heriot-Watt) و دانشگاه ادینبرو(Edinburgh) در یک پیشرفت قابل توجه صنعتی، یک سیستم لیدار(LIDAR) را توسعه داده‌اند که از فناوری تشخیص کوانتومی برای به دست آوردن تصاویر سه بعدی در لحظه در حالی که کاملاً در زیر آب غوطه‌ور است، استفاده می‌کند و می‌تواند اطلاعات سه بعدی و جزئی را حتی در شرایط بسیار کم‌نور زیر آب ثبت کند.

لیدار یا لایدار یکی از فناوری‌های سنجش از راه دور است که با تاباندن لیزر به هدف و تجزیه و تحلیل نور بازتاب‌شده، فاصله را اندازه می‌گیرد. لیدار مشابه رادار است که بعضی اوقات نیز رادار لیزری نامیده می‌شود. اختلاف اصلی لیدار و رادار، طول موج‌های تابشی مورد استفاده است. رادار از طول موج‌هایی در ناحیه رادیویی استفاده می‌کند در حالی که لیدار طول موج‌های لیزری را به کار می‌برد.

روش متداول برای تعیین فاصله تا یک جسم یا سطح، مانند فناوری رادار که از امواج رادیویی استفاده می‌کند و فاصله تا جسم با اندازه‌گیری اختلاف زمانی بین ارسال پالس و دریافت پالس بازتابی تعیین می‌کند، استفاده از پالس‌های لیزر است. فناوری لیدار در زمین‌سنجی ، ژئوماتیک، زمین‌شناسی، زمین ریخت شناسی، لرزه سنجی، جنگل‌داری، ارزیابی فاصله دور و فیزیک هواشناسی کاربرد دارد.

غوطه‌ور کردن سیستم‌های لیدار در آب کار آسانی نیست، زیرا آب می‌تواند نور را محدود و ذرات را پراکنده کند و این، گرفتن تصاویر واضح را دشوار می‌کند. با این حال، تشخیص تک فوتون که یک تکنیک مبتنی بر کوانتوم است، اجازه نفوذ بسیار بالا را می‌دهد و حتی در شرایط نور کم نیز کار می‌کند.

پژوهشگران در آزمایش‌های اخیر خود که در مجله Optics Express توضیح داده شده است، یک سیستم لیدار تک فوتونی را در یک مخزن بزرگ آب قرار دادند تا یک تصویر سه‌بعدی در لحظه از صحنه مورد نظر آنها ایجاد کنند. این فناوری به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا صحنه را حتی در شرایط نور کم تصویر کنند که یک مزیت قابل توجه برای کاربردهای زیر آب است.

این سیستم لیدار جدید از یک منبع لیزر پالسی سبز برای روشن کردن صحنه مورد نظر استفاده می‌کند و مجموعه‌ای از آشکارسازهای تک فوتونی نور منعکس شده را تشخیص می‌دهند که امکان تشخیص فوق سریع در شرایط نور کم را فراهم می‌کند و زمان اندازه‌گیری را در محیط‌های کم‌فوتون مانند آب تا حد زیادی کاهش می‌دهد.

پژوهشگران با اندازه‌گیری زمان رفت و برگشت نور با زمان‌بندی پیکوثانیه می‌توانند به طور معمول جزئیات میلی‌متری اهداف موجود در صحنه را تصویر کنند.

این رویکرد همچنین به آنها اجازه می‌دهد فوتون‌های منعکس‌شده توسط هدف را از فوتون‌های منعکس‌شده توسط ذرات در آب تشخیص دهند و به ویژه برای انجام تصویربرداری سه‌بعدی در آب‌های بسیار کدر که پراکندگی نوری می‌تواند کنتراست(تضاد) و وضوح تصویر را از بین ببرد، مناسب است.

کاربردهای لیدار کوانتومی

این واقعیت که این رویکرد به هزاران آشکارساز تک فوتونی نیاز دارد که همگی صدها رویداد در ثانیه تولید می‌کنند، بازیابی و پردازش داده‌های لازم برای بازسازی تصویر سه‌بعدی در زمان کوتاه، به ‌ویژه برای کاربردهای زنده و در لحظه را بسیار چالش‌برانگیز می‌کند. با این حال، این گروه پژوهشی الگوریتم‌هایی را به طور خاص برای تصویربرداری در شرایط پراکندگی بالا توسعه داده و آنها را در ارتباط با سخت افزار واحد پردازش گرافیکی(GPU) استفاده کرده است.

آرورا ماکارون، پژوهشگر دانشگاه هریوت-وات، کاربردهای بالقوه این فناوری را این گونه توضیح می‌دهد: این فناوری می‌تواند برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مفید باشد. به عنوان مثال می‌توان از آن برای بازرسی تاسیسات زیر آب، مانند کابل‌های مزرعه بادی زیر آب و ساختار توربین‌ها زیر آب استفاده کرد. لیدار زیر آب همچنین می‌تواند برای نظارت یا بررسی سایت‌های باستان‌شناسی زیر آب و برای کاربردهای امنیتی و دفاعی استفاده شود.

وی در ادامه گفت: هدف این کار این است که فناوری‌های تشخیص کوانتومی را برای کاربردهای زیر آب در دسترس قرار دهد، به این معنی که ما بتوانیم صحنه مورد نظر خود را در شرایط بسیار کم‌نور تصویر کنیم. این فناوری روی استفاده از کابل‌های دریایی و تاسیسات انرژی تاثیر می‌گذارد. این فناوری همچنین می‌تواند امکان نظارت را بدون حضور انسان فراهم کند که به معنای آلودگی کمتر و حضور کمتر تهاجمی در محیط‌های دریایی است.

فناوری جدید این گروه پژوهشی با برخی از پیشرفت‌های مهم در فناوری حاصل شده است. ماکارون می‌گوید: دانشگاه هریوت-وات سابقه‌ای طولانی در توسعه روش‌های تشخیص تک فوتونی و پردازش تصویر داده‌های تک فوتونی دارد که به ما امکان می‌دهد تصویربرداری تک فوتونی پیشرفته را در شرایط بسیار چالش برانگیز ممکن کنیم.

وی افزود: دانشگاه ادینبرو نیز به پیشرفت‌های اساسی در طراحی و ساخت آرایه‌های آشکارساز تک فوتونی دست یافته است که به ما امکان ساخت سیستم‌های تصویربرداری فشرده و قوی بر اساس فناوری‌های تشخیص کوانتومی را می‌دهد.

این سیستم لیدار با استفاده از فناوری تشخیص کوانتومی در تصویربرداری زیر آب که کاربردهای بالقوه زیادی دارد، کاربردهای بالقوه زیادی را نشان داده است. کار این گروه پژوهشی روش جدیدی برای ثبت تصاویر سه بعدی در لحظه در زیر آب فراهم می‌کند و پنجره‌های زیادی را به روی آینده باز می‌کند.

۵۸۵۸