Kas ir lidārs un kā tas darbojas

Automašīnas bez vadītāja, kas bija viena no deviņdesmito gadu lielākajām tehnoloģiskajām fantāzijām (kuras pamatā bija tādas agrākas filmas kā “The Love Bug” un “Demolition Man”), šodien ir realitāte, pateicoties milzīgajam progresam, kas panākts ap vairākām tehnoloģijām, īpaši LIDAR.

Kas ir LiDAR?

LIDAR (apzīmē gaismas detektēšanu un diapazona noteikšanu) ir diapazona tehnoloģija, kas mēra objekta attālumu, raidot gaismas objektus uz objektu un izmantojot atstarotā gaismas kūļa laiku un viļņa garumu, lai aprēķinātu attālumu, un dažās lietojumprogrammās (Lāzers Attēlveidošana), izveidojiet objekta 3D attēlojumu.

Kaut arī lāzera ideja ir meklējama EH Synge darbā 1930. gadā, tā nebija lieta tikai 1960. gadu sākumā, pēc lāzera izgudrošanas. Būtībā kombinācija ar lāzeru fokusētu attēlveidošanu un spēju aprēķināt attālumus, izmantojot lidojuma laiku, tā atrada savus agrīnākos pielietojumus meteoroloģijā, kur to izmantoja mākoņu mērīšanai, un kosmosā, kur lāzera altimetru izmantoja mēness virsma Apollo 15 misijas laikā. Kopš tā laika tehnoloģija ir uzlabojusies un ir izmantota dažādās lietojumprogrammās, tostarp; seismisko darbību noteikšana, okeanogrāfija, arheoloģija un navigācija, lai pieminētu dažus.

Kā darbojas LiDAR

Tehnoloģija ir diezgan līdzīga RADAR (radioviļņu navigācija, ko izmanto kuģi un lidmašīnas) un SONAR (zemūdens objektu noteikšana un navigācija, izmantojot skaņu, galvenokārt izmanto zemūdenes) tehnoloģijai, kas gan objektu noteikšanai, gan attālumam izmanto viļņu atstarošanas principu. novērtējums. Tomēr, lai gan RADAR pamatā ir radioviļņi un SONAR - skaņas, LIDAR pamatā ir gaismas stari (lāzeri).

LIDAR izmanto gaismu dažādos viļņu garumos, ieskaitot; ultravioletā, redzamā vai tuvu infrasarkanā gaisma attēlu objektiem un tā kā tāda spēj noteikt visa veida materiālu kompozīcijas, ieskaitot; nemetāli, ieži, lietus, ķīmiskie savienojumi, aerosoli, mākoņi un pat atsevišķas molekulas. LIDAR sistēmas varētu iedarbināt līdz 1 000 000 gaismas impulsu sekundē un izmantot laiku, kas vajadzīgs, lai impulsi tiktu atstaroti atpakaļ uz skeneri, lai noteiktu attālumu, kādā atrodas skenera apkārtējie objekti un virsmas. Attāluma noteikšanai izmantotā tehnika ir lidojuma laiks, un tās vienādojums ir norādīts zemāk.

Attālums = (Gaismas ātrums x Lidojuma laiks) / 2

Lielākajā daļā lietojumu, izņemot tikai tālus mērījumus, tiek izveidota 3D karte ar vidi / objektu, uz kuru tika iedarbināts gaismas stars. Tas tiek darīts, nepārtraukti iedarbinot lāzera staru uz objektu vai vidi.

Ir svarīgi atzīmēt, ka atšķirībā no spoguļa tipa atstarošanas, kas iegūstams plakanajos spoguļos, LIDAR sistēmās piedzīvotā atstarošana ir atpakaļ izkliedēta atstarošana, kad gaismas viļņi tiek izkliedēti atpakaļ virzienā, kur tie nonāca. Atkarībā no lietojuma, LIDAR sistēmas izmanto dažādas atgriezeniskās izkliedes variācijas, ieskaitot Rayleigh un Raman izkliedi,

LIDAR sistēmas sastāvdaļas

LIDAR sistēma parasti sastāv no 5 elementiem, kas, domājams, ir sastopami neatkarīgi no pielietojuma izraisītajām izmaiņām. Šīs galvenās sastāvdaļas ietver:

Lāzers
Skeneri un optikas sistēma
Procesors
Precīza laika elektronika
Inerciāla mērvienība un GPS

1. Lāzers

Lāzers kalpo kā gaismas impulsu enerģijas avots. LIDAR sistēmās izvietotā lāzera viļņa garums dažādās lietojumprogrammās atšķiras dažu lietojumu īpašo prasību dēļ. Piemēram, gaisā esošās LiDAR sistēmās tiek izmantoti 1064 nm diodu sūknēti YAG lāzeri, savukārt Bathymetric sistēmās tiek izmantoti 532 nm dubultdiodes sūknētie YAG lāzeri, kas iekļūst ūdenī (līdz 40 metriem) ar daudz mazāku vājinājumu nekā gaisā esošā 1064 nm versija. Tomēr neatkarīgi no pielietojuma, lai nodrošinātu drošību, parasti izmantotie lāzeri ir ar zemu enerģijas patēriņu.

2. Skeneris un optika

Skeneri ir svarīga jebkuras LIDAR sistēmas sastāvdaļa. Viņi ir atbildīgi par lāzera impulsu projicēšanu uz virsmām un atstaroto impulsu saņemšanu no virsmas. Attēlu izstrādes ātrums, izmantojot LIDAR sistēmu, ir atkarīgs no ātruma, kādā skeneri uztver aizmugures izkliedētos starus. Neatkarīgi no pielietojuma, LIDAR sistēmā izmantotajai optikai jābūt ļoti precīzai un kvalitatīvai, lai iegūtu labākos rezultātus, īpaši kartēšanā. Lēcu veids, īpaša stikla izvēle un izmantotie optiskie pārklājumi ir galvenie LIDAR izšķirtspējas un diapazona iespēju noteicēji.

Atkarībā no lietojumprogrammas var izmantot dažādas skenēšanas metodes dažādām izšķirtspējām. Azimuta un augstuma skenēšana, kā arī divasu skenēšana ir viena no populārākajām skenēšanas metodēm.

3. Procesori

Lielas ietilpības procesors parasti ir jebkuras LIDAR sistēmas pamatā. To izmanto, lai sinhronizētu un koordinētu visu LIDAR sistēmas atsevišķo komponentu darbības, nodrošinot, ka visi komponenti darbojas, kad vajadzētu. Procesors integrē datus no skenera, taimera (ja tas nav iebūvēts apstrādes apakšsistēmā), GPS un IMU, lai iegūtu LIDAR punkta datus. Pēc tam šie augstuma punktu dati tiek izmantoti, lai izveidotu kartes atkarībā no lietojuma. Automašīnās bez vadītāja punktu dati tiek izmantoti, lai nodrošinātu reāllaika vides karti, lai palīdzētu automašīnām izvairīties no šķēršļiem un vispārīgi pārvietoties.

Gaismai, kas pārvietojas ar ātrumu aptuveni 0,3 metri uz nanosekundēm, un tūkstošiem staru kūļu, kas parasti tiek atstaroti atpakaļ uz skeneri, parasti tiek prasīts, lai procesoram būtu liels ātrums un lielas apstrādes iespējas. Tādējādi skaitļošanas elementu apstrādes jaudas attīstība ir bijusi viens no galvenajiem LIDAR tehnoloģijas virzītājspēkiem.

4. Laika elektronika

Precīzs laiks ir būtisks LIDAR sistēmās, jo visa darbība tiek veidota laikā. Laika elektronika apzīmē LIDAR apakšsistēmu, kas reģistrē precīzu laiku, kad iziet lāzera impulss, un precīzu laiku, kad tas atgriežas skenerī.

Tās precizitāti un precizitāti nevar pārāk uzsvērt. Izkliedētās atstarošanas dēļ izsūtītajiem impulsiem parasti ir vairākas atdeves, no kurām katra ir precīzi jāplāno, lai nodrošinātu datu precizitāti.

5. Inerciāla mērvienība un GPS

Kad LiDAR sensors ir uzstādīts uz mobilas platformas, piemēram, satelītiem, lidmašīnām vai automašīnām, ir jānosaka sensora absolūtā pozīcija un orientācija, lai saglabātu izmantojamos datus. To panāk, izmantojot inerciālu mērījumu sistēmu (IMU) un globālo pozicionēšanas sistēmu (GPS). IMU parasti sastāv no akselerometra, žiroskopa un magnetometra, lai izmērītu ātrumu, orientāciju un gravitācijas spēkus, kas kopā tiek izmantoti, lai noteiktu skenera leņķisko orientāciju (piķis, rullis un līkums) attiecībā pret zemi. No otras puses, GPS nodrošina precīzu ģeogrāfisko informāciju par sensora atrašanās vietu, tādējādi ļaujot tieši noteikt objekta punktu ģeoreferenci.Šie divi komponenti nodrošina sensoru datu pārveidošanu statiskos punktos, lai tos izmantotu dažādās sistēmās.

Papildu informācija, kas iegūta, izmantojot GPS un IMU, ir būtiska iegūto datu integritātei, un tā palīdz nodrošināt pareizu aplēšu attālumu līdz virsmām, īpaši mobilajās LIDAR lietojumprogrammās, piemēram, autonomos transportlīdzekļos un uz Air Plane balstītās iedomāties sistēmās.

LiDAR veidi

Lai gan LIDAR sistēmas var iedalīt tipos, pamatojoties uz diezgan daudziem faktoriem, pastāv trīs vispārīgi LIDAR sistēmu veidi;

Diapazona meklētājs LIDAR
Diferenciālā absorbcija LIDAR
Doplera LIDAR

1. Diapazona meklētājs LIDAR

Tie ir vienkāršākie LIDAR sistēmu veidi. Tos izmanto, lai noteiktu attālumu no skenera LIDAR līdz objektam vai virsmai. Izmantojot lidojuma laika principu, kas aprakstīts sadaļā “kā tas darbojas”, laiks, kas vajadzīgs, lai atstarošanas stars nokļūtu skenerī, tiek izmantots, lai noteiktu attālumu starp LIDAR sistēmu un objektu.

2. Diferenciālā absorbcija LIDAR

Diferenciālās absorbcijas LIDAR sistēmas (dažreiz dēvētas arī par DIAL) parasti tiek izmantotas, pētot noteiktu molekulu vai materiālu klātbūtni. DIAL sistēmas parasti izšauj divu viļņu garumu lāzera starus, kas tiek izvēlēti tā, ka vienu no viļņu garumiem absorbēs interesējošā molekula, bet otru viļņu garums nebūs. Viena no sijām absorbējot rodas atšķirība (diferenciālā absorbcija) skenera saņemto atdeves staru intensitātē. Pēc tam šo atšķirību izmanto, lai secinātu pētāmās molekulas klātbūtnes līmeni. DIAL ir izmantots ķīmisko koncentrāciju (piemēram, ozona, ūdens tvaiku, piesārņotāju) mērīšanai atmosfērā.

3. Doplera LIDAR

Mērķa ātruma mērīšanai izmanto dopleru LiDAR. Kad no LIDAR raidītie gaismas stari ietriecas mērķī, kas virzās uz LIDAR vai prom no tā, no mērķa atstarotās / izkliedētās gaismas viļņa garums nedaudz mainīsies. Tas ir pazīstams kā Doplera maiņa - rezultātā Doplera LiDAR. Ja mērķis virzās prom no LiDAR, atgriešanās gaismai būs lielāks viļņa garums (dažreiz to sauc par sarkano nobīdi), ja, virzoties uz LiDAR, atgriezeniskā gaisma atradīsies īsākā viļņa garumā (zilā nobīdītā).

Dažas citas klasifikācijas, kurās LIDAR sistēmas ir sagrupētas tipos, ietver:

Platforma
Backscattering veids

LiDAR veidi, kuru pamatā ir platforma

Izmantojot platformu kā kritēriju, LIDAR sistēmas var grupēt četros veidos, tostarp;

Zemes LIDAR
Lidars LIDAR
Spaceborne LIDAR
Kustība LIDAR

Šie LIDAR atšķiras pēc uzbūves, materiāliem, viļņa garuma, perspektīvas un citiem faktoriem, kurus parasti izvēlas, lai tie atbilstu darbam vidē, kurā tos paredzēts izvietot.

LIDAR veidi, kas balstīti uz aizmugures izkliedes veidu

Aprakstot LIDAR sistēmu darbību, es pieminēju, ka LIDAR atspoguļojums notiek ar atpakaļejošu izkliedi. Dažāda veida aizmugures izkliedes izejas un to dažreiz izmanto, lai aprakstītu LIDAR tipu. Atklāšanas veidi ietver;

Mie
Reilijs
Ramans
Fluorescence

LiDAR lietojumi

Īpaši precīzas un elastīgas dēļ LIDAR ir plašs lietojumu skaits, jo īpaši augstas izšķirtspējas karšu izgatavošana. Papildus mērījumiem LIDAR ir izmantots lauksaimniecībā, arheoloģijā un robotos, jo tas pašlaik ir viens no galvenajiem autonomo transportlīdzekļu sacīkstes iespējotājiem, jo tas ir galvenais sensors, ko izmanto lielākajā daļā transportlīdzekļu, kuru LIDAR sistēma veic līdzīgu lomu kā transportlīdzekļu acis.

Ir vēl simtiem citu LiDAR lietojumprogrammu, un tās mēģinās minēt pēc iespējas vairāk.

Autonomie transportlīdzekļi
3D attēlveidošana
Zemes mērīšana
Elektrolīnijas pārbaude
Tūrisma un parku vadība
Vides novērtējums meža aizsardzībai
Plūdu modelēšana
Ekoloģiskā un zemes klasifikācija
Piesārņojuma modelēšana
Naftas un gāzes izpēte
Meteoroloģija
Okeonogrāfija
Visu veidu militārie pielietojumi
Šūnu tīkla plānošana
Astronomija

LiDAR ierobežojumi

Tāpat kā jebkurai citai tehnoloģijai, LIDAR ir savi trūkumi. Diapazons un precizitāte LIDAR sistēmu smagi ietekmē slikti laika apstākļi. Piemēram, Miglas apstākļos ievērojams daudzums viltus signālu tiek radīts, pateicoties miglas atstarotām sijām. Tas parasti noved pie mieu izkliedes efekta, un tādējādi lielākā daļa izšautās sijas vairs neatgriežas skenerī. Līdzīgs gadījums ir lietus laikā, jo lietus daļiņas rada viltus atgriešanos.

Bez laika apstākļiem LIDAR sistēmas var apmānīt (vai nu apzināti, vai neapzināti) domāt, ka kāds objekts pastāv, mirgot ar to “gaismas”. Saskaņā ar 2015. gadā publicēto dokumentu vienkārša lāzera rādītāja mirgošana pie autonomiem transportlīdzekļiem piestiprinātas LIDAR sistēmas varētu dezorientēt transportlīdzekļa navigācijas sistēmas, radot priekšstatu par objekta esamību tur, kur tāda nav. Šis trūkums, jo īpaši, ja lāzeri tiek pielietoti bez vadītāja, paver daudz drošības problēmu, jo autovadītājiem nebūs vajadzīgs ilgāks laiks, lai precizētu principu, ko izmantot uzbrukumos. Tas var izraisīt arī nelaimes gadījumus, kad automašīnas pēkšņi apstājas ceļa vidū, ja viņi nojauta, ko viņi uzskata par citu automašīnu vai gājēju.

LiDAR priekšrocības un trūkumi

Lai apkopotu šo rakstu, mums, iespējams, vajadzētu apskatīt iemeslus, kāpēc jūs LIDAR varētu būt piemērots jūsu projektam, un iemeslus, kāpēc jums, iespējams, vajadzētu no tā izvairīties.

Priekšrocības

1. Liela ātruma un precīza datu iegūšana

2. Augsta iespiešanās

3. To neietekmē gaismas intensitāte savā vidē, un to var izmantot naktī vai saulē.

4. Augstas izšķirtspējas attēlveidošana salīdzinājumā ar citām metodēm.

5. Nav ģeometrisku deformāciju

6. Viegli integrējama ar citām datu iegūšanas metodēm.

7. LIDAR ir minimāla cilvēku atkarība, kas ir laba noteiktos lietojumos, kur cilvēku kļūdas var ietekmēt datu ticamību.

Trūkumi

1. LIDAR izmaksu dēļ tas pārspēj dažus projektus. LIDAR vislabāk raksturo kā salīdzinoši dārgu.

2. LIDAR sistēmas slikti darbojas stipra lietus, miglas vai sniega apstākļos.

3. LIDAR sistēmas ģenerē lielas datu kopas, kuru apstrādei nepieciešami lieli skaitļošanas resursi.

4. Neuzticams turbulentā ūdens pielietojumā.

5. Atkarībā no pieņemtā viļņa garuma LIDAR sistēmu darbība ir ierobežota augstumā, jo noteikta veida LIDAR raidītie impulsi noteiktā augstumā kļūst neefektīvi.

LIDAR hobijam un veidotājiem

LIDAR izmaksu dēļ lielākā daļa tirgū esošo LIDAR sistēmu (piemēram, velodīnija LIDAR) tiek izmantotas rūpnieciskos nolūkos (lai apvienotu visas lietojumprogrammas, kas nav hobijas).

Tuvākā “hobija līmeņa” LIDAR sistēmai, kas šobrīd pieejama, ir Hybo izstrādātie iLidar cietvielu LiDAR sensori. Tā ir maza LiDAR sistēma, kas spēj veikt 3D kartēšanu (bez sensora pagriešanas) ar efektīvo maksimālo diapazonu 6 metri. Sensors ir aprīkots ar USB pieslēgvietu blakus UART / SPI / i2C pieslēgvietai, caur kuru var izveidot sakarus starp sensoru un mikrokontrolleru.

iLidar tika izstrādāts tā, lai tas būtu piemērots visiem, un ar LiDAR saistītās funkcijas padara to pievilcīgu veidotājiem.