ЛИДАРЫ

Система LiDAR была разработана в 60-ых года прошлого века, как альтернатива традиционному радару, характеризуемая более широкой областью применения. Сегодня лидар используется в разработке приложений и гаджетов, в сфере сельского хозяйства, научных исследованиях, военной отрасли.

Что такое лидар lidar

По своей сути, лидар – это дальномер, измеряющий дистанцию до цели. Он осуществляет сканирование и расчет расстояния до объекта.

Основными составляющими системы лидар является лазер, сканер и GPS-ресивер. Лазер посылает световые импульсы, которые отражаются от объекта и в виде сигналов возвращаются в устройство. Сканер лидара распознает эти импульсы, а GPS-ресивер рассчитывает расстояние и отображает положение объектов в пространстве.

Как использовать лидар?

Особенности системы определяют 2 способа применения:

1. Топография. LiDAR позволяет создать карты открытых пространств и поверхности земли. Применяемый вид импульсов – инфракрасные лучи.
2. Батиметрия. Систему используют для измерения и оценки ландшафтов, скрытых под водой (дно, океанов, озер, рек и морей). Импульс – луч зеленого света, позволяющий проникать сквозь толщу воды.

Систему лидар применяют на БПЛА и дронах, при управлении транспортом, в процессе добычи полезных ископаемых. Сканер устройства позволяет «считать» сведения о расстоянии до цели, особенностях рельефа, температуре окружающей среды.

Зачем нужны лидары?

Устройство востребовано в самых разных областях. Так зачем нужен лидар, и где он может применяться на практике?

• Картография и геодезия. С помощью технологии получают точные данные для построения карт ландшафтов и береговых линий, отслеживания эрозийных процессов, прогнозирования наводнений.
• Транспорт. Система LiDAR позволяет картографировать окружающее пространство, определять местоположение объектов. Активно применяется в работе беспилотников (авто, БПЛА).
• Космическая отрасль. Работа лидара необходима при исследовании поверхности Луны и других спутников и планет. Датчики устанавливают на дистанционно управляемое космическое оборудование.
• 3D-моделирование. Создание 3D объектов востребовано в архитектуре, дизайне интерьеров, строительстве. Технология используется при создании визуальных спецэффектов для фильмов, в разработке видеоигр.
• Разработка гаджетов. Последние модели iPhone оснащены технологией дальномера. Лидар iPhone значительно улучшает качество фото, производя точную настройку фокуса камеры. Лидар на айфонах появился в 2020 году на моделях iPhone 12 Pro и 12 Pro Max.

Помимо прочего лидар сканирование используется в сельском хозяйстве, археологии, военной отрасли.

Технология управления лучом

Технология LiDAR подразумевает использования 4 методов управления лазерным лучом:

• Вращающееся устройство. Механизм, оснащенный несколькими десятками лазеров, вращается со скоростью до 10 оборотов в секунду. Это обеспечивает покрытие в 360°.
• Механический лидар. Данный тип оборудования использует зеркальную пластину, которая отражает лазерный луч, направляя его в разные стороны.
• АФАР. Активная фазированная антенная решетка (АФАР) способна одновременно формировать несколько лучей в разные моменты времени и направлять их в нужном направлении.
• На базе вспышек. Лидар этого вида применяет широкоугольный лазер. Технология менее востребована, так как сканер лидара испытывает сложности с большими дистанциями.

Разные компании применяют разные технологии управления лучом. Американская компания Velodyne использует преимущественно вращающиеся лидары, а ее конкурент Ouster разрабатывает многолазерную вспышку.

Длина волны лазера

Лидары, как правило, используют 3 варианта длины волн лазера: 850, 905, 1550 нм. Первые два варианта работают на основе кремниевых технологий, которые отличает вполне доступная стоимость. Однако световые волны длиной в 850 и 905 нм могут дойти до сетчатки человеческого глаза, причинив ему вред.

Дальномеры, работающие с длиной волн в 1550 нм, более безопасны, так как глаз непрозрачен для света с данным показателем. При этом производство лидаров этого вида требует закупки редких и дорогих материалов. Поэтому их разработка и изготовление более затратно в плане расходов. Еще один недостаток – это энергозатратнось. Чем больше мощность, тем больше энергии требуется системе, а это, в свою очередь, влияет на эффективность работы устройства, в котором используется лидар.

Принцип работы лидара

В устройстве, использующем лидар, применяется свет трех диапазонов: видимого, ультрафиолетового и инфракрасного.

Принцип работы лидара прост:

• устройство выпускает короткий световой импульс, который доходит до объекта и отражается от него;
• датчик LiDAR замеряет временной период между передачей и отражением импульса;
• вычисляется расстояние между лидаром и отдельной точкой на цели и благодаря совокупности этих точек строится проекционное изображение объекта.

Дистанция до цели вычисляется исходя из постоянной скорости света, которая равна 299 792 км/с.

Устройство лидаров

По типу работы лазерного излучателя и нюансам устройства сканирующего лидара различают механическое оборудование с углом обзора в 360° и твердотельные лидары с обзором до 120°.

Первые характеризуются использованием вращающейся платформы, вторые – применением зеркал.

Механические лидары

Механические лидары работают, используя вращающееся со скоростью до 10 оборотов в секунду, основание. На эту платформу помимо лазера поверхностного излучения, выдающего импульс с длиной волны 905 нм, установлено фотоприемное устройство. Последнее  производится на основе кремниевых пластин.

Световой импульс доходит до объекта и, отражаясь, возвращается на линзу фотоприемного устройства. Датчик лидара фиксирует сигнал с помощью светочувствительной матрицы.

Монтаж на вращающейся платформе позволяет собирать информацию об окружающем пространстве в диапазон 360°. Такие лидары часто используются в беспилотных автомобилях. Их устанавливают на крыше авто, а также над колесными арками для обеспечения полноценного бокового обзора.

Твердотельные лидары

Основное отличие твердотельных систем – жесткая фиксация лазерного модуля. Перенаправление луча происходит за счет конструкции из MEMS-зеркал, которая за счет перемещения оптических элементов задает требуемый угол обзора. Длина используемых волн такая же, как у механических лидаров, – 905 нм.

Твердотельное оборудование отличает меньший вес и компактность, поэтому его чаще устанавливают на БПЛА.

Обработка сигналов

Отраженный световой импульс фиксируется lidarscanner, после чего преобразуется в цифровой с помощью АЦП. Далее цифровой сигнал передается на дисплей в виде точки на поверхности объекта или сохраняется на флеш-накопитель в зависимости от поставленной задачи.

Практическое применение

Технология дистанционного зондирования применяется в самых разных сферах: от геодезии до космических исследований.

В метрологии система LiDAR применяется для поиска частиц аэрозолей в атмосфере, характеристики ветров, производимых в верхних слоях воздушной оболочки планеты, сбора информации о погоде.

Полученные данные позволяют прогнозировать стихийные природные явления: наводнения, штормы, цунами. Они необходимы для проведения гидрографических научных исследований, включающих оценку уязвимости береговой  линии, картографирования побережья.

Производство современных автомобилей также невозможно без использования технологии лидар. Система встроена в автономную навигацию транспортного средства. Она позволяет находить статичные и движущиеся вокруг авто объекты, оценивает дистанцию, определяет правильное направление.

В географии и геодезии LiDAR дистанционно фиксирует все изменения поверхности. Данные лидарных устройств в комбинации с информацией, представленной системами GPS, создают облако точек, которые, по сути, являются географической координатой объекта. Географические данные собирают как с помощью наземных станций, так и использую летательное оборудование.

Дистанционное зондирование широко применяется и в сельском хозяйстве. Способы посевов и внесения удобрений, мониторинг роста культур, контроль борьбы с сорными растениями – все это области применения лидарных технологий. С помощью этого оборудования создают топографические карты полей, фиксируются склоны, степень освещенности сельхозугодий.

Информацию, собранную за несколько предыдущих периодов, анализируют и используют для деления наделов по разным категориям (низко-, средне- и высокоурожайные). Это позволяет агрономам составлять графики внесения подкормок и определять области, нуждающиеся в интенсивном воздействии. Лидар дополнительно позволяет отслеживать миграцию насекомых, способных нанести существенный вред посадкам (саранча, колорадский жук).

Еще одна область применения системы – это археология. Помимо картографии технология дистанционного зондирования позволяет создавать цифровые модели исторических рельефов, выявлять археологические памятники внешне скрытые под обильной растительностью. Инфракрасный спектр лазера определяет наличие особенностей рельефа. Сканирование под разным углом продемонстрировала большую эффективность в сравнении с аэросъемкой.

В космической отрасли, как и в геодезии лидарную систему применяют для оценки поверхности спутников или планет. Оборудование этого вида используют для расчета орбиты космических аппаратов.

В робототехнике технология LiDAR применяются последние двадцать лет. Что такое лидар в роботе? Если брать простейшие модели, то это роботы-пылесосы. Встроенная система позволяет уборочной технике создавать трехмерную карту окружающего пространства, фиксировать объекты и прокладывать маршрут таким образом, чтобы избежать столкновения с ними.

Лидар, объединенный с GPS, применяется при оснащении беспилотных автомобилей. Центральный процессор составляет маршрут, а дистанционная технология позволяет оценивать движущиеся рядом объекты.

Айфоны 12 поколения серии Pro Max, оснащенные технологией LiDAR позволяют делать качественные портретные снимки даже в ночных условиях.

Лидары активно применяются в 3D-моделировании, сейсмологии, лазерной альтиметрии.

Преимущества лидара

К основным преимуществам дальномеров относят:

• точность собранной информации;
• высокую скорость сбора;
• возможность использования в любых погодных условиях;
• отличное качество получаемого изображения;
• комбинирование с другими способами сбора информации.

Работа системы дистанционного зондирования происходит при минимальном участии человека, а значит, риск человеческой ошибки исключен.

Недостатки лидара

Основными минусами системы LiDAR является высокая стоимость оборудования, долгая обработка, ввиду большого объема предоставляемой информации, ограничения по высоте. Часть сигналов, проецируемых на определенных высотах, становятся малоэффективными для приема.

Обработка данных лидара

Данные поступают на scanner устройства сразу после отражения светового сигнала от объекта. Их обработка происходит с помощью специальных фотограмметрических систем или программа. В итоге оптический сигнал преобразуется в цифровой, и создается проекция изображения окружающей среды.

Лидары, установленные на БПЛА

Большую часть рынка дистанционного зондирования составляют технологии LiDAR, применяемые в условиях работы беспилотных летательных аппаратов. Они специализируются на картографии, в том числе, городской среды, оценке качества воздуха, исследовании подповерхностных свойств морей и океанов.

Камеры с лидаром устанавливаются на БПЛА и демонстрируют высокую эффективность сбора данных, возможность сопряжения с другими аппаратами, результативную работу в разных условиях.

Сканирующий лидар в военной сфере

В военной отрасли система LiDAR используется преимущественно в 3D моделировании, а также при выполнении боевых задач. Оперативное генерирование 3D моделей позволяет быстро принимать эффективные решения по наземным операциям.

Технология дистанционного зондирования постоянно развивается и становится все более востребованной в самых разных областях деятельности человека.

Оставьте комментарии, примите участие в опросе.

Если Вы знаете дополнительную информацию о лидарах, поделитесь с нами и нашими читателями в комментариях. Примите участие в опросе.

Возможно, Вам будут интересны статьи о дронах