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Pela primeira vez, os pesquisadores demonstraram um protótipo de sistema lidar que usa tecnologia de detecção quântica para adquirir imagens 3D enquanto submerso na água. A alta sensibilidade deste sistema pode permitir a captura de informações detalhadas mesmo em condições de pouca luz encontradas debaixo d’água.
“Esta tecnologia pode ser útil para uma ampla gama de aplicações”, disse o membro da equipe de pesquisa Aurora Maccarone, pesquisador da Royal Academy of Engineering da Heriot-Watt University, no Reino Unido. “Por exemplo, pode ser usado para inspecionar instalações subaquáticas, como cabos de parques eólicos subaquáticos e a estrutura submersa das turbinas. O Lidar subaquático também pode ser usado para monitorar ou pesquisar sítios arqueológicos submersos e para aplicações de segurança e defesa.”
A obtenção de imagens 3D através da água do oceano pode ser um desafio porque ela é limitada pela luz e quaisquer partículas na água irão espalhar a luz e distorcer a imagem. No entanto, a detecção de fóton único, que é uma técnica quântica, permite uma penetração muito alta e funciona mesmo em condições de pouca luz.
Na revista Optica Publishing Group Optics Express, pesquisadores da Universidade Heriot-Watt e da Universidade de Edimburgo descrevem experimentos nos quais todo um sistema lidar de fóton único foi submerso em um grande tanque de água. As novas demonstrações aproximam a tecnologia de aplicações práticas em comparação com os experimentos anteriores da equipe de pesquisa com detecção subaquática de fóton único, que foram realizados em condições de laboratório cuidadosamente controladas com a configuração óptica colocada fora do tanque de água e a análise de dados realizada offline. Eles também implementaram novos desenvolvimentos de hardware e software que permitem que as imagens 3D adquiridas pelo sistema sejam reconstruídas em tempo real.
“Este trabalho visa disponibilizar tecnologias de detecção quântica para aplicações subaquáticas, o que significa que poderemos obter imagens da cena de interesse em condições de pouca luz”, disse Maccarone. “Isso terá impacto no uso de cabos offshore e instalações de energia, que são usadas por todos. Essa tecnologia também pode permitir o monitoramento sem a presença humana, o que significaria menos poluição e uma presença menos invasiva no ambiente marinho.”
Detecção de pouca luz mais rápida
Os sistemas Lidar criam imagens medindo quanto tempo leva para a luz do laser ser refletida dos objetos na cena e viajar de volta ao receptor do sistema, conhecido como “tempo de voo”. No novo trabalho, os pesquisadores buscaram desenvolver uma maneira de adquirir imagens 3D de alvos que são obscurecidos pela água turva e, portanto, não visíveis aos sistemas convencionais de imagem lidar.
Eles projetaram um sistema lidar que usa uma fonte de laser verde pulsado para iluminar a cena de interesse. A iluminação pulsada refletida é detectada por uma matriz de detectores de fótons únicos, o que permite a detecção ultrarrápida de pouca luz e reduz consideravelmente o tempo de medição em ambientes com falta de fótons, como água altamente atenuante.
“Ao fazer medições de tempo de voo com resolução de tempo de picossegundos, podemos resolver rotineiramente detalhes milimétricos dos alvos na cena”, disse Maccarone. “Nossa abordagem também nos permite distinguir os fótons refletidos pelo alvo daqueles refletidos por partículas na água, tornando-o particularmente adequado para a realização de imagens 3D em águas altamente turvas, onde a dispersão óptica pode arruinar o contraste e a resolução da imagem”.
O fato de que esta abordagem requer milhares de detectores de fóton único, todos produzindo muitas centenas de eventos por segundo, torna extremamente desafiador recuperar e processar os dados necessários para reconstruir a imagem 3D em um curto espaço de tempo, especialmente para aplicações em tempo real. Para resolver esse problema, os pesquisadores desenvolveram algoritmos especificamente para imagens em condições de alta dispersão e os aplicaram em conjunto com hardware de unidade de processamento gráfico (GPU) amplamente disponível.
A nova técnica se baseia em alguns importantes avanços tecnológicos. “A Universidade Heriot-Watt tem um longo histórico em técnicas de detecção de fóton único e processamento de imagem de dados de fóton único, o que nos permitiu demonstrar imagens avançadas de fóton único em condições extremamente desafiadoras”, disse Maccarone. “A Universidade de Edimburgo alcançou avanços fundamentais no projeto e fabricação de matrizes de detectores de diodo de avalanche de fóton único, o que nos permitiu construir sistemas de imagem compactos e robustos com base em tecnologias de detecção quântica”.
Teste subaquático
Depois de otimizar a configuração óptica em uma bancada óptica de laboratório, os pesquisadores conectaram o sistema lidar a uma GPU para obter processamento em tempo real dos dados, além de implementar várias abordagens de processamento de imagem para imagens tridimensionais. Assim que o sistema estava funcionando corretamente, eles o mudaram para um tanque de 4 metros de comprimento, 3 metros de largura e 2 metros de profundidade.
Com o sistema submerso na água, os pesquisadores adicionaram um agente de dispersão de forma controlada para tornar a água mais turva. Experimentos em três níveis diferentes de turbidez demonstraram imagens bem-sucedidas em cenários controlados de alta dispersão a distâncias de 3 metros.
“As tecnologias de fóton único estão se desenvolvendo rapidamente e demonstramos resultados muito promissores em ambientes subaquáticos”, disse Maccarone. “Os algoritmos de abordagem e processamento de imagem também podem ser usados em uma ampla gama de cenários para melhorar a visão no espaço livre, como neblina, fumaça ou outros obscuros”.
Os pesquisadores agora estão trabalhando para reduzir o tamanho do sistema para que ele possa ser integrado a um veículo subaquático. Por meio da UK Quantum Technology Hub Network e InnovateUK, os pesquisadores estão fazendo parceria com a indústria para tornar a tecnologia acessível para uma variedade de aplicações subaquáticas .
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