Por primera vez, los investigadores han demostrado un prototipo de sistema lidar que utiliza tecnología de detección cuántica para adquirir imágenes en 3D mientras se sumerge bajo el agua. La alta sensibilidad de este sistema podría permitirle capturar información detallada incluso en condiciones de muy poca luz bajo el agua.

« Esta tecnología podría ser útil para una amplia gama de aplicaciones », dijo Aurora Maccarone, miembro del equipo de investigación, investigadora de la Real Academia de Ingeniería de la Universidad Heriot-Watt en el Reino Unido. « Por ejemplo, podría usarse para inspeccionar instalaciones submarinas, como cables submarinos de parques eólicos y la estructura sumergida de las turbinas.

Obtener imágenes 3D a través del agua del océano puede ser un desafío porque la luz es limitada y cualquier partícula en el agua dispersará la luz y distorsionará la imagen. Sin embargo, la detección de un solo fotón, que es una técnica basada en la cuántica, permite una penetración muy alta y funciona incluso en condiciones de poca luz.

En la revista Optics Express de Optica Publishing Group, investigadores de la Universidad Heriot-Watt y la Universidad de Edimburgo describen experimentos en los que se sumergió todo un sistema lidar de un solo fotón en un gran tanque de agua. Las nuevas demostraciones acercan la tecnología a las aplicaciones prácticas en comparación con los experimentos anteriores del equipo de investigación con la detección subacuática de un solo fotón, que se realizaron en condiciones de laboratorio cuidadosamente controladas con la configuración óptica colocada fuera del tanque de agua y el análisis de datos realizado fuera de línea. También implementaron nuevos desarrollos de hardware y software que permiten reconstruir en tiempo real las imágenes 3D adquiridas por el sistema.

« Este trabajo tiene como objetivo hacer que las tecnologías de detección cuántica estén disponibles para aplicaciones submarinas, lo que significa que podremos obtener imágenes de la escena de interés en condiciones de muy poca luz », dijo Maccarone. “Esto repercutirá en el uso de instalaciones de energía y cables en alta mar, que son utilizados por todos. lo que significaría menos contaminación y una presencia menos invasiva en el medio marino”.

Detección más rápida de poca luz

Los sistemas Lidar crean imágenes midiendo cuánto tarda la luz láser en reflejarse en los objetos de la escena y viajar de regreso al receptor del sistema, lo que se conoce como « tiempo de vuelo ». En el nuevo trabajo, los investigadores buscaron desarrollar una forma de adquirir imágenes 3D de objetivos que están oscurecidos por el agua turbia y, por lo tanto, no son visibles para los sistemas de imágenes lidar convencionales.

Diseñaron un sistema lidar que utiliza una fuente de láser pulsado verde para iluminar la escena de interés. La iluminación pulsada reflejada es detectada por una matriz de detectores de un solo fotón, lo que permite una detección ultrarrápida de poca luz y reduce en gran medida el tiempo de medición en entornos con escasez de fotones, como el agua altamente atenuante.

« Al tomar medidas de tiempo de vuelo con una resolución de tiempo de picosegundos, podemos resolver rutinariamente detalles milimétricos de los objetivos en la escena », dijo Maccarone. « Nuestro enfoque también nos permite distinguir los fotones reflejados por el objetivo de los reflejados por las partículas en el agua, lo que lo hace particularmente adecuado para realizar imágenes en 3D en aguas muy turbias donde la dispersión óptica puede arruinar el contraste y la resolución de la imagen ».

El hecho de que este enfoque requiera miles de detectores de un solo fotón, todos produciendo muchos cientos de eventos por segundo, hace que sea extremadamente difícil recuperar y procesar los datos necesarios para reconstruir la imagen 3D en poco tiempo, especialmente para aplicaciones en tiempo real. Para resolver este problema, los investigadores desarrollaron algoritmos específicamente para imágenes en condiciones de alta dispersión y los aplicaron junto con hardware de unidad de procesamiento de gráficos (GPU) ampliamente disponible.

La nueva técnica se basa en algunos avances tecnológicos importantes. « La Universidad Heriot-Watt tiene una larga trayectoria en técnicas de detección de fotones individuales y procesamiento de imágenes de datos de fotones individuales, lo que nos permitió demostrar imágenes avanzadas de fotones individuales en condiciones extremadamente difíciles », dijo Maccarone. « La Universidad de Edimburgo ha logrado avances fundamentales en el diseño y la fabricación de conjuntos de detectores de diodos de avalancha de un solo fotón, lo que nos permitió construir sistemas de imágenes compactos y robustos basados ​​en tecnologías de detección cuántica ».

Pruebas submarinas

Después de optimizar la configuración óptica en un banco óptico de laboratorio, los investigadores conectaron el sistema lidar a una GPU para lograr el procesamiento de los datos en tiempo real al mismo tiempo que implementaban una serie de enfoques de procesamiento de imágenes para imágenes tridimensionales. Una vez que el sistema estaba funcionando correctamente, lo trasladaron a un tanque de 4 metros de largo, 3 metros de ancho y 2 metros de profundidad.

Con el sistema sumergido en el agua, los investigadores agregaron un agente dispersante de manera controlada para enturbiar el agua. Los experimentos en tres niveles de turbidez diferentes demostraron imágenes exitosas en escenarios controlados de alta dispersión a distancias de 3 metros.

« Las tecnologías de fotón único se están desarrollando rápidamente y hemos demostrado resultados muy prometedores en entornos submarinos », dijo Maccarone. « Los algoritmos de enfoque y procesamiento de imágenes también podrían usarse en una gama más amplia de escenarios para mejorar la visión en el espacio libre, como en la niebla, el humo u otros oscurecedores ».

Los investigadores ahora están trabajando para reducir el tamaño del sistema para que pueda integrarse en un vehículo submarino. A través de la red de centros de tecnología cuántica del Reino Unido e InnovateUK, los investigadores se están asociando con la industria para hacer que la tecnología sea accesible para una variedad de aplicaciones subacuáticas..