Лидар научили видеть сквозь туман
Инженеры разработали метод, позволяющий лидарам различать в сильном тумане предметы, которые невозможно увидеть невооруженным взглядом. Для этого лидар на лету анализирует свойства рассеивающей среды и на основе этих данных вычленяет из общего сигнала его часть, отраженную от предметов, а не частиц тумана. Метод позволяет получать как само изображение, так и карту глубины для него, сообщается в работе, которая будет представлена на конференции ICCP 2018.
Лидар представляет собой прибор, который направленно излучает и на основе времени возвращения отраженного лазерного луча получает данные об объектах. Лидары применяют в разных сферах, в том числе ими пользуются практически все разработчики беспилотных автомобилей. За счет таких приборов автомобиль может в реальном времени составлять трехмерную карту объектов вокруг себя. Тем не менее, у лидаров есть и слабые места. Например, поскольку излучаемый свет проходит через воздух, он рассеивается не только на крупных предметах, но в самом воздухе. Чистый воздух не мешает современным лидарам, но что-то увидеть сквозь плотный и непрозрачный туман все еще сложно.
Исследователи под руководством Рамеша Раскара (Ramesh Raskar) из Массачусетского технологического института разработали метод, позволяющий лидарам разделять сигнал, отраженный от объектов и рассеянный в среде перед ним, даже в очень плотном тумане. Он устроен следующим образом. Источник света излучает импульсы в туманную среду, в которой находятся объекты. Рядом с излучателем располагается камера из массива однофотонных детекторов размером 32 на 32 детектора, которые записывают время получения каждого фотона с временным разрешением 56 пикосекунд. Пиксели в каждом кадре содержат информацию о времени получения первого фотона. На основе этих кадров строится гистограмма, в которой каждый столбец описывает количество зарегистрированных фотонов за кадр. Эти гистограммы описываются гамма-распределением, зависящим от параметров среды. В данном случае они зависят от оптической толщины тумана.
Временное распределение сигнала от объектов, в свою очередь, описывается гауссовским распределением. Исходя из этого исследователи создали модель, которая позволяет разделить сигнал отражения от частиц тумана и сигнал отражения от объектов.
Инженеры экспериментально проверили метод, создав камеру с искусственным генератором тумана. Они показали, что лидар с новым алгоритмом может снимать объекты на расстоянии 57 сантиметров, в то время, как видимость составляет 37 сантиметров. Помимо этого лидар может измерять расстояние до объектов с точностью около пяти сантиметров. Исследователи отмечают, что на данном этапе метод позволяет создавать изображения низкого качества и применим пока что только для статичных объектов, из-за чего не годится для беспилотных автомобилей.
В 2015 году подразделение концерна Airbus Defence and Aerospace разработало камеру, которая может работать в условиях тумана, мороси и марева, выдавая четкую контрастную картинку. Дальность четкого обзора этой камеры составляет до восьми километров.
Григорий Копиев
Для этого физики упрятали почти четыре тонны жидкого ксенона под гору
Физики из коллаборации PandaX поделились результатами поиска следов электромагнитного взаимодействия обычной и темной материй. Для этого они искали отклонения в числе фотонов, рожденных в 3,7 тонны жидкого ксенона, от модельного предсказания. Отрицательный результат позволил наложить новые ограничения на все типы электромагнитных свойств гипотетических частиц. Исследование опубликовано в Nature. Поиск частиц темной материи — важнейшая задача, над которой физики и астрономы бьются уже почти век. Ее существование доказывают наблюдения за движением галактик и реликтовым излучением, но, несмотря на это, ученые до сих пор не понимают, из чего она состоит. Подробнее про темную материю читайте в материале «Невидимый цемент Вселенной». Среди прочего физики спорят, участвуют ли частицы темной материи в электромагнитном взаимодействии. Само определение «темная» подразумевает отрицательный ответ, однако, это может лишь значить, что такое взаимодействие слишком слабое, чтобы его могли зафиксировать общие наблюдения и эксперименты. Темная материя может состоять из миллизаряженных частиц или частиц с неточечным зарядом, либо частиц с малым электрическими или магнитными дипольными моментами, анапольными моментами и так далее. Поиск следов такого взаимодействия ведется на самых различных установках. Среди прочего, этим заняты физики из коллаборации PandaX-4T, работающие в зале B2 Китайской подземной лаборатории Цзиньпин. Ученые исследуют гипотетический процесс, при котором частица темной материи обменивается фотоном с ядром вещества. Модели предсказывают, что его итогом должно стать излучение, испущенное ускоренным ядром, и излучение, испущенное электронами, оторвавшимися от ядра. Чтобы отыскать такие пары сигналов, физики наполняли свой детектор 3,7 тонны жидкого ксенона, окруженного с двух сторон массивами фотоумножителей. При анализе данных, собранных за 86 дней измерений, ученые учитывали множество фоновых процессов: бета-распады прочих ядер, естественную радиоактивность материалов детектора, влияние солнечных нейтрино и так далее. В результате оказалось, что учета фоновых процессов достаточно, чтобы объяснить происхождение более тысячи событий, зарегистрированных установкой. Результат эксперимента накладывает ограничения на известные электромагнитные модели частиц темной материи в диапазоне масс от 20 до 40 гигаэлектронвольт. Так, из него следует, что зарядовый радиус этих частиц не превышает 1,9 × 10-10 фемтометра, миллизаряд — 1,9 × 10-10 заряда электрона, а электрический и дипольный моменты — 1,2 × 10-23 заряда электрона на сантиметр и 4,8 × 10-10 магнетона Бора, соответственно. Ограничению подвергся также анапольный момент: 1,6 × 10-33 квадратного сантиметра, что почти в три раза меньше, чем предел, полученных в предыдущем исследовании. В качестве иллюстрации авторы сравнили свои ограничения с таковыми для других распространенных заряженный частиц: нейтрона и нейтрино, полученными другими группами. Предел для зарядового радиуса темной частицы оказался на четыре порядка строже, чем у нейтрино, пределы электрического дипольного момента и анапольного момента заняли промежуточное положение между таковыми для нейтрона и нейтрино, а предел магнитного момента оказался на один порядок слабее нейтринного. Ранее мы писали про то, как предыдущая версия детектора PandaX-4T — PandaX-II, — наполненная 0,57 тонны жидкого ксенона, помогла ограничить самодействующую темную материю.