Kas yra lidaras ir kaip jis veikia

Automobiliai be vairuotojų, kurie buvo viena didžiausių dešimtojo dešimtmečio fantazijų (kurstyta ankstesnių filmų, tokių kaip „Meilės klaida“ ir „Griovimo žmogus“), šiandien yra realybė dėl didžiulio pažangos, padarytos aplink kelias technologijas, ypač LIDAR.

Kas yra LiDAR?

LIDAR (reiškia Šviesos aptikimas ir diapazonas) yra diapazono technologija, matuojanti objekto atstumą, šaudant šviesos pluoštais į objektą, o atstumui įvertinti naudojama atspindėto šviesos pluošto laikas ir bangos ilgis ir kai kuriose programose („Laser“ Imaging), sukurkite 3D objekto vaizdą.

Nors lazerio idėją galima susieti su „EH Synge“ darbu 1930 m., Tai nebuvo dalykas iki 1960-ųjų pradžios, išradus lazerį. Iš esmės derinant į lazerį orientuotą vaizdą ir galimybę apskaičiuoti atstumus, naudojant skrydžio laiką, jis ankstyviausiai pritaikytas meteorologijoje, kur jis buvo naudojamas debesims matuoti, ir kosmose, kur žemėlapiui naudoti buvo naudojamas lazerinis altimetras. mėnulio paviršius „Apollo 15“ misijos metu. Nuo to laiko technologija tobulėjo ir buvo naudojama įvairiose programose, įskaitant; seisminės veiklos aptikimas, okeanografija, archeologija ir navigacija.

Kaip veikia „LiDAR“

Technologija yra gana panaši į RADAR (radijo bangų navigacija, naudojama laivuose ir lėktuvuose) ir SONAR (povandeninių objektų aptikimas ir navigacija naudojant garsą, dažniausiai naudojamą povandeninių laivų), kurios naudoja bangų atspindžio principą objektams aptikti ir atstumą. įvertinimas. Tačiau, nors „RADAR“ remiasi radijo bangomis, o „SONAR“ - garsais, „ LIDAR“ - šviesos spinduliais (lazeriu).

LIDAR naudoja šviesą įvairiais bangos ilgiais, įskaitant; ultravioletinė, matoma ar artima infraraudonųjų spindulių šviesa, skirta vaizdiniams objektams ir kuri gali aptikti visų rūšių medžiagų kompozicijas, įskaitant nemetalai, uolienos, lietus, cheminiai junginiai, aerozoliai, debesys ir net pavienės molekulės. LIDAR sistemos galėtų paleisti iki 1 000 000 šviesos impulsų per sekundę ir panaudoti laiką, per kurį impulsai atsispindėtų prie skaitytuvo, kad nustatytų atstumą, kuriame yra objektai ir paviršiai aplink skaitytuvą. Atstumo nustatymo technika yra žinoma kaip skrydžio laikas, o jos lygtis pateikiama žemiau.

Atstumas = (šviesos greitis x skrydžio laikas) / 2

Daugumoje programų, išskyrus tik nuotolinius matavimus, sukuriamas aplinkos / objekto, į kurį paleidžiamas šviesos pluoštas, 3D žemėlapis. Tai daroma nuolat šaudant lazerio spinduliu į objektą ar aplinką.

Svarbu pažymėti, kad, priešingai nei plokščiuose veidrodžiuose gaunamas atspindžio tipo atspindys , LIDAR sistemose patiriamas atspindys yra atgalinis išsklaidytas atspindys, nes šviesos bangos paskleidžiamos atgal kryptimi, kur jos atsirado. Priklausomai nuo taikymo, LIDAR sistemos naudoja skirtingus atgalinio sklaidos variantus, įskaitant Rayleigh ir Raman sklaidą,

LIDAR sistemos komponentai

LIDAR sistemą paprastai sudaro 5 elementai, kurių tikimasi būti, neatsižvelgiant į taikymo pokyčius. Šie pagrindiniai komponentai yra:

Lazeris
Skaitytuvai ir optikos sistema
Procesorius
Tiksli laiko elektronika
Inercinis matavimo įrenginys ir GPS

1. Lazeris

Lazeris tarnauja kaip šviesos impulsų energijos šaltinis. LIDAR sistemose naudojamo lazerio bangos ilgis kiekvienoje programoje skiriasi dėl specifinių tam tikrų programų reikalavimų. Pavyzdžiui, „Airborne LiDAR“ sistemose naudojami 1064 nm diodiniai YAG lazeriai, o „Batymetric“ sistemose - 532 nm dvigubo diodo pumpuojami YAG lazeriai, kurie prasiskverbia į vandenį (iki 40 metrų) su daug mažesniu slopinimu nei ore skleidžiama 1064 nm versija. Tačiau, kad ir kaip būtų naudojama, saugumui užtikrinti naudojami lazeriai paprastai turi mažai energijos.

2. Skaitytuvas ir optika

Skaitytuvai yra svarbi bet kurios LIDAR sistemos dalis. Jie yra atsakingi už lazerio impulsų projektavimą į paviršius ir atgalinių impulsų priėmimą iš paviršiaus. Vaizdų, kuriuos kuria LIDAR sistema, kūrimo greitis priklauso nuo greičio, kuriuo skaitytuvai užfiksuoja atbulinius spindulius. Nepaisant taikymo, LIDAR sistemoje naudojama optika turi būti labai tiksli ir kokybiška, kad būtų pasiekti geriausi rezultatai, ypač žemėlapių sudarymo srityje. Lęšių tipas, konkretus stiklo pasirinkimas ir naudojamos optinės dangos yra pagrindiniai LIDAR skiriamąją gebą ir diapazono galimybes lemiantys veiksniai.

Priklausomai nuo programos, skirtingoms raiškoms gali būti pritaikyti įvairūs nuskaitymo metodai. Azimuto ir aukščio nuskaitymas bei dvigubos ašies nuskaitymas yra vieni populiariausių nuskaitymo būdų.

3. Procesoriai

Didelės talpos procesorius paprastai yra bet kurios LIDAR sistemos pagrindas. Jis naudojamas visų atskirų LIDAR sistemos komponentų veiklai sinchronizuoti ir koordinuoti užtikrinant, kad visi komponentai veikia tada, kai turėtų. Procesorius integruoja duomenis iš skaitytuvo, laikmačio (jei jis nėra įmontuotas į apdorojimo posistemį), GPS ir IMU, kad gautų LIDAR taško duomenis. Šie aukščio taškų duomenys naudojami kuriant žemėlapius, priklausomai nuo programos. „Automobiliuose be vairuotojų“ taškų duomenys naudojami norint pateikti realiuoju laiku pateikiamą aplinkos žemėlapį, kuris padėtų automobiliams išvengti kliūčių ir bendra navigacija.

Kai šviesa sklinda maždaug 0,3 metro per nanosekundę greičiu ir tūkstančiai pluoštų paprastai atsispindi atgal į skaitytuvą, paprastai reikalaujama, kad procesorius veiktų sparčiai ir turėtų daug apdorojimo galimybių. Taigi skaičiavimo elementų apdorojimo galios pažanga buvo vienas pagrindinių LIDAR technologijos variklių.

4. Laiko elektronika

Tikslus laiko nustatymas yra esminis dalykas LIDAR sistemose, nes visa operacija sukurta laiku. Laiko elektronika atspindi LIDAR posistemį, kuris fiksuoja tikslų laiką, kurį palieka lazerio impulsas, ir tikslų laiką, kurį jis grąžina į skaitytuvą.

Jo tikslumo ir tikslumo negalima pernelyg pabrėžti. Dėl išsklaidyto atspindžio siunčiami impulsai paprastai turi kelias grąžas, iš kurių kiekvieną reikia tiksliai numatyti, kad būtų užtikrintas duomenų tikslumas.

5. Inercinis matavimo įrenginys ir GPS

Kai LiDAR jutiklis yra sumontuotas ant mobilios platformos, tokios kaip palydovai, lėktuvai ar automobiliai, būtina nustatyti absoliučią jutiklio padėtį ir orientaciją, kad būtų išsaugoti tinkami naudoti duomenys. Tai pasiekiama naudojant inercinio matavimo sistemą (IMU) ir visuotinę padėties nustatymo sistemą (GPS). IMU paprastai susideda iš akselerometro, giroskopo ir magnetometro greičiui, orientacijai ir gravitacijos jėgoms matuoti, kurie kartu yra naudojami nustatant skaitytuvo kampinę orientaciją (tūpimo, pasukimo ir pakreipimo) žemės atžvilgiu. Kita vertus, GPS teikia tikslią geografinę informaciją apie jutiklio padėtį, tokiu būdu leidžiantis tiesiogiai geografiškai nustatyti objekto taškus.Šie du komponentai pateikia jutiklių duomenų pavertimo statiniais taškais metodą, skirtą naudoti įvairiose sistemose.

Papildoma informacija, gauta naudojant GPS ir IMU, yra labai svarbi gaunamų duomenų vientisumui, ir ji padeda užtikrinti, kad atstumas iki paviršių būtų teisingai įvertintas, ypač mobiliosiose LIDAR programose, tokiose kaip autonominės transporto priemonės ir „Air Plane“ pagrįstos įsivaizduojamos sistemos.

LiDAR tipai

Nors LIDAR sistemas galima suskirstyti į tipus remiantis daugeliu veiksnių, yra trys bendrieji LIDAR sistemų tipai;

Nuotolio ieškiklis LIDAR
Diferencinė absorbcija LIDAR
Doplerio LIDARAS

1. Nuotolio ieškiklis LIDAR

Tai yra paprasčiausia LIDAR sistemų rūšis. Jie naudojami norint nustatyti atstumą nuo skaitytuvo LIDAR iki objekto ar paviršiaus. Taikant skrydžio laiko principą, aprašytą skyriuje „kaip tai veikia“, atstumui tarp LIDAR sistemos ir objekto nustatyti naudojamas laikas, per kurį atspindžio spindulys pataikys į skaitytuvą.

2. Diferencinė absorbcija LIDAR

Diferencinės absorbcijos LIDAR sistemos (kartais vadinamos DIAL) paprastai naudojamos tiriant tam tikrų molekulių ar medžiagų buvimą. DIAL sistemos dažniausiai iššaudo dviejų bangos ilgių lazerio pluoštus, kurie parenkami taip, kad vieną iš bangos ilgių absorbuotų dominanti molekulė, o kito bangos ilgio nebus. Vienos iš spindulių absorbcija lemia skaitytuvo gaunamų grįžtamųjų spindulių intensyvumo skirtumą (diferencinę absorbciją). Šis skirtumas yra naudojamas tiriamos molekulės buvimo lygiui nustatyti. DIAL buvo naudojamas cheminėms koncentracijoms (tokioms kaip ozonas, vandens garai, teršalai) atmosferoje matuoti.

3. Doplerio LIDAR

Doplerio LiDAR naudojamas taikinio greičiui matuoti. Kai šviesos spinduliai, paleisti iš LIDAR, atsitrenkia į taikinį, judantį link LIDAR arba nuo jo, nuo taikinio atspindimos / išsklaidytos šviesos bangos ilgis bus šiek tiek pakeistas. Tai vadinama Doplerio poslinkiu - dėl to Doplerio LiDAR. Jei taikinys tolsta nuo LiDAR, grįžtamosios šviesos bangos ilgis bus ilgesnis (kartais vadinamas raudonu poslinkiu), o judant link LiDAR, grįžtamoji šviesa bus trumpesnio bangos ilgio (mėlyna pasislinkusi).

Kai kurios kitos klasifikacijos, pagal kurias LIDAR sistemos yra suskirstytos į tipus, yra:

Platforma
Atgalinio sklaidos tipas

LiDAR tipai, pagrįsti platforma

Naudojant platformą kaip kriterijų, LIDAR sistemas galima suskirstyti į keturis tipus, įskaitant;

Antžeminis LIDAR
Ore skraidantis LIDAR
Spaceborne LIDAR
Judėjimas LIDAR

Šie LIDAR skiriasi konstrukcija, medžiagomis, bangos ilgiu, perspektyva ir kitais veiksniais, kurie paprastai parenkami atsižvelgiant į tai, kas tinka aplinkai, kuriai jie bus skirti.

LIDAR tipai pagal atgalinio sklaidos tipą

Aprašydamas, kaip veikia LIDAR sistemos, paminėjau, kad atspindys LIDAR vyksta per atgalinį sklaidą. Skirtingo atbulinio sklaidos išėjimų tipas ir kartais naudojamas apibūdinant LIDAR tipą. Atgalinio sklaidos tipai apima;

Mie
Rayleigh
Ramanas
Fluorescencija

„LiDAR“ programos

Dėl ypatingo tikslumo ir lankstumo LIDAR turi daugybę programų, visų pirma aukštos raiškos žemėlapių gamybą. Be tyrimų, LIDAR buvo naudojamas žemės ūkyje, archeologijoje ir robotuose, nes šiuo metu jis yra vienas iš pagrindinių autonominių transporto priemonių lenktynių įgalintojų. Tai yra pagrindinis jutiklis, naudojamas daugumoje transporto priemonių, kuriose LIDAR sistema atlieka panašų vaidmenį kaip ir transporto priemonių akys.

Yra dar 100 kitų „LiDAR“ programų ir bandysime paminėti kuo daugiau toliau.

Autonominės transporto priemonės
3D vaizdavimas
Žemės tyrimas
Elektros linijos tikrinimas
Turizmo ir parkų valdymas
Miškų apsaugos aplinkos įvertinimas
Potvynių modeliavimas
Ekologinė ir žemės klasifikacija
Taršos modeliavimas
Naftos ir dujų žvalgymas
Meteorologija
Okeanografija
Visokios karinės programos
Ląstelių tinklo planavimas
Astronomija

LiDAR apribojimai

LIDAR, kaip ir visos kitos technologijos, turi savų trūkumų. Diapazonas ir tikslumas LIDAR sistemų nukentėjo per blogų oro sąlygų. Pavyzdžiui, esant miglotoms sąlygoms, dėl miglos atspindimų pluoštų susidaro nemažai melagingų signalų. Paprastai tai sukelia miežių sklaidos efektą, todėl didžioji dalis apšaudytos sijos negrįžta atgal į skaitytuvą. Panašus atvejis patiriamas ir lietaus metu, nes lietaus dalelės sukelia melagingą grąžą.

Be oro sąlygų, LIDAR sistemas galima apgauti (tyčia ar netyčia) manyti, kad objektas egzistuoja mirksėdamas „žiburiais“. Pasak 2015 m. Paskelbto dokumento, paprasto lazerinio rodyklės mirksėjimas ant autonominių transporto priemonių montuojamos LIDAR sistemos gali dezorientuoti transporto priemonės navigacijos sistemas ir susidaryti įspūdį, kad objektas egzistuoja ten, kur jo nėra. Šis trūkumas, ypač taikant be vairuotojo naudojamus lazerius, atveria daugybę saugumo problemų, nes neilgai trukus automobilių grobikai išgrynins išpuolių principą. Tai taip pat gali sukelti nelaimingus atsitikimus, kai automobiliai staiga sustoja viduryje kelio, jei nujausdavo, jų manymu, kitą automobilį ar pėsčiąjį.

LiDAR privalumai ir trūkumai

Norėdami užbaigti šį straipsnį, tikriausiai turėtume ieškoti priežasčių, kodėl „LIDAR“ galėtų būti tinkamas jūsų projektui, ir priežasčių, kodėl turėtumėte jo vengti.

Privalumai

1. Greitas ir tikslus duomenų rinkimas

2. Didelis skvarbumas

3. Neturi įtakos šviesos intensyvumui savo aplinkoje ir gali būti naudojamas naktį ar saulėje.

4. Didelės skiriamosios gebos vaizdavimas, palyginti su kitais metodais.

5. Jokių geometrinių iškraipymų

6. Lengvai integruojamas su kitais duomenų gavimo būdais.

7. LIDAR turi minimalią žmogaus priklausomybę, kuri yra gera tam tikrose programose, kur žmogaus klaidos gali turėti įtakos duomenų patikimumui.

Trūkumai

1. Dėl LIDAR kainos tam tikri projektai yra per dideli. Geriausiai LIDAR apibūdinamas kaip palyginti brangus.

2. LIDAR sistemos blogai veikia esant stipriam lietui, rūkui ar sniegui.

3. LIDAR sistemos sukuria didelius duomenų rinkinius, kurių apdorojimui reikalingi dideli skaičiavimo ištekliai.

4. Nepatikimas turbulentinio vandens atveju.

5. Priklausomai nuo priimto bangos ilgio, LIDAR sistemų veikimas yra ribotas aukštyje, nes tam tikros rūšies LIDAR impulsai tam tikru aukščiu tampa neveiksmingi.

„LIDAR“ mėgėjams ir kūrėjams

Dėl LIDAR kainų dauguma rinkoje esančių LIDAR sistemų (pvz., Velodiono LIDAR) yra naudojamos pramonėje (kad būtų sujungtos visos „nemėgėjų“ programos).

Arčiausiai „mėgėjų lygio“ LIDAR sistemos šiuo metu yra „Hybo“ sukurti „iLidar Solid-State LiDAR“ jutikliai. Tai maža „LiDAR“ sistema, galinti 3D žemėlapius (nesukant jutiklio), kurio efektyvus maksimalus nuotolis yra 6 metrai. Jutiklis turi USB prievadą kartu su UART / SPI / i2C prievadu, per kurį galima užmegzti ryšį tarp jutiklio ir mikrovaldiklio.

„iLidar“ buvo sukurtas taip, kad tiktų visiems, o su „LiDAR“ susijusios funkcijos daro jį patrauklų kūrėjams.