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

Pour la première fois, des chercheurs ont présenté un prototype de système lidar qui utilise la technologie de détection quantique pour obtenir des images 3D en immersion sous l’eau. La haute sensibilité de ce système peut permettre de capturer des informations détaillées même dans des conditions sous-marines extrêmement peu éclairées.

« Cette technologie pourrait être utile pour un large éventail d’applications », a déclaré Aurora Macaroni, 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 peut être utilisé pour inspecter des installations sous-marines, telles que des câbles de parcs éoliens sous-marins et des coques de turbines immergées. Le lidar sous-marin peut également être utilisé pour surveiller ou étudier des sites archéologiques immergés et pour des applications de sécurité et de défense. »

Obtenir des images 3D à travers l’eau de l’océan peut être difficile car elle est limitée par la lumière, et toute particule dans l’eau dispersera la lumière et déformera l’image. Cependant, la détection de photon unique, qui est une technologie quantique, permet une pénétration très élevée et fonctionne même dans des conditions de faible luminosité.

dans Optique ExpressDes chercheurs de l’Université Heriot-Watt et de l’Université d’Édimbourg décrivent des expériences dans lesquelles un système entier de lidar à photon unique a été immergé dans un grand réservoir d’eau. Les nouvelles démonstrations rapprochent la technologie des applications pratiques que les expériences précédentes de l’équipe de recherche avec la détection sous-marine d’un seul photon, qui ont été menées dans des conditions de laboratoire soigneusement contrôlées avec la configuration optique située à l’extérieur d’un réservoir d’eau et l’analyse des données effectuée hors ligne.

Ils ont également développé de nouveaux matériels et logiciels qui permettent la reconstruction en temps réel des images 3D obtenues par le système.

« Ce travail vise à rendre les techniques 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 McCarron. « Cela affectera l’utilisation des câbles sous-marins et des installations énergétiques, qui sont utilisées par tout le monde. Cette technologie peut également permettre une surveillance sans la présence humaine, ce qui signifie moins de pollution et moins de présence dans le milieu marin. »

Détection plus rapide en basse lumière

Les systèmes Lidar créent des images en mesurant le temps nécessaire à la lumière laser pour se refléter sur les objets de la scène et revenir au récepteur du système, appelé « temps de vol ». Dans le nouveau travail, les chercheurs ont cherché à développer une méthode pour obtenir des images 3D de cibles qui sont obscurcies par de l’eau trouble et donc invisibles pour les systèmes d’imagerie lidar conventionnels.

Ils ont conçu un système lidar qui utilise une source laser verte pulsée pour éclairer la scène d’intérêt. L’éclairage pulsé réfléchi est détecté au moyen d’un réseau de détecteurs de photons uniques, ce qui permet une détection ultra-rapide de faible luminosité et réduit considérablement le temps de mesure dans les environnements pauvres en photons tels que l’eau très diluée.

« En prenant des mesures de temps de vol avec une précision de chronométrage à la picoseconde, nous pouvons résoudre de manière routinière les détails millimétriques des cibles sur les lieux », a déclaré Macaroni. « 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 détruire 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 à la reconstruction d’images 3D en peu de temps, en particulier pour les applications en temps réel. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé des algorithmes spéciaux pour l’imagerie dans des conditions de dispersion élevée et les ont appliqués en conjonction avec du matériel de processeur graphique (GPU) largement disponible.

La nouvelle technologie est basée sur des développements technologiques importants. « L’Université Heriot-Watt a une solide expérience dans les techniques de détection à photon unique et le traitement d’image des données à photon unique, ce qui nous a permis de démontrer l’imagerie avancée à photon unique dans des conditions très difficiles », a déclaré McCarron.

« L’Université d’Édimbourg a fait des progrès fondamentaux dans la conception et la fabrication de réseaux de détecteurs d’avalanche à photon unique, nous permettant de construire des systèmes d’imagerie compacts et robustes basés sur des technologies de détection quantique. »

Essai sous-marin

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

Comme le système était immergé dans l’eau, les chercheurs ont ajouté un agent diffusant 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 de diffusion élevée contrôlée à des distances de 3 m.

« Les technologies à photon unique se développent rapidement et nous avons montré des résultats très prometteurs dans les environnements sous-marins », a déclaré McCarron. « L’approche et les algorithmes de traitement d’image peuvent également être utilisés dans une grande variété de scénarios pour améliorer la visibilité dans des espaces clairs tels que le brouillard, la fumée ou d’autres obscurités. »

Les chercheurs travaillent maintenant 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 disponible pour une gamme d’applications sous-marines.