Development of a multihit LADAR imaging camera system: Modelling time of flight under diffusion conditions

Abstract

El Tiempo de vuelo (ToF o Lidar, o Ladar) es una técnica muy común para obtener imágenes en 3D, dando información sobre el tiempo del pulso y su energía. Sin embargo, en medios turbios, tales como el océano o con la presencia de niebla, el método TOF no da ni una información radiométrica correcta ni de su trazado de rayos. La razón es que las imágenes obtenidas son fuertemente borrosas, debido a la fuerte dispersión (scattering), que hace que los rayos cambien muchas veces su dirección. La inminente creación de una cámara de imagen 3D LIDAR, en el Centro de Sensores, Instrumentación y Desarrollo de Sistemas (CD6), que trabaja en este tipo de medios requiere la presencia de un modelo más preciso que mantiene la difusión en mente y tiene una dependencia temporal. Este modelo se llama el "modelo de difusión", que es una aproximación simple, pero válida para medios difusos. Este modelo no tiene la resolución espacial que otros métodos, como Monte Carlo o Elementos Finitos pueden tener, pero puede proporcionar información sobre la dependencia temporal del transporte de fotones con un enfoque simple. También separa los efectos de scattering y absorción, proporcionando una aproximación más precisa en comparación con la ley de Beer, que no separa ambos efectos, sino que los junta en un solo parámetro, la atenuación. El objetivo de este proyecto es desarrollar y validar este modelo de difusión, que tiene una dependencia temporal y podría ser válido en fuertes condiciones de dispersión, simulando las que son comunes en el océano con el fin de proporcionar ayuda al desarrollo de la cámara de imagen LADAR en el CD6, Terrassa.

Time-Of-Flight (o Lidar, o Ladar) és una tècnica molt freqüent per obtenir imatges 3D, donant informació sobre el temps del pols i la seva energia. No obstant, en mitjans tèrbols, com ara l'oceà o amb la presència de boira, el mètode TOF no dóna ni una informació radiomètrica correcta ni del seu traçat de raigs. La raó és que les imatges obtingudes són fortament borroses, per la forta dispersió (scattering), que fa que els raigs canviïn moltes vegades la seva direcció. La imminent creació d'una càmera LIDAR d'imatge 3D, al Centre de Sensors, Instrumentació i Desenvolupament de Sistemes (CD6), que treballa en aquest tipus de mitjans requereix la presència d'un model més precís que manté la difusió en ment i té una dependència temporal. Aquest model es diu el "model de difusió", que és una aproximació simple, però vàlida per a mitjans tèrbols. Aquest model no té la resolució espacial que altres mètodes, com Monte Carlo o Elements Finits poden donar, però pot proporcionar informació sobre la dependència temporal del transport de fotons amb un enfocament simple. També separa els efectes de scattering i absorció, proporcionant una aproximació més precisa en comparació amb la llei de Beer, que no separa ambdós efectes i els ajunta en un sol paràmetre, l'atenuació. L'objectiu d'aquest projecte és desenvolupar i validar aquest model de difusió, que té una dependència temporal i podria ser vàlid en fortes condicions de dispersió, simulant les que són comuns a l'oceà per tal de proporcionar ajuda al desenvolupament de la càmera d'imatge LADAR al CD6, Terrassa.

Time-Of-Flight (or Lidar, or Ladar) imaging is a very common technique to obtain 3D images, giving information about the time of the pulse and its energy. However, in turbid media, such as the ocean or with the presence of fog, TOF method doesn’t give neither a correct radiometric information nor of its raytrace. The reason is that the images obtained are strongly blurred, due to their strong scattering condition, which make the rays change many times their direction. The impending creation of a 3D LIDAR imaging camera, in the Centre of Sensors, Instruments and Systems Development (CD6), that works in these type of media requires the presence of a more accurate model that keeps diffusion in mind and has a temporal dependence. This model is called the “Diffusion Model” which is a simple, but valid approximation for scattering media in the Lidar case. Such a model doesn’t have the spatial resolution that other methods such as Monte Carlo or Finite Elements can give, but can provide information about the temporal dependence of the photon transport with a simple approach. It also separates the effects of scattering and absorption, providing a more accurate approximation compared to Beer’s law, which doesn’t separate both effects and takes them as one, the attenuation. The goal of this project is to develop and validate this Diffusion Model, which has a temporal dependence and could be valid in strong scattering conditions, simulating the ones that are common in the ocean in order to provide help to the development of the LADAR imaging camera system in CD6, Terrassa.