Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato un prototipo di sistema lidar che utilizza la tecnologia di rilevamento quantistico per acquisire immagini 3D mentre si è immersi sott’acqua. L’elevata sensibilità di questo sistema potrebbe consentirgli di catturare informazioni dettagliate anche in condizioni di luce estremamente scarsa trovate sott’acqua.
“Questa tecnologia potrebbe essere utile per una vasta gamma di applicazioni”, ha affermato Aurora Maccarone, membro del team di ricerca, ricercatrice della Royal Academy of Engineering presso la Heriot-Watt University nel Regno Unito. “Ad esempio, potrebbe essere utilizzato per ispezionare installazioni sottomarine, come i cavi sottomarini del parco eolico e la struttura sommersa delle turbine. Il lidar subacqueo può anche essere utilizzato per il monitoraggio o il rilevamento di siti archeologici sommersi e per applicazioni di sicurezza e difesa”.
Ottenere immagini 3D attraverso l’acqua dell’oceano può essere difficile perché è limitato dalla luce e qualsiasi particella nell’acqua disperderà la luce e distorcerà l’immagine. Tuttavia, il rilevamento di un singolo fotone, che è una tecnica quantistica, consente una penetrazione molto elevata e funziona anche in condizioni di scarsa illuminazione.
Sulla rivista Gruppo Editoriale Ottica Ottica Express, i ricercatori della Heriot-Watt University e dell’Università di Edimburgo descrivono esperimenti in cui un intero sistema lidar a singolo fotone è stato immerso in un grande serbatoio d’acqua. Le nuove dimostrazioni avvicinano la tecnologia alle applicazioni pratiche rispetto ai precedenti esperimenti del team di ricerca con il rilevamento subacqueo di un singolo fotone, che sono stati eseguiti in condizioni di laboratorio attentamente controllate con la configurazione ottica posizionata all’esterno del serbatoio dell’acqua e l’analisi dei dati eseguita offline. Hanno inoltre implementato nuovi sviluppi hardware e software che consentono di ricostruire in tempo reale le immagini 3D acquisite dal sistema.
“Questo lavoro mira a rendere disponibili le tecnologie di rilevamento quantistico per applicazioni subacquee, il che significa che saremo in grado di visualizzare la scena di interesse in condizioni di luce molto scarsa”, ha affermato Maccarone. “Ciò avrà un impatto sull’uso di cavi offshore e installazioni energetiche, che sono utilizzate da tutti. Questa tecnologia potrebbe anche consentire il monitoraggio senza la presenza di esseri umani, il che significherebbe meno inquinamento e una presenza meno invasiva nell’ambiente marino”.
Rilevamento più rapido in condizioni di scarsa illuminazione
I sistemi Lidar creano immagini misurando il tempo impiegato dalla luce laser per essere riflessa dagli oggetti nella scena e tornare al ricevitore del sistema, noto come “tempo di volo”. Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno cercato di sviluppare un modo per acquisire immagini 3D di bersagli oscurati dall’acqua torbida e quindi non visibili ai sistemi di imaging lidar convenzionali.
Hanno progettato un sistema lidar che utilizza una sorgente laser pulsata verde per illuminare la scena di interesse. L’illuminazione pulsata riflessa viene rilevata da una serie di rilevatori a singolo fotone, che consente un rilevamento ultrarapido in condizioni di scarsa illuminazione e riduce notevolmente il tempo di misurazione in ambienti affamati di fotoni come l’acqua altamente attenuante.
“Effettuando misurazioni del tempo di volo con una risoluzione temporale di picosecondi, possiamo sistematicamente risolvere i dettagli millimetrici dei bersagli nella scena”, ha affermato Maccarone. “Il nostro approccio ci consente anche di distinguere i fotoni riflessi dal bersaglio da quelli riflessi dalle particelle nell’acqua, rendendolo particolarmente adatto all’esecuzione di immagini 3D in acque altamente torbide dove la dispersione ottica può rovinare il contrasto e la risoluzione dell’immagine”.
Il fatto che questo approccio richieda migliaia di rilevatori di fotoni singoli, tutti in grado di produrre molte centinaia di eventi al secondo, rende estremamente difficile recuperare ed elaborare i dati necessari per ricostruire l’immagine 3D in breve tempo, soprattutto per le applicazioni in tempo reale. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno sviluppato algoritmi specifici per l’imaging in condizioni di dispersione elevata e li hanno applicati insieme all’hardware dell’unità di elaborazione grafica (GPU) ampiamente disponibile.
La nuova tecnica si basa su alcuni importanti progressi tecnologici. “La Heriot-Watt University ha una lunga esperienza nelle tecniche di rilevamento di singoli fotoni e nell’elaborazione di immagini di dati di singoli fotoni, che ci ha permesso di dimostrare l’imaging avanzato di singoli fotoni in condizioni estremamente difficili”, ha affermato Maccarone. “L’Università di Edimburgo ha raggiunto progressi fondamentali nella progettazione e fabbricazione di array di rivelatori di diodi a valanga a singolo fotone, che ci hanno permesso di costruire sistemi di imaging compatti e robusti basati su tecnologie di rilevamento quantistico”.
Prove subacquee
Dopo aver ottimizzato la configurazione ottica su un banco ottico di laboratorio, i ricercatori hanno collegato il sistema lidar a una GPU per ottenere l’elaborazione in tempo reale dei dati, implementando al contempo una serie di approcci di elaborazione delle immagini per l’imaging tridimensionale. Una volta che il sistema ha funzionato correttamente, lo hanno spostato in un serbatoio lungo 4 metri, largo 3 metri e profondo 2 metri.
Con il sistema immerso nell’acqua, i ricercatori hanno aggiunto un agente di dispersione in modo controllato per rendere l’acqua più torbida. Esperimenti a tre diversi livelli di torbidità hanno dimostrato il successo dell’imaging in scenari controllati ad alta dispersione a distanze di 3 metri.
“Le tecnologie a singolo fotone si stanno sviluppando rapidamente e abbiamo dimostrato risultati molto promettenti in ambienti sottomarini”, ha affermato Maccarone. “L’approccio e gli algoritmi di elaborazione delle immagini potrebbero essere utilizzati anche in una gamma più ampia di scenari per una migliore visione nello spazio libero come nella nebbia, nel fumo o in altri oscuranti”.
I ricercatori stanno ora lavorando per ridurre le dimensioni del sistema in modo che possa essere integrato in un veicolo sottomarino. Attraverso il Quantum Technology Hub Network del Regno Unito e InnovateUK, i ricercatori stanno collaborando con l’industria per rendere la tecnologia accessibile per una serie di applicazioni subacquee .
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