Le prototype de lidar quantique acquiert des images 3D en temps réel alors qu’il est entièrement immergé sous l’eau

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Pour la première fois, des chercheurs ont présenté un prototype de système lidar qui utilise la technologie de détection quantique pour acquérir des images 3D en immersion sous l’eau. La haute sensibilité de ce système pourrait lui permettre de capturer des informations détaillées même dans des conditions de très faible luminosité sous l’eau.

« Cette technologie pourrait être utile pour un large éventail d’applications », a déclaré Aurora Maccarone, membre de l’équipe de recherche et chercheuse à la Royal Academy of Engineering de l’Université Heriot-Watt au Royaume-Uni. « Par exemple, il pourrait être utilisé pour inspecter des installations sous-marines, telles que des câbles de parcs éoliens sous-marins et la structure immergée des turbines. Le lidar sous-marin peut également être utilisé pour surveiller ou étudier des sites archéologiques submergés et pour des applications de sécurité et de défense. »

L’obtention d’images 3D à travers l’eau de l’océan peut être difficile car elle est limitée par la lumière et toutes les particules dans l’eau disperseront la lumière et déformeront l’image. Cependant, la détection à photon unique, qui est une technique basée sur le quantum, permet une pénétration très élevée et fonctionne même dans des conditions de faible luminosité.

Dans la revue Optica Publishing Group Optique Express, des chercheurs de l’Université Heriot-Watt et de l’Université d’Édimbourg décrivent des expériences dans lesquelles tout un système lidar à photon unique a été immergé dans un grand réservoir d’eau. Les nouvelles démonstrations rapprochent la technologie des applications pratiques par rapport aux expériences antérieures de l’équipe de recherche avec la détection sous-marine de photons uniques, qui ont été réalisées dans des conditions de laboratoire soigneusement contrôlées avec la configuration optique placée à l’extérieur du réservoir d’eau et l’analyse des données effectuée hors ligne. Ils ont également mis en œuvre de nouveaux développements matériels et logiciels permettant de reconstruire en temps réel les images 3D acquises par le système.

« Ce travail vise à rendre les technologies de détection quantique disponibles pour les applications sous-marines, ce qui signifie que nous pourrons imager la scène d’intérêt dans des conditions de très faible luminosité », a déclaré Maccarone. « Cela aura un impact sur l’utilisation des installations de câbles et d’énergie offshore, qui sont utilisées par tout le monde. Cette technologie pourrait également permettre une surveillance sans la présence humaine, ce qui signifierait moins de pollution et une présence moins invasive dans le milieu marin. »

Détection plus rapide de faible luminosité

Les systèmes Lidar créent des images en mesurant le temps qu’il faut à la lumière laser pour être réfléchie par les objets de la scène et revenir au récepteur du système, connu sous le nom de « temps de vol ». Dans le nouveau travail, les chercheurs ont cherché à développer un moyen d’acquérir des images 3D de cibles qui sont obscurcies par de l’eau trouble et donc non visibles pour les systèmes d’imagerie lidar conventionnels.

Ils ont conçu un système lidar qui utilise une source laser pulsée verte pour éclairer la scène d’intérêt. L’éclairage pulsé réfléchi est détecté par un réseau de détecteurs à photon unique, ce qui permet une détection ultrarapide de faible luminosité et réduit considérablement le temps de mesure dans les environnements pauvres en photons tels que l’eau à forte atténuation.

« En prenant des mesures de temps de vol avec une résolution temporelle à la picoseconde, nous pouvons résoudre de manière routinière les détails millimétriques des cibles dans la scène », a déclaré Maccarone. « Notre approche nous permet également de distinguer les photons réfléchis par la cible de ceux réfléchis par les particules dans l’eau, ce qui la rend particulièrement adaptée à la réalisation d’images 3D dans des eaux très troubles où la diffusion optique peut ruiner le contraste et la résolution de l’image. »

Le fait que cette approche nécessite des milliers de détecteurs à photon unique, produisant tous plusieurs centaines d’événements par seconde, rend extrêmement difficile la récupération et le traitement des données nécessaires pour reconstruire l’image 3D en peu de temps, en particulier pour les applications en temps réel. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé des algorithmes spécifiquement pour l’imagerie dans des conditions de diffusion élevée et les ont appliqués en conjonction avec du matériel de processeur graphique (GPU) largement disponible.

La nouvelle technique s’appuie sur des avancées technologiques importantes. « L’Université Heriot-Watt a une longue expérience dans les techniques de détection de photon unique et le traitement d’image des données de photon unique, ce qui nous a permis de démontrer l’imagerie avancée de photon unique dans des conditions extrêmement difficiles », a déclaré Maccarone. « L’Université d’Édimbourg a réalisé des avancées fondamentales dans la conception et la fabrication de réseaux de détecteurs de diodes à avalanche à photon unique, ce qui nous a permis de construire des systèmes d’imagerie compacts et robustes basés sur des technologies de détection quantique.

Essais sous-marins

Après avoir optimisé la configuration optique sur un banc optique de laboratoire, les chercheurs ont connecté le système lidar à un GPU pour réaliser un traitement en temps réel des données tout en mettant en œuvre un certain nombre d’approches de traitement d’image pour l’imagerie tridimensionnelle. Une fois que le système fonctionnait correctement, ils l’ont déplacé dans un réservoir de 4 mètres de long, 3 mètres de large et 2 mètres de profondeur.

Avec le système immergé dans l’eau, les chercheurs ont ajouté un agent de diffusion de manière contrôlée pour rendre l’eau plus trouble. Des expériences à trois niveaux de turbidité différents ont démontré une imagerie réussie dans des scénarios contrôlés à forte diffusion à des distances de 3 mètres.

« Les technologies à photon unique se développent rapidement et nous avons démontré des résultats très prometteurs dans les environnements sous-marins », a déclaré Maccarone. « L’approche et les algorithmes de traitement d’image pourraient également être utilisés dans un plus large éventail de scénarios pour une vision améliorée dans l’espace libre comme dans le brouillard, la fumée ou d’autres obscurcissants. »

Les chercheurs travaillent actuellement à réduire la taille du système afin qu’il puisse être intégré dans un véhicule sous-marin. Par le biais du UK Quantum Technology Hub Network et d’InnovateUK, les chercheurs s’associent à l’industrie pour rendre la technologie accessible à une gamme d’applications sous-marines. .

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