Что такое лидар и как он работает

Беспилотные автомобили, которые были одной из самых больших технологических фантазий 1990-х годов (подпитывались более ранними фильмами, такими как «Любовный жук» и «Человек-подрывник»), стали реальностью сегодня благодаря огромному прогрессу, достигнутому в нескольких технологиях, особенно в LIDAR.

Что такое LiDAR?

LIDAR (расшифровывается как Light Detection and Ranging) - это технология определения расстояния, которая измеряет расстояние до объекта, направляя лучи света на объект и используя время и длину волны отраженного луча света для оценки расстояния и в некоторых приложениях (лазер Imaging) создайте трехмерное представление Объекта.

Хотя идея лазера восходит к работе EH Synge в 1930 году, этого не было до начала 1960-х годов, после изобретения лазера. По сути, комбинация лазерно-сфокусированной визуализации с возможностью вычисления расстояний с использованием метода времени пролета, она нашла свое самое раннее применение в метеорологии, где она использовалась для измерения облаков, и в космосе, где лазерный высотомер использовался для картографирования поверхность Луны во время миссии Apollo 15. С тех пор технология улучшилась и использовалась в различных приложениях, включая: обнаружение сейсмической активности, океанография, археология и навигация и многие другие.

Как работает LiDAR

Технология очень похожа на технологию RADAR (радиоволновая навигация, используемая кораблями и самолетами) и SONAR (обнаружение подводных объектов и навигация с использованием звука, в основном используется на подводных лодках), которые используют принцип отражения волн для обнаружения объектов и расстояния. предварительный расчет. Однако, в то время как РАДАР основан на радиоволнах, а СОНАР основан на звуках, ЛИДАР основан на световых лучах (лазере).

LIDAR использует свет с разными длинами волн, в том числе; ультрафиолетовый, видимый или ближний инфракрасный свет для изображения объектов и, как таковой, способен обнаруживать все виды составов материалов, включая; неметаллы, камни, дождь, химические соединения, аэрозоли, облака и даже отдельные молекулы. Системы LIDAR могут выдавать до 1 000 000 световых импульсов в секунду и использовать время, необходимое для отражения импульсов обратно в сканер, для определения расстояния, на котором находятся объекты и поверхности вокруг сканера. Метод, используемый для определения расстояния, известен как время полета, и его уравнение приведено ниже.

Расстояние = (Скорость света x Время полета) / 2

В большинстве приложений, кроме удаленных измерений, создается трехмерная карта окружающей среды / объекта, на которые был направлен световой луч. Это осуществляется путем непрерывного воздействия лазерного луча на объект или окружающую среду.

Важно отметить, что, в отличие от отражения зеркального типа, достигаемого в плоских зеркалах, отражение в системах LIDAR является обратным отражением, поскольку световые волны рассеиваются обратно в том направлении, в котором они пришли. В зависимости от приложения в лидарных системах используются различные варианты обратного рассеяния, включая рэлеевское и комбинационное рассеяние,

Компоненты лидарной системы

Система LIDAR обычно состоит из 5 элементов, которые, как ожидается, будут присутствовать независимо от вариантов применения. Эти основные компоненты включают:

Лазер
Сканеры и оптика
Процессор
Электроника точного времени
Блок инерциальных измерений и GPS

1. Лазер

Лазер служит источником энергии для световых импульсов. Длина волны лазера, используемого в системах LIDAR, различается от одного приложения к другому из-за конкретных требований определенных приложений. Например, в бортовых LiDAR системах используются лазеры YAG с диодной накачкой 1064 нм, в то время как в батиметрических системах используются лазеры YAG с двойной диодной накачкой 532 нм, которые проникают в воду (до 40 метров) с гораздо меньшим затуханием, чем бортовая версия с 1064 нм. Однако, независимо от области применения, используемые лазеры обычно имеют низкую энергию для обеспечения безопасности.

2. Сканер и оптика

Сканеры - важная часть любой системы LIDAR. Они отвечают за проецирование лазерных импульсов на поверхности и прием отраженных от поверхности импульсов. Скорость, с которой изображения создаются системой LIDAR, зависит от скорости, с которой сканеры улавливают лучи, рассеянные в обратном направлении. Независимо от области применения оптика, используемая в системе LIDAR, должна иметь высокую точность и качество, чтобы получить наилучшие результаты, особенно при картографировании. Тип линз, конкретный выбор стекла, а также используемые оптические покрытия являются основными определяющими факторами разрешения и дальности действия лидара.

В зависимости от приложения могут использоваться различные методы сканирования для разных разрешений. Сканирование по азимуту и углу места, а также сканирование по двум осям - одни из самых популярных методов сканирования.

3. Процессоры

Процессор большой емкости обычно лежит в основе любой системы LIDAR. Он используется для синхронизации и координации действий всех отдельных компонентов системы LIDAR, гарантируя, что все компоненты работают, когда должны. Процессор объединяет данные со сканера, таймера (если он не встроен в подсистему обработки), GPS и IMU для получения данных точек LIDAR. Эти данные о точках высот затем используются для создания карт в зависимости от приложения. В беспилотных автомобилях данные точек используются для создания карты окружающей среды в режиме реального времени, чтобы помочь автомобилям избегать препятствий и осуществлять общую навигацию.

Поскольку свет движется со скоростью около 0,3 метра в наносекунду, а тысячи лучей обычно отражаются обратно в сканер, обычно требуется, чтобы процессор имел высокую скорость и возможности обработки. Таким образом, развитие вычислительной мощности вычислительных элементов стало одним из основных драйверов технологии LIDAR.

4. Электроника времени

Точное время имеет большое значение в системах LIDAR, поскольку вся операция строится вовремя. Электроника времени представляет собой подсистему LIDAR, которая регистрирует точное время выхода лазерного импульса и точное время его возвращения в сканер.

Невозможно переоценить его точность и аккуратность. Из-за рассеянного отражения отправляемые импульсы обычно имеют несколько отражений, каждый из которых должен быть точно синхронизирован, чтобы гарантировать точность данных.

5. Блок инерциальных измерений и GPS

Когда датчик LiDAR установлен на мобильной платформе, такой как спутники, самолеты или автомобили, необходимо определить абсолютное положение и ориентацию датчика, чтобы сохранить пригодные для использования данные. Это достигается за счет использования инерциальной системы измерения (IMU) и глобальной системы позиционирования (GPS). IMU обычно состоит из акселерометра, гироскопа и магнитометра для измерения скорости, ориентации и гравитационных сил, которые в совокупности используются для определения угловой ориентации (тангажа, крена и рыскания) сканера относительно земли. GPS, с другой стороны, предоставляет точную географическую информацию о положении датчика, что позволяет осуществлять прямую географическую привязку точек объекта.Эти два компонента обеспечивают метод преобразования данных датчиков в статические точки для использования в различных системах.

Дополнительная информация, полученная с помощью GPS и IMU, имеет решающее значение для целостности полученных данных и помогает обеспечить правильную оценку расстояния до поверхностей, особенно в мобильных приложениях LIDAR, таких как автономные транспортные средства и системы воображения на основе Air Plane.

Типы LiDAR

В то время как системы LIDAR можно классифицировать по типам на основе большого количества факторов, существует три основных типа систем LIDAR, которые:

Дальномер LIDAR
ЛИДАР дифференциального поглощения
Допплеровский лидар

1. Дальномер LIDAR

Это простейшие лидарные системы. Они используются для определения расстояния от сканера LIDAR до объекта или поверхности. Используя принцип времени пролета, описанный в разделе «Как это работает», время, необходимое для того, чтобы отраженный луч попал в сканер, используется для определения расстояния между системой LIDAR и объектом.

2. ЛИДАР дифференциального поглощения

Лидарные системы с дифференциальным поглощением (иногда называемые DIAL) обычно используются для исследования присутствия определенных молекул или материалов. Системы DIAL обычно испускают лазерные лучи с двумя длинами волн, которые выбираются таким образом, что одна из длин волн будет поглощаться интересующей молекулой, а другая длина волны - нет. Поглощение одного из лучей приводит к разнице (дифференциальное поглощение) в интенсивности отраженных лучей, принимаемых сканером. Эта разница затем используется для определения уровня присутствия исследуемой молекулы. DIAL использовался для измерения концентраций химических веществ (таких как озон, водяной пар, загрязняющие вещества) в атмосфере.

3. Доплеровский лидар

Доплеровский LiDAR используется для измерения скорости цели. Когда световые лучи, испускаемые лидаром, попадают в цель, движущуюся к лидару или от него, длина волны света, отраженного / рассеянного от цели, будет немного изменяться. Это известно как доплеровский сдвиг - в результате доплеровский LiDAR. Если цель удаляется от LiDAR, обратный свет будет иметь более длинную волну (иногда называемый красным смещением), если он движется к LiDAR, обратный свет будет иметь более короткую длину волны (с синим смещением).

Некоторые из других классификаций, по которым системы LIDAR сгруппированы по типам, включают:

Платформа
Тип обратного рассеяния

Типы LiDAR на основе платформы

Используя платформу в качестве критерия, системы LIDAR можно разделить на четыре типа, включая:

Наземный лидар
Бортовой лидар
Космический лидар
ЛИДАР движения

Эти лидары различаются по конструкции, материалам, длине волны, внешнему виду и другим факторам, которые обычно выбираются в зависимости от того, что работает в среде, для которой они будут развернуты.

Типы лидаров в зависимости от типа обратного рассеяния

При описании того, как работают системы LIDAR, я упомянул, что отражение в LIDAR происходит через обратное рассеяние. Различные типы выходов обратного рассеяния и их иногда используют для описания типа лидаров. Типы обратного рассеяния включают:

Mie
Рэлей
Раман
Флуоресценция

Приложения LiDAR

Благодаря своей исключительной точности и гибкости LIDAR имеет множество приложений, в частности, для создания карт высокого разрешения. Помимо геодезии, LIDAR использовался в сельском хозяйстве, археологии и в роботах, поскольку в настоящее время он является одним из основных факторов гонки автономных транспортных средств, будучи основным датчиком, используемым в большинстве транспортных средств с системой LIDAR, выполняющей роль, аналогичную роли глаза на автомобили.

Есть сотни других приложений LiDAR, и мы постараемся упомянуть как можно больше ниже.

Автономные автомобили
3D изображения
Земельная съемка
Осмотр ЛЭП
Туризм и управление парками
Экологическая оценка защиты лесов
Моделирование наводнений
Экологическая и земельная классификация
Моделирование загрязнения
Разведка нефти и газа
Метеорология
Океанография
Все виды военных приложений
Планирование сотовой сети
Астрономия

Ограничения LiDAR

LIDAR, как и любая другая технология, имеет свои недостатки. Диапазон и точность систем LIDAR сильно пострадали во время плохих погодных условий. Например, в условиях тумана генерируется значительное количество ложных сигналов из-за того, что лучи отражаются туманом. Обычно это приводит к эффекту рассеяния света, и поэтому большая часть выпущенного луча не возвращается обратно в сканер. Аналогичное явление происходит с дождем, поскольку частицы дождя вызывают ложные отражения.

Помимо погоды, системы LIDAR можно обмануть (намеренно или непреднамеренно), заставив думать, что объект существует, мигая на нем «огнями». Согласно статье, опубликованной в 2015 году, мигание простой лазерной указки в системе LIDAR, установленной на автономных транспортных средствах, может дезориентировать навигационные системы транспортного средства, создавая впечатление существования объекта там, где его нет. Этот недостаток, особенно в применении лазеров для беспилотных автомобилей, вызывает множество проблем с безопасностью, поскольку угонщикам не понадобится много времени, чтобы усовершенствовать принцип для использования в атаках. Это также может привести к авариям с автомобилями, внезапно останавливающимися посреди дороги, если они почувствуют, что они считают другой машиной или пешеходом.

Преимущества и недостатки LiDAR

Чтобы завершить эту статью, мы, вероятно, должны рассмотреть причины, по которым ваш LIDAR может хорошо подходить для вашего проекта, и причины, по которым вам, вероятно, следует избегать его.

Преимущества

1. Высокая скорость и точность сбора данных

2. Высокое проникновение

3. Не зависит от интенсивности света в окружающей среде и может использоваться ночью или на солнце.

4. Получение изображений с высоким разрешением по сравнению с другими методами.

5. Отсутствие геометрических искажений.

6. Легко интегрируется с другими методами сбора данных.

7. LIDAR имеет минимальную зависимость от человека, что хорошо в некоторых приложениях, где человеческий фактор может повлиять на надежность данных.

Недостатки

1. Стоимость LIDAR делает его чрезмерным для некоторых проектов. Лидар лучше всего описать как относительно дорогой.

2. Системы LIDAR плохо работают в условиях сильного дождя, тумана или снега.

3. Системы LIDAR генерируют большие наборы данных, для обработки которых требуются большие вычислительные ресурсы.

4. Ненадежен в условиях турбулентной воды.

5. В зависимости от принятой длины волны характеристики систем LIDAR ограничены высотой, поскольку импульсы, выдаваемые в некоторых типах LIDAR, становятся неэффективными на определенных высотах.

ЛИДАР для любителей и творцов

Из-за стоимости лидаров большинство имеющихся на рынке систем LIDAR (например, велодинные лидары) используются в промышленных приложениях (чтобы объединить все приложения, не предназначенные для любителей).

Наиболее близкими к лидарным системам «любительского уровня», доступным на данный момент, являются твердотельные датчики LiDAR iLidar, разработанные Hybo. Это небольшая система LiDAR, способная создавать 3D-карты (без вращения датчика) с максимальной эффективной дальностью 6 метров. Датчик оснащен портом USB рядом с портом UART / SPI / i2C, через который может быть установлена связь между датчиком и микроконтроллером.

iLidar был разработан для всех, и функции, связанные с LiDAR, делают его привлекательным для производителей.