Авторами предложен подход к получению изображений объектов местности, расположенных вне зоны прямой видимости оптико-электронной камеры аэрокосмической системы. В частности, получать изображения скрытых объектов предлагается путем специальной обработки фотометрических и пространственно-временных данных, полученных в результате непрямой лазерной локации земной поверхности. Ведение непрямой лазерной локации подразумевает использование специального комплекса, включающего в свой состав импульсный генератор оптического излучения и оптико-электронную камеру. С помощью генератора выполняется облучение земной поверхности серией световых волн, которые в последствии рассеиваются в направлении скрытых объектов. Фронт световой волны, рассеянной скрытым объектом, регистрируется при падании в линейное поле зрения оптико-электронной камеры.
Таким образом, формирование изображения объекта, расположенного вне зоны прямой видимости оптико-электронной камеры, выполняется на основе результатов обработки фотометрических и пространственно-временных данных, извлекаемых из световых волн третьего и выше порядка. Очевидно, что при многократном рассеивании интенсивность световой волны падает. В этих условиях, получить изображение с помощью камер, оснащенных традиционными фотоприемными устройствами, становиться невозможно. Решить обозначенную проблему авторы предлагают путем ведения съемки с использованием камер, ориентированных на регистрацию слабоинтенсивного оптического излучения. В основу фотоприемных устройств таких камер положена структура из однофотонных лавинных диодов, которые компонуются фотоэлектронными умножителями. Благодаря этой конструктивной особенности требуемая экспозиция для формирования изображения может быть получена даже на основе единичных фотонов. В современной научной и технической литературе указанная аппаратура получила название SPAD-камеры (от англ. single-photon avalanche diode).
Другой особенностью SPAD-камер является высокое временное разрешение формирования кадра, значение которого в настоящее время достигает порядка 100 пс. Высокие светочувствительность и временное разрешение формирования кадра позволяют наблюдать за распространением световых волн в пространстве, описывать на основе полученных данных форму исследуемых объектов, а также формировать изображения с измерительными свойствами.
Высокое графическое подобие формируемых изображений обеспечивается путем выделения из состава зарегистрированного оптического излучения фотометрических и пространственно-временных данных от различных источников. В основу решения данной задачи положены результаты наблюдений за изменением разности фаз излучаемых и регистрируемых световых волн, резкое изменение которой служит сигналом о смене источника излучения. Разделив световые волны, источником которых являются различные объекты, открывается возможность к получению их изображений.
Решение этой задачи выполняется путем статистической оценки среднего выборочного значения интенсивности оптического излучения, зарегистрированного от идентифицированных источников. Результаты расчетов используются для формировании матрицы яркости цифрового изображения. С целью расширения возможности практического применения сформированного изображения ему придаются измерительные свойства. Суть решения указанной задачи сводится к преобразованию координат цифрового изображения в относительные координаты, имеющие метрическое выражение, используя фотограмметрические подходы, адаптированные для случая непрямой оптической локации.
Целесообразность использования концепции подтверждается результатами эксперимента по созданию изображений на основе открытых данных непрямой оптической локации. Результаты эксперимента показали, что в условиях размещения объекта за светонепроницаемым препятствием возможно получить изображение с измерительными свойствами, которое с высоким графическим подобием отражает его детали и форму.

Ключевые слова: Непрямая оптическая локация, оптическое излучение, трехмерное изображение, SPAD-камера

Литература:

Heide F., Diamond S., Lindell D.B. et al. Sub-picosecond photon-efficient 3D imaging using single-photon sensors // Sci. Rep. 2018. V. 8. P. 17726. https://doi.org/10.1038/s41598-018-35212-x.
McCarthy A., Krichel N., Gemmell N., Ren X., Tanner M., Dorenbos S., Zwiller V., Hadfield R., Buller G. Kilometer-range, high resolution depth imaging via 1560 nm wavelength single-photon detection // Opt. Express. 2013. V. 21. P. 8904–8915.
Pawlikowska A., Halimi A., Lamb R., Buller G. Single-photon three-dimensional imaging at up to 10 kilometers range // Opt. Express. 2017. V. 25. P. 11919–11931.
Shin D., Kirmani A., Goyal V.K., Shapiro J.H. Photon-Efficient Computational 3-D and Reflectivity Imaging with Single-Photon Detectors // IEEE Transactions on Computational Imaging. June 2015. V. 1. N 2. P. 112–125. doi: 10.1109/TCI.2015.2453093
Warburton R., Aniculaesei C., Clerici M. et al. Observation of laser pulse propagation in optical fibers with a SPAD camera // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 43302. https://doi.org/10.1038/srep43302.
Gariepy G., Krstajic N., Henderson R. et al. Single-photon sensitive light-in-fight imaging // Nat Commun. 2015. V. 6. P. 6021. https://doi.org/10.1038/ncomms7021
Gariepy G., Tonolini F., Henderson R. et al. Detection and tracking of moving objects hidden from view // Nature Photon. 2016. V. 10. P. 23–26. https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.234.
Zhen Chen, Bo Liu, and Guangmeng Guo. Adaptive single photon detection under fluctuating background noise // Opt. Express. 2020. V. 28. P. 30199–30209.
Buttafava M., Zeman J., Tosi A., Eliceiri K. and Velten A. Non-line-of-sight imaging using a time-gated single photon avalanche diode // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 20997–21011.
Григорьев А.Н., Алтухов А.И., Коршунов Д.С. Подход к получению изображений объектов на основе данных непрямой лазерной локации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 1. С. 31–39. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-1-31-39.
Velten A., Willwacher T., Gupta O. et al. Recovering three-dimensional shape around a corner using ultrafast time-of-flight imaging // Nat Commun. 2012. V. 3. P. 745. https://doi.org/10.1038/ncomms1747.
Григорьев А.Н., Алтухов А.И., Коршунов Д.С. Концепция фотограмметрической обработки данных непрямой оптической локации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 3. С. 311–319. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-3-311-319

Презентация доклада

Вопросы создания и использования приборов и систем для спутникового мониторинга состояния окружающей среды

126