Що таке лідар і як він працює

Автомобілі без керма, які були однією з найбільших технологічних фантазій 1990-х (підживлювані попередніми фільмами, такими як "Помилка кохання" та "Людина-знос"), сьогодні є реальністю завдяки величезному прогресу, досягнутим навколо декількох технологій, особливо LIDAR.

Що таке LiDAR?

LIDAR (розшифровка « Виявлення та дальність світла») - це технологія вимірювання дальності, яка вимірює відстань об’єкта, випромінюючи на нього промені світла, і використовує час та довжину хвилі відбитого променя світла для оцінки відстані та в деяких додатках (лазер) Imaging), створіть 3D-зображення об’єкта.

Хоча ідея, яка стоїть за лазером, може бути простежена до роботи Е.Х. Синге в 1930 р., Це не було реально до початку 1960-х років, після винаходу лазера. По суті, поєднання лазерно-сфокусованого зображення з можливістю обчислювати відстані з використанням техніки часу польоту, воно знайшло своє найперше застосування в метеорології, де його використовували для вимірювання хмар, і в космосі, де для картографування використовували лазерний альтиметр поверхня Місяця під час місії Аполлон-15. З тих пір технологія вдосконалювалась і використовувалась у різноманітних додатках, зокрема; виявлення сейсмічної діяльності, океанографії, археології та навігації, щоб згадати деякі.

Як працює LiDAR

Технологія повністю схожа на технологію RADAR (радіохвильова навігація, що використовується кораблями і літаками) та SONAR (підводне виявлення об'єктів та навігація за допомогою звуку, в основному використовується підводними човнами), які обидва використовують принцип відображення хвиль для виявлення об'єкта та відстані оцінка. Однак, хоча RADAR базується на радіохвилях, а SONAR - на звуках, LIDAR - на основі світлових променів (лазер).

LIDAR використовує світло на різних довжинах хвиль, включаючи; ультрафіолетове, видиме або ближнє інфрачервоне світло для зображення об'єктів і, як таке, здатне виявляти всі види матеріальних композицій, включаючи; неметали, гірські породи, дощ, хімічні сполуки, аерозолі, хмари і навіть поодинокі молекули. Системи LIDAR можуть спрацьовувати до 1 000 000 імпульсів світла за секунду і використовувати час, необхідний для відбиття імпульсів назад до сканера, щоб визначити відстань, на якій розташовані предмети та поверхні навколо сканера. Техніка, що використовується для визначення відстані, відома як час польоту, і її рівняння наведено нижче.

Відстань = (Швидкість світла х Час польоту) / 2

У більшості додатків, крім просто віддалених вимірювань, створюється тривимірна карта навколишнього середовища / об’єкта, в який був випущений промінь світла. Це робиться за допомогою безперервного випромінювання лазерного променя в предмет або навколишнє середовище.

Важливо зазначити, що, на відміну від дзеркального відбиття, яке можна отримати в плоских дзеркалах, відбиття, яке спостерігається в системах LIDAR, є зворотним розсіяним відбиттям, оскільки світлові хвилі розсіюються назад у напрямку, куди вони прийшли. Залежно від застосування, системи LIDAR використовують різні варіанти зворотного розсіювання, включаючи релеєве та раманівське розсіювання

Компоненти системи LIDAR

Система LIDAR, як правило, складається з 5 елементів, які, як очікується, будуть присутні незалежно від змін внаслідок застосування. Ці основні компоненти включають:

Лазерний
Сканери та система оптики
Процесор
Точна електроніка синхронізації
Інерційний блок вимірювань та GPS

1. Лазер

Лазер служить джерелом енергії для світлових імпульсів. Довжина хвилі лазера, розгорнутого в системах LIDAR, відрізняється в залежності від конкретних програм через специфічні вимоги певних програм. Наприклад, в повітряних системах LiDAR використовуються YAG-лазери з діодною накачкою 1064 нм, тоді як у батиметричних системах використовуються подвійні діодні YAG-лазери на 532 нм, які проникають у воду (до 40 метрів) із значно меншим затуханням, ніж у бортовій версії 1064 нм. Однак, незалежно від застосувань, лазери, як правило, мають низьку енергію для забезпечення безпеки.

2. Сканер та оптика

Сканери є важливою частиною будь-якої системи LIDAR. Вони відповідають за проектування лазерних імпульсів на поверхні та отримання назад відбитих імпульсів від поверхні. Швидкість, з якою система LIDAR розробляє зображення, залежить від швидкості, з якою сканери фіксують зворотне розсіяне світло. Незалежно від застосування, оптика, що використовується в системі LIDAR, повинна бути високою точністю та якістю, щоб отримати найкращі результати, особливо для картографування. Тип лінз, конкретний вибір скла, а також використовувані оптичні покриття є основними чинниками, що визначають роздільну здатність та можливості діапазону LIDAR.

Залежно від програми, різні методи сканування можуть бути застосовані для різної роздільної здатності. Сканування за азимутом та висотою, а також двовісне сканування є одними з найпопулярніших методів сканування.

3. Процесори

Процесор високої ємності, як правило, лежить в основі будь-якої системи LIDAR. Він використовується для синхронізації та координації діяльності всіх окремих компонентів системи LIDAR, забезпечуючи роботу всіх компонентів, коли вони повинні. Процесор інтегрує дані сканера, таймера (якщо не вбудований в підсистему обробки), GPS та IMU для отримання даних точки LIDAR. Ці дані точки висоти потім використовуються для створення карт залежно від програми. У автомобілях Driverless Cars точкові дані використовуються для надання карти навколишнього середовища в режимі реального часу, що допомагає автомобілям уникнути перешкод та загальної навігації.

Якщо світло рухається зі швидкістю близько 0,3 метра на наносекунди і тисячі пучків зазвичай відбиваються назад до сканера, процесор, як правило, повинен мати високу швидкість і високі можливості обробки. Таким чином, вдосконалення обчислювальної потужності обчислювальних елементів стало одним з головних рушіїв технології LIDAR.

4. Електроніка синхронізації

Точний хронометраж є суттєвим у системах LIDAR, оскільки вся операція будується вчасно. Електроніка синхронізації представляє підсистему LIDAR, яка реєструє точний час, коли залишається лазерний імпульс, і точний час, коли він повертається до сканера.

Її точність і акуратність не можна переоцінити. Через розсіяне відбиття імпульси, що розсилаються, зазвичай мають багаторазові повернення, кожен з яких повинен бути точно визначений, щоб забезпечити точність даних.

5. Інерційний блок вимірювань та GPS

Коли датчик LiDAR встановлений на мобільній платформі, такі як супутники, літаки або автомобілі, необхідно визначити абсолютне положення та орієнтацію датчика, щоб зберегти корисні дані. Це досягається використанням системи інерційних вимірювань (IMU) та системи глобального позиціонування (GPS). ІМУ, як правило, складається з акселерометра, гіроскопа та магнітометра для вимірювання швидкості, орієнтації та гравітаційних сил, які в поєднанні використовуються для визначення кутової орієнтації (кроку, крену та похибки) сканера відносно землі. GPS, з іншого боку, забезпечує точну географічну інформацію щодо положення датчика, що дозволяє безпосередньо здійснювати геореференціювання точок об’єкта.Ці два компоненти забезпечують метод переведення даних датчиків у статичні точки для використання в різних системах.

Додаткова інформація, отримана за допомогою GPS та IMU, має вирішальне значення для цілісності отриманих даних, і вона допомагає забезпечити правильну оцінку відстані до поверхонь, особливо в мобільних додатках LIDAR, таких як автономні транспортні засоби та системи уявлення на базі Air Plane.

Типи LiDAR

Хоча системи LIDAR можна класифікувати на типи на основі цілого ряду факторів, існує три загальні типи систем LIDAR, якими є;

Далекомір LIDAR
Диференціальне поглинання LIDAR
Доплерівський ЛІДАР

1. Далекомір LIDAR

Це найпростіші види систем LIDAR. Вони використовуються для визначення відстані від сканера LIDAR до об’єкта або поверхні. Використовуючи принцип часу польоту, описаний у розділі «як це працює», час, необхідний відбиваючому променю на потрапляння в сканер, використовується для визначення відстані між системою LIDAR та об’єктом.

2. Диференціальне поглинання LIDAR

Системи диференціального поглинання LIDAR (іноді їх називають DIAL) зазвичай використовують при дослідженні присутності певних молекул або матеріалів. Системи DIAL зазвичай стріляють лазерними променями двох довжин хвиль, які підібрані таким чином, що одна з довжин хвиль буде поглинена цікавить молекулою, тоді як інша довжина хвилі не буде. Поглинання одного з пучків призводить до різниці (диференціального поглинання) в інтенсивності зворотних пучків, отриманих сканером. Потім ця різниця використовується для визначення рівня присутності досліджуваної молекули. DIAL використовується для вимірювання хімічних концентрацій (таких як озон, водяна пара, забруднюючі речовини) в атмосфері.

3. Доплерівський ЛІДАР

Доплерівський LiDAR використовується для вимірювання швидкості цілі. Коли світлові промені, випущені від LIDAR, потрапляють у ціль, що рухається до або від LIDAR, довжина хвилі світла, що відбивається / розсіюється від цілі, буде трохи змінена. Це відоме як доплерівський зсув - як результат, доплерівський LiDAR. Якщо ціль віддаляється від LiDAR, зворотне світло буде мати довшу довжину хвилі (іноді її називають червоним зсувом), якщо рухається до LiDAR, зворотне світло буде мати меншу довжину хвилі (синій зміщений).

Деякі інші класифікації, за якими системи LIDAR згруповані за типами, включають:

Платформа
Тип зворотного розсіювання

Типи LiDAR на основі платформи

Використовуючи платформу як критерій, системи LIDAR можна згрупувати за чотирма типами, включаючи;

Наземний LIDAR
У повітрі ЛІДАР
Космічний ЛІДАР
Рух ЛІДАР

Ці LIDAR відрізняються між собою конструкцією, матеріалами, довжиною хвилі, світоглядом та іншими факторами, які, як правило, вибираються відповідно до того, що працює в середовищі, для якого вони повинні бути розгорнуті.

Типи LIDAR на основі типу зворотного розсіювання

Під час мого опису того, як працюють системи LIDAR, я згадав, що відображення в LIDAR відбувається через зворотне розсіяння. Різні типи виходів зворотного розсіювання та його іноді використовують для опису типу LIDAR. Типи зворотного розсіювання включають;

Міе
Релі
Раман
Флуоресценція

Застосування LiDAR

Завдяки надзвичайній точності та гнучкості LIDAR має широку кількість застосувань, зокрема, виготовлення карт з високою роздільною здатністю. Окрім геодезії, LIDAR використовується в сільському господарстві, археології та в роботах, оскільки в даний час він є одним з основних факторів, що сприяють автономній гонці транспортних засобів, будучи основним датчиком, що використовується у більшості автомобілів із системою LIDAR, виконуючи роль, подібну до очі для транспортних засобів.

Існує 100 інших програм LiDAR, які ми спробуємо згадати якомога більше.

Автономні транспортні засоби
3D-зображення
Геодезія
Інспекція ліній електропередач
Туризм та управління парками
Екологічна оцінка охорони лісу
Моделювання повені
Екологічна та класифікація земель
Моделювання забруднення
Розвідка нафти і газу
Метеорологія
Океанографія
Всілякі військові програми
Планування стільникової мережі
Астрономія

Обмеження LiDAR

LIDAR, як і будь-яка інша технологія, має свої недоліки. Діапазон і точність систем LIDAR сильно постраждали під час поганих погодних умов. Наприклад, в туманних умовах значна кількість помилкових сигналів генерується через промені, що відбиваються туманом. Зазвичай це призводить до ефекту розсіювання мі, і як такий, основна частина випущеного променя не повертається назад до сканера. Подібне трапляється з дощем, оскільки частинки дощу спричиняють помилкові повернення.

Окрім погоди, системи LIDAR можна обдурити (свідомо чи ненавмисно), щоб думати, що об’єкт існує, блимаючи на ньому “вогнями”. Згідно з публікацією, опублікованою в 2015 році, миготіння простого лазерного вказівника на системі LIDAR, встановленої на автономних транспортних засобах, може дезорієнтувати навігаційні системи транспортного засобу, створюючи враження про існування об'єкта, де його взагалі немає. Цей недолік, особливо у застосуванні лазерів для автомобілів без водія, відкриває багато проблем із безпекою, оскільки автовикрадачам не доведеться довго вдосконалювати принцип використання в атаках. Це також може призвести до аварій, коли автомобілі раптово зупиняються посеред дороги, якщо вони відчують, що вони вважають іншим автомобілем або пішоходом.

Переваги та недоліки LiDAR

Щоб підсумувати цю статтю, ми, мабуть, повинні розглянути причини, чому Ви LIDAR може бути підходящим для Вашого проекту, і причини, чому Ви, мабуть, повинні уникати цього.

Переваги

1. Високошвидкісний та точний збір даних

2. Висока проникність

3. Не впливає інтенсивність світла в навколишньому середовищі і може використовуватися вночі або на сонці.

4. Зображення з високою роздільною здатністю порівняно з іншими методами.

5. Відсутність геометричних спотворень

6. Легко інтегрується з іншими методами збору даних.

7. LIDAR має мінімальну залежність від людини, що добре в певних додатках, де людські помилки можуть вплинути на надійність даних.

Недоліки

1. Вартість LIDAR робить його надмірним для певних проектів. LIDAR найкраще описати як відносно дорогий.

2. Системи LIDAR погано працюють в умовах сильного дощу, туману чи снігу.

3. Системи LIDAR генерують великі масиви даних, для обробки яких потрібні великі обчислювальні ресурси.

4. Ненадійний при застосуванні турбулентних вод.

5. Залежно від прийнятої довжини хвилі, продуктивність систем LIDAR обмежена на висоті, оскільки імпульси, що спрацьовують у певному виді LIDAR, стають неефективними на певних висотах.

LIDAR для любителів та виробників

Завдяки вартості LIDAR, більшість систем LIDAR на ринку (наприклад, velodyne LIDAR) використовуються в промислових додатках (для об’єднання всіх додатків, що не стосуються любителів).

Найбільш близьким до «хобі класу» LIDAR системи доступні прямо зараз в iLidar датчики Твердотільний ЛИДАР, розроблені Hybo. Це невелика система LiDAR, здатна здійснювати 3D-відображення (без обертання датчика) з ефективним максимальним діапазоном 6 метрів. Датчик оснащений USB-портом поряд з портом UART / SPI / i2C, через який може бути встановлений зв’язок між датчиком та мікроконтролером.

iLidar був розроблений на будь-який смак, а функції, пов’язані з LiDAR, роблять його привабливим для виробників.