Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 29 – vyšlo 12. srpna, ročník 20 (2022) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

29/2022

Nová generace malých dostupných lidarů

Petr Kulhánek

O radarech asi slyšel každý z nás. Minimálně motoristé se potýkají s radary měřícími rychlost vozidel na silnici. Radary mají ale mnohem širší využití. Z odraženého rádiového paprsku se dá zjistit vzdálenost objektu a ze změny frekvence jeho rychlost. Pomocí radarů je možné mapovat i povrchy planet. Například první snímky povrchu VenušeVenuše – nejbližší planeta vzhledem k Zemi. Hustá atmosféra zabraňuje přímému pozorování povrchu. Díky skleníkovému efektu je na povrchu vysoká teplota, nejvyšší dosud naměřená hodnota činí 480 °C. Venuše obíhá kolem Slunce takřka po kruhové dráze ve vzdálenosti 108 milionů kilometrů s periodou 225 dní. Otočení kolem vlastní osy (proti oběhu, tzv. retrográdní rotace) trvá 243 pozemských dnů. To znamená, že na Venuši Slunce vychází a zapadá jen dvakrát za jeden oblet Slunce. Oblaka Venuše dobře odrážejí sluneční svit a proto je tato planeta po Slunci a Měsíci nejjasnějším tělesem na obloze. Na večerní obloze jí můžeme spatřit jako Večernici a na ranní obloze jako Jitřenku., který je díky husté atmosféře neproniknutelný pro viditelné světlo, byly pořízeny radarovou technikou. Nejkvalitnější radary pracují se syntetickou aperturouRadar se syntetickou aperturou – radar rychle se pohybující nad krajinou, který vysílá v rychlém sledu sérii impulsů a matematickou analýzou odražených paprsků získává obraz s vyšším rozlišením, než by poskytl statický radar. Postup je náročný na výpočetní techniku. Zpracovává informaci nejen o amplitudě, ale i o fázovém posunu odražených vln. – zpracovávají informace o amplitudě, frekvenci i fázi odražených signálů. Radar ale není všespasitelný a přesnost měření je omezena délkou použitých elektromagnetických vln. Pro přesnější měření se proto začaly prosazovat lidaryLIDAR – Light-Imaging Detection and Ranging, detekce a určování vzdálenosti za pomoci laseru. Jde o metodu zjišťování vzdálenosti a vlastností objektu na základě analýzy rozptýleného světla laseru. Analogií v rádiovém oboru jsou radary. Vzdálenost objektu se určí z časové prodlevy odraženého signálu. Lidary se využívají hojně v geologii, seismologii a při sledování vlastností atmosféry., které dělají v podstatě totéž, ale v infračerveném až viditelném oboru. Samo slovo lidar je zkratkou z anglického „Light-Imaging Detection And Ranging“, což znamená „detekce a určování vzdálenosti pomocí světla“. Jako zdroj světla se zpravidla využívá laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu., ať už infračervený, nebo ještě lépe v optickém oboru. Vzhledem k výrazně větší přesnosti je možné lidary využívat k mnoha činnostem, například k rychlé třírozměrné rekonstrukci předmětů a pohybujících se objektů v blízkosti autonomních aut, která nejsou řízena člověkem, ale počítačem (viz AB 10/2018). Je ale i řada dalších aplikací, o kterých se ještě v tomto bulletinu zmíníme.

Rekostrukce třírozměrných objektů, včetně jejich pohybu, lidarem umístěným
na střeše autonomního vozidla. Zdroj: Clear Path Robotics.

Radar se syntetickou aperturou – radar rychle se pohybující nad krajinou, který vysílá v rychlém sledu sérii impulsů a matematickou analýzou odražených paprsků získává obraz s vyšším rozlišením, než by poskytl statický radar. Postup je náročný na výpočetní techniku. Zpracovává informaci nejen o amplitudě, ale i o fázovém posunu odražených vln. LIDAR – Light-Imaging Detection and Ranging, detekce a určování vzdálenosti za pomoci laseru. Jde o metodu zjišťování vzdálenosti a vlastností objektu na základě analýzy rozptýleného světla laseru. Analogií v rádiovém oboru jsou radary. Vzdálenost objektu se určí z časové prodlevy odraženého signálu. Lidary se využívají hojně v geologii, seismologii a při sledování vlastností atmosféry. LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.

Konvenční lidary

LidaryLIDAR – Light-Imaging Detection and Ranging, detekce a určování vzdálenosti za pomoci laseru. Jde o metodu zjišťování vzdálenosti a vlastností objektu na základě analýzy rozptýleného světla laseru. Analogií v rádiovém oboru jsou radary. Vzdálenost objektu se určí z časové prodlevy odraženého signálu. Lidary se využívají hojně v geologii, seismologii a při sledování vlastností atmosféry. využívají svazky paprsků, které „ohmatávají“ okolní prostředí. Při odrazech od různých věcí se pozmění charakteristiky paprsků a právě tyto změny se analyzují v detektoru a počítač z nich provede rekonstrukci předmětů, na něž paprsky dopadly, včetně jejich tvaru a pohybu. Již jsme se zmínili, že se lidary používají k rekonstrukci okolí autonomního vozidla. V současnosti je ale mnohem běžnější využití v různých průmyslových robotech, které pro svou správnou činnost potřebují alespoň základní informace o svém okolí. V roce 2017 se vědcům z Karlsruhského institutu technologií (KITKIT – Karlsruhe Institute of Technology, jedna z největších výzkumných univerzit v Německu. Univerzita vznikla v roce 2009 sloučením Karlsruhské univerzity (založené v roce 1825) a Karlsruhského výzkumného centra (založeného v roce 1956). Z KIT a jejích předchůdců vzešlo šest nositelů Nobelových cen. Podle citačního indexu jde o šestou nejvýznamnější evropskou univerzitu. Příkladem vědeckých aktivit může být spektrometr KATRIN, který se pokouší změřit hmotnost neutrin.) podařilo lidarem změřit polohu střely pohybující se rychlostí 150 metrů za sekundu s přesností 2 mikrometry. Je vidět, že i pro armádu může být takový lidar užitečným zařízením. Velmi často jsou lidary na nejrůznějších sondách provádějících výzkum Sluneční soustavy. Nejjednoduššími přístroji tohoto druhu jsou obyčejné laserové výškoměry. Pokud ale lidar dokáže zpracovat i další informace z odražených paprsků, může s vysokou přesností mapovat povrchy planet nebo rekonstruovat profily atmosfér. Příkladem je družice Calipso z roku 2006 (funguje dodnes!), jejíž lidar poskytuje výškový profil aerosolů v atmosféře Země (viz AB 18/2007). Lidary se využívají při automatickém parkování vozidel, při pořizování trojrozměrných hologramůHolografie – forma záznamu obrazu, která umožňuje zachytit jeho trojrozměrnou strukturu na dvourozměrný obrazový nosič neboli hologram (fotografická deska, binární záznam) a jeho opětovnou rekonstrukci. Na hologram se zaznamenává jak intenzita, tak fáze světla. Holografii objevil Dennis Gabor v roce 1948, kvalitní hologramy byly ale pořízeny až po objevu laseru. V elektronovém mikroskopu lze pořídit elektronový hologram, v němž je zaznamenáno jak množství elektronů prošlých vzorkem, tak fáze jejich hmotové vlny. Fáze elektronových vln je citlivá na magnetické pole, proto je možné z elektronového hologramu určit průběh magnetických siločar ve vzorku., pronikají do herních systémů, zejména se prosazují ve virtuální realitě, umožňují komunikaci ve vesmírném prostoru atd. Jedna ze zajímavých aplikací byla testována na aljašské observatoři HIPASUCLA/HIPAS LMT – dalekohled s tekutým rtuťovým zrcadlem (LMT – Liquid Mirror Telescope) postavený Kalifornskou univerzitou (UCLA, University of California at Los Angeles). Dalekohled měl průměr 2,7 m a sloužil jako lidar pro aktivní ovlivňování polárních září. Fungoval na Aljašce na stanici HIPAS (HIgh Power Aurora Stimulation) v letech 1986 až 2010., kde v letech 1986 až 2010 provozovali rotující rtuťové zrcadlo o průměru 2,7 metru. Rtuťový dalekohled byl spojený s lidarem a dokázal vyslat laserový signál do ionosféryIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D (90÷150 km), F (150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 10⁶ cm⁻³., kde se testovalo aktivní ovlivňování polárních září. Elektromagnetický signál totiž rozkmital volné elektrony v ionosféře, které jsou zodpovědné za excitaci atmosféry a vznik polárních září. Jak vidíme, využití lidarů je velmi široké.

Družice Calipso zjišťuje lidarem výškový profil aerosolů v atmosféře. Je součástí větší skupiny meteorologických družic, kterým se říká Vláček (A Train). Zdroj: NASA.

Lidar ke své činnosti potřebuje celou soustavu pohybujících se světelných svazků. Klasicky je tento pohyb zajišťován mechanicky, což má řadu nevýhod. Mechanický pohyb je pomalý, Lidar s mechanickými součástkami je veliký a drahý a navíc citlivý na vibrace a další vlivy okolí. Alternativou jsou optická fázově závislá pole (OPA, Optical Phased Arrays). Tato pole mají své výhody i nevýhody. Neobsahují mechanické součástky a vše je umístěno na jediném čipu. Jako jednotlivé zářiče (zdroje svazků) slouží pole vlnovodů, což je nejslabší článek těchto zařízení. K dosažení velkého zorného pole (ideálně alespoň 180°) je třeba, aby byly jednotlivé zářiče blízko u sebe, ideálně na vzdálenosti poloviny použité vlnové délky. Zdroje v takové blízkosti se ale vzájemně ovlivňují a výsledné svazky jsou nekvalitní. Maximální dosažitelné zorné pole je 100°, jsou-li zářiče blíže, je sice pole větší, ale svazky nepoužitelné (jde o souboj mezi velikostí zorného pole a kvalitou svazků). U nekvalitních svazků se při vzorkování spojitého signálu nedají jednotlivé složky od sebe rozlišit. Lidary tohoto typu tedy eliminují mechanické součástky, jsou menší, levnější a přesnější, ale jejich zorné pole není pro mnohé aplikace dostačující.

Dánský průlom – lidar s mřížkou

Skupina vědců z Dánské technické univerzity (DTU) vyvinula pod vedením Hao Hua, vedoucího oddělení fotonického inženýrství, přelomovou technologii. Vyvinuli nový čip, na němž je mnoho zdrojů záření nahrazeno jedinou optickou mřížkou s mnoha vrypy. Tyto vrypy slouží jako emitory svazků. Hloubka lichoběžníkových vrypů je 10 nanometrů a šířka přibližně 600 nanometrů. To umožňuje dostat jednotlivé zdroje svazků na čipu do blízké vzdálenosti, dokonce na potřebnou polovinu vlnové délky. Vědci použili jako zdroj signálu laser s vlnovou délkou 1 550 nanometrů. Nejde tedy o optickou oblast, ale o blízké infračervené záření. Signál k mřížce přivádí pole vlnovodů. Jednotlivé svazky spolu opět interferují, ale změny se u nově navržené konstrukce projeví jen v blízkém poli, tedy v okolí mřížky. Ve větších vzdálenostech už interference nemá vliv a svazky jsou kvalitní. Skupina pomocí dalších „vychytávek“ snížila šum a navíc potlačila boční parazitní laloky u jednotlivých svazků.

Čip vyvinutý v Dánské technické univerzitě. Vlevo nahoře jsou patrné vlnovody (ze­le­né) a před nimi lichoběžníková optická mřížka. Zdroj: Hao Lu, DTU, Optica

U prováděného testu byla lidarem zobrazována tři písmena D, T, U, která symbolizují zkratku názvu univerzity, na níž byl výzkum prováděn. Písmena byla rozložena v okolí lidaru tak, že prostřední T mělo azimut 0° a krajní písmena D, U měla střed na ±60°a okraje až na ±70°. Zorný úhel byl tedy 140°, což je za hranicí schopností současných lidarů. Výška zobrazovaného pásu byla 13,5°. Výsledek prvních pokusů je více než slibný. Nekvalita svazků se téměř neprojevila, jen došlo k deformacím na okraji sledovaného zorného pole. Zdá se, že nová technologie bude znamenat skutečný průlom a přinese nejen výrazné zlevnění výroby, ale zmenšení rozměrů a zvětšení zorného pole, které bylo hlavní slabinou předchozích zařízení a znemožňovalo jejich využití u rekonstrukce okolí v celém rozsahu 360°.

Výsledek testu – zobrazení písmen D, T, U nově vyvinutým lidarem.
Zdroj: Hao Lu, DTU, Optica

Odkazy