Mikä on lidar ja miten se toimii

Kuljettajattomat autot, jotka olivat yksi 1990-luvun suurimmista teknisistä fantasioista (aikaisempien elokuvien, kuten "The Love Bug" ja "Demolition Man", innoittamana), ovat todellisuus tänään, kiitos useiden tekniikoiden, erityisesti LIDARin, valtavan kehityksen.

Mikä on LiDAR?

LIDAR (lyhenne sanoista Light Detection and Ranging) on etäisyystekniikka, joka mittaa kohteen etäisyyden ampumalla valonsäteitä kohteeseen ja käyttämällä heijastuneen valonsäteen aikaa ja aallonpituutta etäisyyden arvioimiseksi ja joissakin sovelluksissa (Laser Imaging), luo 3D-esitys objektista.

Vaikka laserin idea voidaan jäljittää EH Syngen työhön vuonna 1930, se ei ollut asia vasta 1960-luvun alussa, laserin keksimisen jälkeen. Pohjimmiltaan yhdistelmä laserkeskeistä kuvantamista ja kyky laskea etäisyydet lentotekniikan aikana, se löysi aikaisimmat sovelluksensa meteorologiassa, jossa sitä käytettiin pilvien mittaamiseen, ja avaruudessa, jossa laserkorkeusmittaria käytettiin kuun pinta Apollo 15 -matkan aikana. Siitä lähtien tekniikka on parantunut ja sitä on käytetty erilaisissa sovelluksissa, kuten; seismisten toimintojen havaitseminen, merentutkimus, arkeologia ja navigointi mainitsemalla muutamia.

Kuinka LiDAR toimii

Teknologia on melko samanlainen kuin RADAR (alusten ja lentokoneiden käyttämä radioaaltosuunnistus) ja SONAR (vedenalaisten esineiden havaitseminen ja navigointi äänen avulla, pääasiassa sukellusveneissä), jotka molemmat käyttävät aaltojen heijastuksen periaatetta esineiden havaitsemiseen ja etäisyyttä arvio. Vaikka RADAR perustuu radioaaltoihin ja SONAR perustuu ääniin, LIDAR perustuu valonsäteisiin (Laser).

LIDAR käyttää valoa eri aallonpituuksilla, mukaan lukien; ultravioletti-, näkyvä tai lähellä oleva infrapunavalo kuvakohteille ja se sellaisenaan pystyy havaitsemaan kaikenlaiset materiaalikoostumukset, mukaan lukien; ei-metallit, kivet, sade, kemialliset yhdisteet, aerosolit, pilvet ja jopa yksittäiset molekyylit. LIDAR-järjestelmät voisivat laukaista jopa 1 000 000 valopulssia sekunnissa ja käyttää aikaa, jonka pulssit heijastuvat takaisin skanneriin, määrittämään etäisyys, jolla skannerin ympärillä olevat esineet ja pinnat sijaitsevat. Etäisyyden määritykseen käytetty tekniikka tunnetaan lentoaikana, ja sen yhtälö on annettu alla.

Etäisyys = (valon nopeus x lentoaika) / 2

Useimmissa sovelluksissa, lukuun ottamatta vain kaukomittausta, luodaan 3D-kartta ympäristöstä / esineestä, johon valonsäde ammuttiin. Tämä tapahtuu lasersäteen jatkuvalla ampumisella kohteeseen tai ympäristöön.

On tärkeää huomata, että toisin kuin tasopeileissä saavutettava heijastustyyppinen heijastus, LIDAR-järjestelmissä koettu heijastus on hajaheijastusta, kun valoaallot hajaantuvat takaisin suuntaan, johon ne tulivat. Sovelluksesta riippuen LIDAR-järjestelmät käyttävät taaksepäin sironnan eri muunnelmia, mukaan lukien Rayleigh- ja Raman-sironta,

LIDAR-järjestelmän komponentit

LIDAR-järjestelmä käsittää tyypillisesti 5 elementtiä, joiden odotetaan olevan läsnä sovelluksesta johtuvista vaihteluista riippumatta. Näitä pääkomponentteja ovat:

Laser
Skannerit ja optiikkajärjestelmä
Suoritin
Tarkka ajoituselektroniikka
Inertiaalinen mittausyksikkö ja GPS

1. Laser

Laser toimii energian lähteenä valopulsseille. LIDAR-järjestelmissä käytetyn laserin aallonpituus eroaa sovelluksesta toiseen tiettyjen sovellusten erityisvaatimusten vuoksi. Esimerkiksi Airborne LiDAR -järjestelmät käyttävät 1064 nm: n diodipumppuja YAG-lasereita, kun taas Bathymetric-järjestelmät käyttävät 532 nm: n kaksoisdiodilla pumpattuja YAG-lasereita, jotka tunkeutuvat veteen (jopa 40 metriä) huomattavasti vähemmän vaimennuksella kuin ilmassa oleva 1064 nm: n versio. Sovelluksista riippumatta käytettävät laserit ovat yleensä matalan energian turvallisuuden varmistamiseksi.

2. Skanneri ja optiikka

Skannerit ovat tärkeä osa mitä tahansa LIDAR-järjestelmää. He vastaavat laserpulssien heijastamisesta pinnoille ja heijastuneiden pulssien vastaanottamisesta takaisin pinnalta. Nopeus, jolla LIDAR-järjestelmä kehittää kuvia, riippuu nopeudesta, jolla skannerit sieppaavat taaksepäin sirotut säteet. Sovelluksesta riippumatta LIDAR-järjestelmässä käytettävän optiikan on oltava erittäin tarkkaa ja laadukasta, jotta saavutetaan parhaat tulokset erityisesti kartoituksessa. Linssityyppi, erityinen lasin valinta ja käytetyt optiset pinnoitteet ovat tärkeimmät LIDARin resoluution ja kantamaominaisuuksien tekijät.

Sovelluksesta riippuen voidaan käyttää useita skannausmenetelmiä eri resoluutioille. Atsimuutti- ja korkeuskannaus sekä kaksoisakseliskannaus ovat suosituimpia skannaustapoja.

3. Suorittimet

Suurikapasiteettinen prosessori on yleensä minkä tahansa LIDAR-järjestelmän ydin. Sitä käytetään synkronoimaan ja koordinoimaan kaikkien LIDAR-järjestelmän yksittäisten komponenttien toimet varmistaen, että kaikki komponentit toimivat tarvittaessa. Prosessori integroi skannerin, ajastimen (ellei sitä ole rakennettu käsittelyalijärjestelmään), GPS: n ja IMU: n tiedot LIDAR-pistetietojen tuottamiseksi. Näitä korkeuspistetietoja käytetään sitten karttojen luomiseen sovelluksesta riippuen. Kuljettajattomissa autoissa pistetietoja käytetään tarjoamaan reaaliaikainen ympäristökartta auttaakseen autoja esteiden välttämisessä ja yleisessä navigoinnissa.

Kun valo kulkee noin 0,3 metriä / nanosekunnin nopeudella ja tuhannet säteet heijastuvat yleensä takaisin skanneriin, prosessorin vaaditaan yleensä olevan nopea ja korkea prosessointikyky. Laskennan elementtien prosessointitehon kehitys on siis ollut yksi LIDAR-tekniikan tärkeimmistä ajureista.

4. Ajoituselektroniikka

Tarkka ajoitus on olennaista LIDAR-järjestelmissä, koska koko toiminta rakennetaan ajallaan. Ajoituselektroniikka edustaa LIDAR-alijärjestelmää, joka tallentaa tarkan ajan, jonka laserpulssi lähtee ja tarkka aika, jonka se palaa skannerille.

Sen tarkkuutta ei voida korostaa liikaa. Hajautuneen heijastuksen vuoksi lähetetyillä pulsseilla on yleensä useita palautuksia, joista jokainen on ajoitettava tarkasti tietojen tarkkuuden varmistamiseksi.

5. Inertiaalinen mittausyksikkö ja GPS

Kun LiDAR-anturi on asennettu mobiilialustalle, kuten satelliiteille, lentokoneille tai autoille, anturin absoluuttinen sijainti ja suunta on määritettävä käyttökelpoisten tietojen säilyttämiseksi. Tämä saavutetaan käyttämällä hitausmittausjärjestelmää (IMU) ja globaalia paikannusjärjestelmää (GPS). IMU koostuu yleensä kiihtyvyysmittarista, gyroskoopista ja magnetometristä nopeuden, suunnan ja gravitaatiovoimien mittaamiseksi, joita yhdessä yhdistetään skannerin kulmasuunnan (Pitch, roll and Yaw) määrittämiseen suhteessa maahan. GPS toisaalta tarjoaa tarkkoja maantieteellisiä tietoja anturin sijainnista, mikä mahdollistaa kohdepisteiden suoran georeferenssin.Nämä kaksi komponenttia tarjoavat menetelmän anturitietojen muuntamiseksi staattisiksi pisteiksi käytettäväksi useissa järjestelmissä.

GPS: n ja IMU: n avulla saadut lisätiedot ovat ratkaisevan tärkeitä hankittujen tietojen eheyden kannalta, ja ne auttavat varmistamaan etäisyyden pintoihin oikein arvioinnin, etenkin LIDAR-mobiilisovelluksissa, kuten autonomiset ajoneuvot ja Air Plane -pohjaiset imag-järjestelmät.

LiDAR-tyypit

Vaikka LIDAR-järjestelmät voidaan luokitella tyyppeihin useiden tekijöiden perusteella, LIDAR-järjestelmiä on kolme yleistä tyyppiä;

Etäisyysmittari LIDAR
Differentiaaliabsorptio LIDAR
Doppler LIDAR

1. Range Finder LIDAR

Nämä ovat yksinkertaisin LIDAR-järjestelmä. Niitä käytetään määrittämään etäisyys LIDAR-skannerista kohteeseen tai pintaan. Käyttämällä "miten se toimii" -osiossa kuvattua lentoaikaperiaatetta käytetään aikaa, jonka heijastussäde osuu skanneriin, LIDAR-järjestelmän ja kohteen välisen etäisyyden määrittämiseen.

2. Differentiaaliabsorptio LIDAR

Differentiaaliabsorptio-LIDAR-järjestelmiä (joita kutsutaan joskus DIALiksi) käytetään yleensä tiettyjen molekyylien tai materiaalien läsnäolon tutkimiseen. DIAL-järjestelmät palavat yleensä kahden aallonpituuden lasersäteitä, jotka valitaan siten, että kiinnostava molekyyli absorboi toisen aallonpituuksista, kun taas toinen aallonpituus ei ole. Yhden säteen absorptio johtaa eroon (differentiaaliabsorptio) skannerin vastaanottamien paluusäteiden intensiteetissä. Tätä eroa käytetään sitten päätellä tutkittavan molekyylin läsnäolotaso. DIALia on käytetty mittaamaan kemiallisia pitoisuuksia (kuten otsoni, vesihöyry, epäpuhtaudet) ilmakehässä.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR: ää käytetään kohteen nopeuden mittaamiseen. Kun LIDARista ammutut valonsäteet osuvat LIDARia kohti tai siitä poispäin liikkuvaan kohteeseen, kohteesta heijastuneen / sironneen valon aallonpituus muuttuu hieman. Tätä kutsutaan Doppler-siirtymäksi - seurauksena Doppler LiDAR. Jos kohde siirtyy pois LiDAR: sta, paluuvalolla on pidempi aallonpituus (joskus kutsutaan punaiseksi siirtymäksi), jos LiDAR: iin siirtyessä paluuvalo on lyhyemmällä (sininen siirtynyt).

Joitakin muita luokituksia, joihin LIDAR-järjestelmät on ryhmitelty tyyppeihin, ovat:

Alusta
Takaisinsironnan tyyppi

LiDAR-tyypit alustan perusteella

Käyttämällä alustaa kriteereinä LIDAR-järjestelmät voidaan ryhmitellä neljään tyyppiin, mukaan lukien;

Maapohjainen LIDAR
Ilmassa oleva LIDAR
Spaceborne LIDAR
Liike LIDAR

Nämä LIDARit eroavat toisistaan rakenteeltaan, materiaaleiltaan, aallonpituudeltaan, näkymiltään ja muilta tekijöiltä, jotka valitaan yleensä vastaamaan sitä, mikä toimii ympäristössä, johon ne on tarkoitus käyttää.

LIDAR-tyypit takaisinsironnan tyypin perusteella

LIDAR-järjestelmien toimintaa kuvaillessani mainitsin, että heijastus LIDARissa tapahtuu taaksepäin sironnan kautta. Erilaiset takaisinsirontatyypit ja sitä käytetään joskus kuvaamaan LIDAR-tyyppiä. Takaisinsironnan tyypit ovat;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluoresenssi

LiDAR-sovellukset

Äärimmäisen tarkkuuden ja joustavuuden vuoksi LIDARilla on laaja joukko sovelluksia, erityisesti korkean resoluution karttojen tuottaminen. Maanmittauksen lisäksi LIDARia on käytetty maataloudessa, arkeologiassa ja robotteissa, koska se on tällä hetkellä yksi autonomisen ajoneuvokilpailun tärkeimmistä mahdollistajista, ja se on tärkein anturi, jota käytetään useimmissa ajoneuvoissa, joissa LIDAR-järjestelmä toimii samanlaisella roolilla kuin ajoneuvojen silmät.

LiDAR: lla on satoja muita sovelluksia, ja yritetään mainita mahdollisimman monet alla.

Autonomiset ajoneuvot
3D-kuvantaminen
Maanmittaus
Voimajohdon tarkastus
Matkailun ja puistojen hallinta
Metsänsuojelun ympäristöarviointi
Tulvien mallintaminen
Ekologinen ja maaluokitus
Saastumisen mallintaminen
Öljyn ja kaasun etsintä
Meteorologia
Merentutkimus
Kaikenlaiset sotilaalliset sovellukset
Soluverkon suunnittelu
Tähtitiede

LiDAR-rajoitukset

Kuten kaikilla muillakin tekniikoilla, LIDARilla on puutteita. Laajuus ja täsmällisyys LIDAR järjestelmien kärsivät pahoin huonoissa sääolosuhteissa. Esimerkiksi sumuisissa olosuhteissa syntyy merkittävä määrä vääriä signaaleja, koska sumu heijastaa säteitä. Tämä johtaa yleensä miehen sirontavaikutukseen, ja sellaisenaan suurin osa ammutusta säteestä ei palaa takaisin skanneriin. Samanlainen esiintyminen esiintyy sateessa, kun sadehiukkaset tuottavat väärän tuoton.

Sään lisäksi LIDAR-järjestelmiä voidaan huijata (joko tahallaan tai tahattomasti) ajattelemaan kohteen olemassaoloa vilkkumalla siihen ”valoja”. Vuonna 2015 julkaistun paperin mukaan yksinkertaisen laserosoittimen vilkkuminen itsenäisiin ajoneuvoihin asennettuun LIDAR-järjestelmään saattaisi hämmentää ajoneuvon navigointijärjestelmiä, mikä antaisi sille vaikutelman kohteen olemassaolosta, jota ei ole. Tämä virhe etenkin kuljettajien lasersovellusten kuljettamisessa avaa paljon turvallisuuteen liittyviä huolenaiheita, koska autonvalmistajien ei tarvitse kauan kaataa periaatetta hyökkäyksissä. Se voi myös johtaa onnettomuuksiin, kun autot pysähtyvät yhtäkkiä keskellä tietä, jos he aistivat toisensa uskovan olevan toinen auto tai jalankulkija.

LiDAR: n edut ja haitat

Tämän artikkelin tiivistämiseksi meidän on todennäköisesti tarkasteltava syitä, miksi LIDAR voisi sopia hyvin projektiisi, ja syitä, miksi sinun pitäisi todennäköisesti välttää sitä.

Edut

1. Nopea ja tarkka tiedonkeruu

2. Suuri tunkeutuminen

3. Ympäristön valon voimakkuus ei vaikuta siihen, ja sitä voidaan käyttää yöllä tai auringossa.

4. Korkean resoluution kuvankäsittely verrattuna muihin menetelmiin.

5. Ei geometrisia vääristymiä

6. Integroituu helposti muihin tiedonhankintamenetelmiin.

7. LIDARilla on vähimmäisriippuvuus ihmisistä, mikä on hyvä tietyissä sovelluksissa, joissa inhimilliset virheet voivat vaikuttaa tietojen luotettavuuteen.

Haitat

1. LIDARin kustannukset tekevät siitä ylittävän tietyt projektit. LIDARia voidaan parhaiten kuvata suhteellisen kalliiksi.

2. LIDAR-järjestelmät toimivat huonosti rankkasateessa, sumussa tai lumiolosuhteissa.

3. LIDAR-järjestelmät tuottavat suuria aineistoja, joiden käsittely edellyttää suuria laskennallisia resursseja.

4. Epäluotettava turbulentissa vedessä.

5. Riippuen hyväksytystä aallonpituudesta, LIDAR-järjestelmien suorituskyky on rajallinen, kun tietyntyyppisissä LIDAR-laitteissa ammutut pulssit muuttuvat tehottomiksi tietyillä korkeuksilla.

LIDAR harrastajille ja tekijöille

LIDAR-laitteiden kustannuksista johtuen suurinta osaa markkinoiden LIDAR-järjestelmistä (kuten velodyni-LIDAR-laitteita) käytetään teollisissa sovelluksissa (kaikkien ”harrastamattomien” sovellusten yhdistämiseksi).

Lähinnä tällä hetkellä saatavilla olevaa harrastelijaluokan LIDAR-järjestelmää ovat Hybo: n suunnittelemat iLidar Solid-State LiDAR -anturit. Se on pieni LiDAR-järjestelmä, joka pystyy 3D-kartoitukseen (anturia kiertämättä), jonka tehollinen maksimietäisyys on 6 metriä. Anturi on varustettu USB-portilla UART / SPI / i2C-portin vieressä, jonka kautta voidaan muodostaa yhteys anturin ja mikro-ohjaimen välille.

iLidar on suunniteltu kaikille sopivaksi, ja LiDARiin liittyvät ominaisuudet tekevät siitä houkuttelevan tekijöille.