Лидар - Lidar

Полученное с помощью лидара изображение группы курганов марширующих медведей, национального памятника Effigy Mounds .
FASOR , используемый в оптическом диапазоне Starfire для экспериментов с лидаром и лазерной направляющей звездой , настроен на линию натрия D2a и используется для возбуждения атомов натрия в верхних слоях атмосферы .
Этот лидар можно использовать для сканирования зданий, скальных образований и т. д. для создания трехмерной модели. Лидар может наводить свой лазерный луч в широком диапазоне: его головка вращается горизонтально; зеркало наклоняется вертикально. Лазерный луч используется для измерения расстояния до первого объекта на его пути.
Самолет собирает данные о верхушках деревьев над тропическим лесом Бразилии.
В этом представлении зритель летит к пологу тропического леса и пролетает сквозь виртуальные листья.
На этой визуализации показан самолет, собирающий 50-километровые лидарные данные над бразильскими тропическими лесами. Для объектов на уровне земли цвета варьируются от темно-коричневого до коричневого. Высота растительности изображена в оттенках зеленого, где темно-зеленый находится ближе всего к земле, а светло-зеленый - выше всего.

Лидар ( / ˈl d ɑːr / , также LIDAR , или LiDAR ; иногда LADAR ) — метод определения дальности (переменного расстояния) путем наведения на объект лазера и измерения времени, за которое отраженный свет возвращается к приемнику. Лидар также можно использовать для создания цифровых трехмерных изображений областей на поверхности земли и на дне океана из-за различий во времени возврата лазера и различной длины волны лазера. Он имеет наземное, бортовое и мобильное приложения.

Лидар - это аббревиатура от «обнаружение света и дальность» или «лазерная визуализация, обнаружение и дальность». Лидар иногда называют 3-D лазерным сканированием , особой комбинацией 3-D сканирования и лазерного сканирования .

Лидар обычно используется для создания карт с высоким разрешением в приложениях для съемки , геодезии , геоматики , археологии , географии , геологии , геоморфологии , сейсмологии , лесного хозяйства , физики атмосферы , лазерного наведения , бортового лазерного картографирования (ALSM) и лазерной альтиметрии . Технология также используется в управлении и навигации для некоторых автономных автомобилей и для вертолета Ingenuity во время его рекордных полетов над территорией Марса .

История и этимология

Под руководством Малкольма Стича компания Hughes Aircraft представила первую лидароподобную систему в 1961 году, вскоре после изобретения лазера. Эта система, предназначенная для слежения за спутниками, сочетала лазерную визуализацию с возможностью расчета расстояний путем измерения времени до возвращения сигнала с использованием соответствующих датчиков и электроники для сбора данных. Первоначально он назывался «Колидар», аббревиатура от «когерентное обнаружение света и определение дальности», происходящее от термина « радар », который сам по себе является аббревиатурой от «радиообнаружение и определение дальности». Все лазерные дальномеры , лазерные высотомеры и лидары являются производными от ранних колидарных систем. Первым практическим наземным применением колидарной системы был «Colidar Mark II», большой винтовочный лазерный дальномер, произведенный в 1963 году, который имел дальность действия 7 миль и точность 15 футов и предназначался для военного наведения. Первое упоминание о лидаре как отдельном слове в 1963 году предполагает, что оно возникло как сочетание слов « свет » и «радар»: «В конечном итоге лазер может обеспечить чрезвычайно чувствительный детектор определенных длин волн от удаленных объектов. используется для изучения Луны с помощью «лидара» (светового радара) ...» Название « фотонный радар » иногда используется для обозначения обнаружения дальности в видимом спектре, такого как лидар.

Первые применения лидара были в метеорологии, где Национальный центр атмосферных исследований использовал его для измерения облаков и загрязнения. Широкая общественность узнала о точности и полезности лидарных систем в 1971 году во время миссии « Аполлон-15 », когда астронавты использовали лазерный альтиметр для картирования поверхности Луны. Хотя в английском языке «радар» больше не рассматривается как аббревиатура (т. е. без заглавных букв), слово «лидар» в некоторых публикациях, начиная с 1980-х годов, было написано с большой буквы как «ЛИДАР» или «ЛиДАР». Нет единого мнения о капитализации. В различных публикациях лидар упоминается как «ЛИДАР», «ЛиДАР», «ЛИДаР» или «Лидар». Геологическая служба США использует как «лидар», так и «лидар», иногда в одном документе; New York Times преимущественно использует « лидар» для статей, написанных сотрудниками, хотя такие новостные ленты, как Reuters, могут использовать лидар.

Общее описание

Лидар использует ультрафиолетовый , видимый или ближний инфракрасный свет для изображения объектов. Он может нацеливаться на широкий спектр материалов, включая неметаллические объекты, камни, дождь, химические соединения, аэрозоли , облака и даже отдельные молекулы . Узкий лазерный луч может отображать физические объекты с очень высоким разрешением ; например, самолет может отображать местность с разрешением 30 сантиметров (12 дюймов) или выше.

Основные принципы времени пролета, применяемые к лазерному дальномеру
Полет над бразильской Амазонии с лидаром.
Анимация спутника, собирающего данные цифровой карты высот над бассейнами рек Ганг и Брахмапутра с использованием лидара.

Основная концепция лидара была предложена Э. Х. Сингом в 1930 году, который предусмотрел использование мощных прожекторов для исследования атмосферы. Действительно, с тех пор лидар широко используется для исследования атмосферы и метеорологии . Лидарные приборы, установленные на самолетах и спутниках , выполняют съемку и картографирование — недавним примером является экспериментальный передовой авиационный исследовательский лидар Геологической службы США. НАСА определило лидар как ключевую технологию для обеспечения автономной точной безопасной посадки будущих роботизированных и пилотируемых луноходов.

Длина волны варьируется в зависимости от цели: примерно от 10 микрометров ( инфракрасное излучение ) до примерно 250 нм ( ультрафиолетовое излучение ). Как правило, свет отражается посредством обратного рассеяния , в отличие от чистого отражения, которое можно найти с помощью зеркала. Различные типы рассеяния используются для различных приложений лидара: чаще всего рэлеевское рассеяние , рассеяние Ми , комбинационное рассеяние и флуоресценция . Подходящие комбинации длин волн могут обеспечить дистанционное картирование атмосферного содержимого путем определения зависимых от длины волны изменений интенсивности отраженного сигнала. Название «фотонный радар» иногда используется для обозначения определения дальности в видимом спектре, такого как лидар, хотя фотонный радар более строго относится к определению диапазона радиочастот с использованием компонентов фотоники .

Технологии

Дизайн

Щелкните изображение, чтобы увидеть анимацию. Базовая лидарная система включает в себя лазерный дальномер, отражаемый вращающимся зеркалом (вверху). Лазер сканирует оцифровываемую сцену в одном или двух измерениях (в центре), собирая измерения расстояний с заданными угловыми интервалами (внизу).

Два типа схем обнаружения лидара - это «некогерентное» или прямое обнаружение энергии (которое в основном измеряет изменения амплитуды отраженного света) и когерентное обнаружение (лучше всего подходит для измерения доплеровских сдвигов или изменений фазы отраженного света). В когерентных системах обычно используется оптическое гетеродинное детектирование . Это более чувствительно, чем прямое обнаружение, и позволяет им работать с гораздо меньшей мощностью, но требует более сложных приемопередатчиков.

Оба типа используют импульсные модели: либо микроимпульсные, либо высокоэнергетические . Микроимпульсные системы используют прерывистые всплески энергии. Они были разработаны в результате постоянно растущей мощности компьютеров в сочетании с достижениями в области лазерных технологий. Они потребляют значительно меньше энергии в лазере, обычно порядка одного микроджоуля , и часто «безопасны для глаз», что означает, что их можно использовать без мер предосторожности. Системы большой мощности распространены в атмосферных исследованиях, где они широко используются для измерения параметров атмосферы: высоты, слоистости и плотности облаков, свойств облачных частиц ( коэффициент экстинкции , коэффициент обратного рассеяния, деполяризация ), температуры, давления, ветра, влажности, и концентрация следовых газов (озон, метан, закись азота и т. д.).

Компоненты

Лидарные системы состоят из нескольких основных компонентов.

Лазер

Лазеры с длиной волны 600–1000 нм наиболее распространены для ненаучных приложений. Максимальная мощность лазера ограничена, или используется система автоматического отключения, которая отключает лазер на определенных высотах, чтобы сделать его безопасным для глаз людей на земле.

Одна из распространенных альтернатив, лазеры с длиной волны 1550 нм, безопасны для глаз при относительно высоких уровнях мощности, поскольку эта длина волны не сильно поглощается глазом, но технология детектора менее совершенна, и поэтому эти длины волн обычно используются на больших расстояниях с более низкой точностью. Они также используются в военных целях, потому что 1550 нм не видны в очках ночного видения , в отличие от более короткого инфракрасного лазера 1000 нм.

В бортовых топографических лидарах обычно используются YAG - лазеры с диодной накачкой 1064 нм, в то время как в батиметрических системах (исследование подводных глубин) обычно используются YAG-лазеры с удвоенной частотой 532 нм, поскольку 532 нм проникают в воду с гораздо меньшим затуханием , чем 1064 нм. Настройки лазера включают частоту повторения лазера (которая управляет скоростью сбора данных). Длительность импульса обычно зависит от длины резонатора лазера, необходимого количества проходов через усиливающий материал (YAG, YLF и т. д. ) и скорости модуляции добротности (импульсной). Лучшее разрешение цели достигается при более коротких импульсах, при условии, что детекторы и электроника лидарного приемника имеют достаточную полосу пропускания.

Фазированные решетки

Фазированная решетка может освещать любое направление, используя микроскопическую решетку отдельных антенн. Управление синхронизацией (фазой) каждой антенны направляет когезионный сигнал в определенном направлении.

Фазированные решетки используются в радарах с 1940-х годов. Тот же метод можно использовать со светом. Для наблюдения диаграммы направленности определенного размера в определенном направлении используется порядка миллиона оптических антенн. Система управляется синхронизацией точной вспышки. Один чип (или несколько) заменяет электромеханическую систему стоимостью 75 000 долларов США, что значительно снижает затраты.

Несколько компаний работают над разработкой коммерческих твердотельных лидаров, в том числе компания Quanergy , которая разрабатывает твердотельное устройство 905 нм, хотя, похоже, у них есть некоторые проблемы в разработке.

Система управления может изменять форму линзы, чтобы активировать функции увеличения/уменьшения масштаба. Определенные подзоны могут быть нацелены на интервалы в доли секунды.

Электромеханический лидар работает от 1000 до 2000 часов. Напротив, твердотельный лидар может работать в течение 100 000 часов.

Микроэлектромеханические машины

Микроэлектромеханические зеркала (МЭМС) не являются полностью твердотельными. Тем не менее, их крошечный форм-фактор обеспечивает многие из тех же преимуществ по стоимости. Один лазер направляется на одно зеркало, которое можно переориентировать для наблюдения за любой частью целевого поля. Зеркало быстро вращается. Однако системы MEMS обычно работают в одной плоскости (слева направо). Чтобы добавить второе измерение, обычно требуется второе зеркало, которое движется вверх и вниз. В качестве альтернативы другой лазер может поразить то же самое зеркало под другим углом. Системы MEMS могут быть повреждены ударами/вибрацией и могут потребовать повторной калибровки. Цель состоит в том, чтобы создать небольшой микрочип для расширения инноваций и дальнейшего технического прогресса.

Сканер и оптика

На скорость проявления изображений влияет скорость, с которой они сканируются. Варианты сканирования по азимуту и высоте включают двойные качающиеся плоские зеркала, комбинацию с многоугольным зеркалом и двухосевой сканер . Выбор оптики влияет на угловое разрешение и диапазон обнаружения. Дырчатое зеркало или светоделитель являются вариантами сбора обратного сигнала.

Электроника фотодетектора и приемника

В лидарах используются две основные технологии фотодетекторов : твердотельные фотодетекторы, такие как кремниевые лавинные фотодиоды , или фотоумножители . Чувствительность приемника — еще один параметр, который необходимо сбалансировать в конструкции лидара.

Системы позиционирования и навигации

Лидарные датчики, установленные на мобильных платформах, таких как самолеты или спутники, требуют инструментов для определения абсолютного положения и ориентации датчика. Такие устройства обычно включают в себя приемник глобальной системы позиционирования и инерциальный измерительный блок (IMU).

Датчик

Лидар использует активные датчики, которые обеспечивают собственный источник освещения. Источник энергии попадает в объекты, а отраженная энергия обнаруживается и измеряется датчиками. Расстояние до объекта определяется путем записи времени между переданным и обратно рассеянным импульсом и использованием скорости света для расчета пройденного расстояния. Flash LIDAR позволяет получать трехмерные изображения благодаря способности камеры излучать более мощную вспышку и определять пространственные отношения и размеры интересующей области с помощью отраженной энергии. Это позволяет получать более точные изображения, поскольку захваченные кадры не нужно сшивать вместе, а система не чувствительна к движению платформы. Это приводит к меньшему искажению.

Трехмерное изображение может быть получено с использованием как сканирующих, так и несканирующих систем. «Лазерный радар с трехмерным стробированием» представляет собой несканирующую лазерную локаторную систему, в которой используется импульсный лазер и камера с быстрым стробированием. Начались исследования виртуального управления лучом с использованием технологии цифровой обработки света (DLP).

Лидар изображения также может быть выполнен с использованием массивов высокоскоростных детекторов и массивов детекторов, чувствительных к модуляции, обычно построенных на отдельных кристаллах с использованием комплементарных методов изготовления металл-оксид-полупроводник (КМОП) и гибридных КМОП / устройств с зарядовой связью (ПЗС). В этих устройствах каждый пиксель выполняет некоторую локальную обработку, такую ​​как демодуляция или стробирование на высокой скорости, преобразовывая сигналы с понижением частоты в скорость видео, чтобы массив можно было считывать, как с камеры. Используя этот метод, можно одновременно получать тысячи пикселей/каналов. В трехмерных лидарных камерах высокого разрешения используется гомодинное обнаружение с электронным затвором CCD или CMOS .

Лидар с когерентным формированием изображений использует гетеродинное обнаружение с синтетической решеткой, чтобы позволить направленному одноэлементному приемнику действовать так, как если бы он был решеткой формирования изображения.

В 2014 году лаборатория Линкольна анонсировала новый чип обработки изображений с более чем 16 384 пикселями, каждый из которых способен отображать один фотон, что позволяет им захватывать большую площадь на одном изображении. Предыдущее поколение технологии с одной четвертой от количества пикселей было отправлено американскими военными после землетрясения на Гаити в январе 2010 года. Один пролет бизнес-джета на высоте 3000 метров (10000 футов) над Порт-о-Пренсом позволил сделать мгновенные снимки 600-метровых площадей города с разрешением 30 сантиметров (12 дюймов) с отображением точной высоты. щебня, разбросанного по улицам города. Новая система в десять раз лучше и может быстрее создавать карты большего размера. В чипе используется арсенид индия-галлия (InGaAs), который работает в инфракрасном спектре на относительно длинной длине волны, что обеспечивает более высокую мощность и большую дальность действия. Во многих приложениях, таких как самоуправляемые автомобили, новая система снизит затраты, поскольку не требует механического компонента для наведения чипа. InGaAs использует менее опасные длины волн, чем обычные кремниевые детекторы, которые работают на видимых длинах волн.

Флэш-лидар

Во флэш-лидаре все поле зрения освещается широким расходящимся лазерным лучом за один импульс. Это отличается от обычного сканирующего лидара, в котором используется коллимированный лазерный луч , который освещает одну точку за раз, и луч сканируется в растровом режиме для освещения поля зрения точка за точкой. Этот метод освещения также требует другой схемы обнаружения. Как в сканирующем, так и в флэш-лидаре времяпролетная камера используется для сбора информации как о трехмерном местоположении, так и об интенсивности падающего на нее света в каждом кадре. Однако в сканирующем лидаре эта камера содержит только точечный датчик, в то время как в лидаре со вспышкой камера содержит массив одномерных или двумерных датчиков , каждый пиксель которого собирает трехмерную информацию о местоположении и интенсивности. В обоих случаях информация о глубине собирается с использованием времени прохождения лазерного импульса (т. е. времени, которое требуется каждому лазерному импульсу, чтобы поразить цель и вернуться к датчику), что требует подачи импульса лазера и получения данных датчиком. камеру для синхронизации. Результатом стала камера, которая делает снимки расстояния, а не цвета. Флэш-лидар особенно выгоден по сравнению со сканирующим лидаром, когда камера, сцена или и то, и другое движутся, поскольку вся сцена освещается одновременно. При сканирующем лидаре движение может вызвать «дрожание» из-за промежутка времени, когда лазер растрирует сцену.

Как и во всех формах лидара, встроенный источник освещения делает импульсный лидар активным датчиком. Возвращаемый сигнал обрабатывается встроенными алгоритмами для создания практически мгновенной трехмерной визуализации объектов и рельефа местности в поле зрения датчика. Частоты повторения лазерных импульсов достаточно для создания 3D-видео с высоким разрешением и точностью. Высокая частота кадров датчика делает его полезным инструментом для различных приложений, которые выигрывают от визуализации в реальном времени, таких как высокоточные операции удаленной посадки. Немедленно возвращая трехмерную сетку высот целевых ландшафтов, датчик вспышки можно использовать для определения оптимальных зон посадки в сценариях посадки автономных космических кораблей.

Чтобы видеть на расстоянии, требуется мощная вспышка света. Мощность ограничена уровнями, которые не повреждают сетчатку глаза человека. Длины волн не должны воздействовать на глаза человека. Однако недорогие кремниевые сканеры не считывают свет в безопасном для глаз спектре. Вместо этого требуются устройства формирования изображений на основе арсенида галлия , стоимость которых может увеличиться до 200 000 долларов. Арсенид галлия — это то же соединение, которое используется для производства дорогостоящих и высокоэффективных солнечных панелей, обычно используемых в космических приложениях.

Классификация

На основе ориентации

Лидар может быть ориентирован на надир , зенит или сбоку. Например, лидарные альтиметры смотрят вниз, атмосферный лидар смотрит вверх, а системы предотвращения столкновений на основе лидара смотрят сбоку.

Основан на сканирующем механизме

Лазерными проекциями лидаров можно управлять с помощью различных методов и механизмов для создания эффекта сканирования: стандартный шпиндельный тип, который вращается, обеспечивая обзор на 360 градусов; твердотельный лидар, который имеет фиксированное поле зрения, но не имеет движущихся частей и может использовать МЭМС или оптические фазированные решетки для управления лучами; и импульсный лидар, который распространяет вспышку света по большому полю зрения, прежде чем сигнал отразится обратно к детектору.

На основе платформы

Применение лидара можно разделить на воздушное и наземное. Для этих двух типов требуются сканеры с различными характеристиками в зависимости от назначения данных, размера области, которую нужно захватить, желаемого диапазона измерения, стоимости оборудования и многого другого. Также возможны космические платформы, см. Спутниковая лазерная альтиметрия .

Воздушно-десантный

Бортовой лидар (также бортовое лазерное сканирование ) — это когда лазерный сканер, прикрепленный к летательному аппарату во время полета, создает трехмерную модель ландшафта в виде облака точек. В настоящее время это наиболее подробный и точный метод создания цифровых моделей рельефа , заменяющий фотограмметрию . Одним из основных преимуществ по сравнению с фотограмметрией является возможность отфильтровывать отражения от растительности из модели облака точек для создания цифровой модели местности, которая представляет поверхности земли, такие как реки, тропы, объекты культурного наследия и т. д., которые скрыты деревьями. В категории бортовых лидаров иногда проводится различие между высотными и маловысотными приложениями, но основное различие заключается в снижении как точности, так и плотности точек данных, полученных на больших высотах. Бортовой лидар также можно использовать для создания батиметрических моделей на мелководье.

Основные составляющие бортового лидара включают цифровые модели рельефа (DEM) и цифровые модели поверхности (DSM). Точки и наземные точки представляют собой векторы дискретных точек, тогда как ЦМР и ЦМР представляют собой интерполированные растровые сетки дискретных точек. Процесс также включает в себя получение цифровых аэрофотоснимков. Для интерпретации глубинных оползней, например, под покровом растительности, уступов, трещин растяжения или поваленных деревьев используется бортовой лидар. Цифровые лидарные модели рельефа позволяют видеть сквозь полог лесного покрова, выполнять подробные измерения уступов, эрозии и наклона электрических столбов.

Данные бортового лидара обрабатываются с помощью набора инструментов под названием Toolbox for Lidar Data Filtering and Forest Studies (TIFFS) для фильтрации лидарных данных и программного обеспечения для изучения местности. Данные интерполируются в цифровые модели местности с помощью программного обеспечения. Лазер направляется на область, которую нужно нанести на карту, и высота каждой точки над землей рассчитывается путем вычитания исходной координаты z из соответствующей высоты цифровой модели местности. На основе этой высоты над землей получаются нерастительные данные, которые могут включать такие объекты, как здания, линии электропередач, летающие птицы, насекомые и т. д. Остальные точки рассматриваются как растительность и используются для моделирования и картирования. На каждом из этих графиков показатели лидара рассчитываются путем расчета таких статистических данных, как среднее значение, стандартное отклонение, асимметрия, процентили, среднеквадратичное значение и т. д.

Бортовая лидарная батиметрическая технология — многолучевая лидарная карта с высоким разрешением, показывающая эффектно разломы и деформацию морского дна с заштрихованным рельефом и цветом по глубине.
Бортовая лидарная батиметрия

Бортовая лидарная батиметрическая технологическая система предполагает измерение времени прохождения сигнала от источника до его возврата к датчику. Метод сбора данных включает в себя компонент картирования морского дна и компонент наземной достоверности, который включает в себя видеоразрезы и выборку. Он работает с использованием лазерного луча зеленого спектра (532 нм). Два луча проецируются на быстро вращающееся зеркало, которое создает массив точек. Один из лучей проникает в воду, а также обнаруживает придонную поверхность воды при благоприятных условиях.

Полученные данные показывают полную протяженность поверхности земли, обнаженной над морским дном. Этот метод чрезвычайно полезен, поскольку он будет играть важную роль в основной программе картирования морского дна. Картографирование дает топографию суши, а также подводные высоты. Визуализация отражательной способности морского дна — еще одно решение этой системы, которое может принести пользу при картировании подводной среды обитания. Этот метод использовался для картирования трехмерных изображений вод Калифорнии с использованием гидрографического лидара.

Лидарное сканирование выполняется мультикоптерным БПЛА .

Дроны теперь используются с лазерными сканерами, а также с другими удаленными датчиками, как более экономичный метод сканирования небольших площадей. Возможность дистанционного зондирования дронами также устраняет любую опасность, которой могут подвергаться экипажи пилотируемых самолетов в труднопроходимой местности или отдаленных районах.

Наземный

Наземные применения лидара (также наземного лазерного сканирования ) происходят на поверхности Земли и могут быть как стационарными, так и мобильными. Стационарное наземное сканирование наиболее распространено в качестве метода съемки, например, в традиционной топографии, мониторинге, документировании культурного наследия и криминалистике. Трехмерные облака точек, полученные с помощью этих типов сканеров, можно сопоставить с цифровыми изображениями, полученными из области сканирования с места расположения сканера, для создания реалистичных трехмерных моделей за относительно короткое время по сравнению с другими технологиями. Каждой точке в облаке точек присваивается цвет пикселя изображения, снятого в том же месте и в том же направлении, что и лазерный луч, создавший точку.

Мобильный лидар (также мобильное лазерное сканирование ) — это когда два или более сканера прикреплены к движущемуся транспортному средству для сбора данных по пути. Эти сканеры почти всегда работают в паре с другим оборудованием, включая приемники GNSS и IMU . Одним из примеров применения является съемка улиц, где необходимо учитывать линии электропередач, точную высоту мостов, окаймляющие деревья и т. д. Вместо того, чтобы собирать каждое из этих измерений отдельно в полевых условиях с помощью тахеометра , можно создать трехмерную модель из облака точек, где можно выполнить все необходимые измерения в зависимости от качества собранных данных. Это устраняет проблему забывания провести измерение, если модель доступна, надежна и имеет соответствующий уровень точности.

Наземное лидарное картографирование включает в себя процесс создания карты с координатной сеткой занятости . Процесс включает в себя массив ячеек, разделенных на сетки, которые используют процесс для сохранения значений высоты, когда данные лидара попадают в соответствующую ячейку сетки. Затем создается бинарная карта путем применения определенного порога к значениям ячеек для дальнейшей обработки. Следующим шагом является обработка радиального расстояния и z-координат из каждого сканирования, чтобы определить, какие трехмерные точки соответствуют каждой указанной ячейке сетки, что приводит к процессу формирования данных.

Полноволновой лидар

Бортовые системы LiDAR традиционно могли регистрировать только несколько пиковых отражений, в то время как более современные системы собирают и оцифровывают весь отраженный сигнал. Ученые проанализировали сигнал формы волны для извлечения пиковых возвратов с помощью гауссовой декомпозиции. Zhuang et al, 2017 использовали этот подход для оценки надземной биомассы. Обработка огромных объемов данных полной формы сигнала затруднена. Таким образом, гауссовская декомпозиция сигналов эффективна, поскольку она сокращает объем данных и поддерживается существующими рабочими процессами, поддерживающими интерпретацию трехмерных облаков точек. Недавние исследования изучали вокселизацию. Интенсивности образцов сигнала вставляются в вокселизированное пространство (т. е. трехмерное изображение в градациях серого), создавая трехмерное представление сканируемой области. Затем из этого вокселизированного пространства можно извлечь соответствующие показатели и информацию. Структурная информация может быть извлечена с использованием 3D-метрик из местных областей, и есть тематическое исследование, в котором использовался подход вокселизации для обнаружения мертвых стоящих эвкалиптовых деревьев в Австралии.

Приложения

Этот мобильный робот использует свой лидар для построения карты и обхода препятствий.

Существует множество лидарных приложений, в дополнение к перечисленным ниже приложениям, которые часто упоминаются в национальных программах набора лидарных данных. Эти приложения во многом определяются диапазоном эффективного обнаружения объектов; разрешение — насколько точно лидар идентифицирует и классифицирует объекты; и путаница с отражением, означающая, насколько хорошо лидар может видеть что-то в присутствии ярких объектов, таких как отражающие знаки или яркое солнце.

Компании работают над снижением стоимости лидарных датчиков, которая в настоящее время составляет примерно от 1200 до более чем 12 000 долларов. Более низкие цены сделают лидар более привлекательным для новых рынков.

сельское хозяйство

График возврата лидара с разной урожайностью.
Лидар используется для анализа урожайности на сельскохозяйственных полях.

Сельскохозяйственные роботы использовались для самых разных целей, начиная от рассеивания семян и удобрений, методов обнаружения, а также для наблюдения за посевами для борьбы с сорняками.

Лидар может помочь определить, где применять дорогостоящие удобрения. Он может создать топографическую карту полей и показать склоны и солнечное освещение сельскохозяйственных угодий. Исследователи из Службы сельскохозяйственных исследований использовали эти топографические данные с результатами урожайности сельскохозяйственных угодий за предыдущие годы, чтобы разделить земли на зоны высокой, средней или низкой урожайности. Это указывает, где применять удобрения, чтобы максимизировать урожай.

Лидар теперь используется для наблюдения за насекомыми в полевых условиях. Использование лидара позволяет обнаруживать движение и поведение отдельных летающих насекомых с идентификацией вплоть до пола и вида. В 2017 году была опубликована патентная заявка на эту технологию в Соединенных Штатах Америки, Европе и Китае.

Еще одним приложением является картирование культур в садах и виноградниках для обнаружения роста листвы и необходимости обрезки или другого ухода, выявления изменений в урожайности фруктов или подсчета растений.

Лидар полезен в ситуациях, когда GNSS запрещен, например, в ореховых и фруктовых садах, где листва блокирует спутниковые сигналы для точного сельскохозяйственного оборудования или трактора без водителя . Лидарные датчики могут обнаруживать края рядов, поэтому сельскохозяйственное оборудование может продолжать движение до тех пор, пока не восстановится сигнал GNSS.

Классификация видов растений

Борьба с сорняками требует определения видов растений. Это можно сделать с помощью трехмерного лидара и машинного обучения. Лидар создает контуры растений в виде «облака точек» со значениями дальности и отражательной способности. Эти данные преобразуются, и из них извлекаются признаки. Если вид известен, признаки добавляются как новые данные. Вид маркируется, и его признаки изначально сохраняются в качестве примера для идентификации вида в реальной среде. Этот метод эффективен, поскольку использует лидар с низким разрешением и контролируемое обучение. Он включает простой в вычислении набор функций с общими статистическими характеристиками, которые не зависят от размера предприятия.

Археология

Лидар имеет множество применений в археологии, включая планирование полевых кампаний, картографирование объектов под пологом леса и обзор широких непрерывных объектов, неотличимых от земли. Лидар может быстро и дешево создавать наборы данных с высоким разрешением. Продукты лидара можно легко интегрировать в географическую информационную систему (ГИС) для анализа и интерпретации.

Лидар также может помочь в создании цифровых моделей рельефа (ЦМР) археологических памятников с высоким разрешением, которые могут выявить микротопографию, скрытую растительностью. Интенсивность возвращаемого лидарного сигнала можно использовать для обнаружения особенностей, скрытых под плоскими растительными поверхностями, такими как поля, особенно при картографировании с использованием инфракрасного спектра. Наличие этих особенностей влияет на рост растений и, следовательно, на количество отраженного инфракрасного света. Например, в форте Босежур — национальном историческом памятнике форта Камберленд, Канада, с помощью лидара были обнаружены археологические объекты, связанные с осадой форта в 1755 году. ЦМР, созданная при искусственном освещении с разных ракурсов. Другой пример — работа в Caracol Арлена Чейза и его жены Дианы Зайно Чейз . В 2012 году лидар использовался для поиска легендарного города Ла-Сьюдад-Бланка или «Города обезьяньего бога» в районе Ла-Москития в гондурасских джунглях. В течение семидневного периода картографирования были обнаружены свидетельства существования искусственных сооружений. В июне 2013 года было объявлено о повторном открытии города Махендрапарвата . На юге Новой Англии лидар использовался для выявления каменных стен, фундаментов зданий, заброшенных дорог и других особенностей ландшафта, скрытых на аэрофотосъемке из-за густого полога леса. В Камбодже Дамиан Эванс и Роланд Флетчер использовали лидарные данные для выявления антропогенных изменений ландшафта Ангкора.

В 2012 году лидар показал, что в поселении Пурепеча Ангамуко в Мичоакане , Мексика, было примерно столько же зданий, сколько сегодня на Манхэттене; в то время как в 2016 году его использование при картографировании древних дамб майя в северной Гватемале выявило 17 надземных дорог, соединяющих древний город Эль-Мирадор с другими местами. В 2018 году археологи с помощью лидара обнаружили более 60 000 искусственных сооружений в биосферном заповеднике майя , что стало «крупным прорывом», который показал, что цивилизация майя была намного крупнее, чем считалось ранее.

Автономные транспортные средства

Самоуправляемый автомобиль Cruise Automation с пятью лидарами Velodyne на крыше
Трехмерная лазерная система Forecast с лидарным датчиком SICK LMC

Автономные транспортные средства могут использовать лидар для обнаружения препятствий и их обхода, чтобы безопасно перемещаться по окружающей среде. Внедрение лидара было ключевым событием, которое стало ключевым фактором для Стэнли , первого автономного транспортного средства, успешно завершившего Гранд-вызов DARPA . Выход облака точек от лидарного датчика предоставляет необходимые данные для программного обеспечения робота, чтобы определить, где в окружающей среде существуют потенциальные препятствия и где находится робот по отношению к этим потенциальным препятствиям. Сингапурский альянс исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART) активно разрабатывает технологии для автономных лидарных транспортных средств.

Самые первые поколения автомобильных адаптивных систем круиз-контроля использовали только лидарные датчики.

Обнаружение объектов для транспортных систем

В транспортных системах для обеспечения безопасности транспортных средств и пассажиров, а также для разработки электронных систем, обеспечивающих помощь водителю, крайне важно понимать транспортное средство и окружающую его среду. Лидарные системы играют важную роль в обеспечении безопасности транспортных систем. Многие электронные системы, которые помогают водителю и повышают безопасность автомобиля, такие как адаптивный круиз-контроль (ACC), система помощи при экстренном торможении и антиблокировочная тормозная система (ABS), зависят от обнаружения окружающей среды автомобиля и действуют автономно или полуавтономно. Лидарное картирование и оценка достигают этого.

Обзор основ: Современные лидарные системы используют вращающиеся шестиугольные зеркала, которые разделяют лазерный луч. Три верхних луча используются для обнаружения транспортных средств и препятствий впереди, а нижние лучи используются для обнаружения разметки полосы движения и особенностей дороги. Основное преимущество использования лидара заключается в том, что получается пространственная структура, и эти данные могут быть объединены с другими датчиками, такими как радар и т. д., чтобы получить лучшее представление об окружающей среде транспортного средства с точки зрения статических и динамических свойств объектов, присутствующих в пространстве. окружающая обстановка. И наоборот, серьезной проблемой лидара является сложность восстановления данных облака точек в плохих погодных условиях. Например, во время сильного дождя световые импульсы, излучаемые лидарной системой, частично отражаются от капель дождя, что добавляет к данным шум, называемый «эхо».

Ниже упомянуты различные подходы к обработке лидарных данных и их использованию вместе с данными других датчиков посредством слияния датчиков для определения условий окружающей среды транспортного средства.

Обработка на основе GRID с использованием трехмерного лидара и слияния с радиолокационными измерениями

В этом методе, предложенном Филиппом Линднером и Гердом Ванеликом, лазерные данные обрабатываются с использованием многомерной сетки занятости. Данные от четырехслойного лазера предварительно обрабатываются на уровне сигнала, а затем обрабатываются на более высоком уровне для извлечения характеристик препятствий. Используется комбинированная двух- и трехмерная сеточная структура, а пространство в этих структурах разбивается на несколько дискретных ячеек. Этот метод позволяет эффективно обрабатывать огромное количество необработанных данных измерений, собирая их в пространственные контейнеры, ячейки сетки доказательств. Каждая ячейка связана с вероятностной мерой, которая идентифицирует занятость ячейки. Эта вероятность рассчитывается с использованием измерения дальности лидарного датчика, полученного с течением времени, и нового измерения дальности, которые связаны с помощью теоремы Байеса . Двумерная сетка может наблюдать препятствие перед собой, но не может наблюдать пространство за препятствием. Чтобы решить эту проблему, неизвестному состоянию позади препятствия присваивается вероятность 0,5. Вводя третье измерение или, другими словами, используя многослойный лазер, пространственная конфигурация объекта может быть отображена в структуре сетки до определенной степени сложности. Это достигается переносом точек измерения в трехмерную сетку. Занятые ячейки сетки будут иметь вероятность больше 0,5, и отображение будет иметь цветовую кодировку в зависимости от вероятности. Незанятые ячейки будут иметь вероятность менее 0,5, и эта область обычно будет пустым пространством. Затем это измерение преобразуется в систему координат сетки с использованием положения датчика на транспортном средстве и положения транспортного средства в мировой системе координат. Координаты датчика зависят от его местоположения на транспортном средстве, а координаты транспортного средства вычисляются с использованием оценки эгодвижения , которая оценивает движение транспортного средства относительно жесткой сцены. Для этого метода необходимо определить профиль сетки. Ячейки сетки, которых касается переданный лазерный луч, рассчитываются с применением линейного алгоритма Брезенхема . Для получения пространственно протяженной структуры выполняется связный компонентный анализ этих ячеек. Затем эта информация передается алгоритму вращающегося штангенциркуля для получения пространственных характеристик объекта. В дополнение к лидарному обнаружению данные RADAR, полученные с помощью двух радаров ближнего действия, интегрируются для получения дополнительных динамических свойств объекта, таких как его скорость. Измерения назначаются объекту с помощью функции потенциального расстояния.

Преимущества и недостатки

Геометрические особенности объектов эффективно извлекаются из измерений, полученных с помощью трехмерной сетки занятости, с использованием алгоритма вращающегося штангенциркуля. Слияние данных радара с лидарными измерениями дает информацию о динамических свойствах препятствия, таких как скорость и местоположение препятствия для местоположения датчика, что помогает транспортному средству или водителю решить, какое действие необходимо выполнить для обеспечения безопасности. Единственная проблема заключается в вычислительных требованиях для реализации этого метода обработки данных. Он может быть реализован в режиме реального времени и доказал свою эффективность, если размер трехмерной сетки присутствия значительно ограничен. Но это можно улучшить до еще более широкого диапазона, используя специальные структуры пространственных данных, которые более эффективно управляют пространственными данными для трехмерного представления сетки.

Сочетание трехмерного лидара и цветной камеры для обнаружения и отслеживания нескольких объектов

Структура, предложенная в этом методе Сунмином Хвангом и др., Разбивается на четыре этапа. Сначала в систему вводятся данные с камеры и 3D-лидара. Оба входа от лидара и камеры получаются параллельно, а цветное изображение с камеры калибруется с помощью лидара. Для повышения эффективности в качестве предварительной обработки применяется горизонтальная трехмерная точечная выборка. Во-вторых, на этапе сегментации все трехмерные точки делятся на несколько групп по расстоянию от датчика и последовательно оцениваются локальные плоскости от ближней до дальней. Локальные плоскости оцениваются с помощью статистического анализа. Группа точек, расположенных ближе к датчику, используется для вычисления исходной плоскости. Используя текущую локальную плоскость, следующая локальная плоскость оценивается путем итеративного обновления. Предложения объектов в двухмерном изображении используются для отделения объектов переднего плана от фона. Для более быстрого и точного обнаружения и отслеживания используются бинаризованные нормированные градиенты (BING) для оценки объектности со скоростью 300 кадров в секунду. BING — это комбинация нормированного градиента и его бинарной версии, которая ускоряет процесс извлечения признаков и тестирования для оценки объектности окна изображения. Таким образом объекты переднего плана и фона разделяются. Для формирования объектов после оценки предметности изображения с помощью BING 3-D точки группируются или группируются. Кластеризация выполняется с использованием алгоритма DBSCAN (пространственная кластеризация приложений с шумом на основе плотности), который может быть надежным из-за его менее параметрических характеристик. Используя сгруппированные трехмерные точки, т. е. трехмерный сегмент, более точные области интереса (RoI) генерируются путем проецирования трехмерных точек на двумерное изображение. Третий шаг — обнаружение, которое можно разделить на две части. Во-первых, это обнаружение объектов на двумерном изображении, которое достигается с помощью Fast R-CNN, поскольку этот метод не требует обучения, а также учитывает изображение и несколько областей интереса. Во-вторых, это обнаружение объектов в трехмерном пространстве, которое выполняется с использованием метода спинового изображения. Этот метод извлекает локальные и глобальные гистограммы для представления определенного объекта. Для объединения результатов обнаружения 2D-изображения и 3D-космического объекта рассматривается одна и та же 3D-область и к рассматриваемой области применяются два независимых классификатора из 2D-изображения и 3D-пространства. Калибровка показателей выполняется для получения единого показателя достоверности от обоих детекторов. Эта единственная оценка получается в виде вероятности. Последний шаг — отслеживание. Это делается путем связывания движущихся объектов в настоящем и прошлом кадре. Для отслеживания объектов используется сопоставление сегментов. Вычисляются такие характеристики, как среднее значение, стандартное отклонение, квантованные цветовые гистограммы, размер объема и количество трехмерных точек сегмента. Евклидово расстояние используется для измерения различий между сегментами. Чтобы судить о появлении и исчезновении объекта, берутся похожие сегменты (полученные на основе евклидова расстояния) из двух разных кадров и рассчитываются оценки физического расстояния и несходства. Если оценки выходят за пределы диапазона для каждого сегмента в предыдущем кадре, отслеживаемый объект считается исчезнувшим.

Преимущества и недостатки

Преимущества этого метода заключаются в совместном использовании 2D-изображения и 3D-данных, показателе F l (который дает меру точности теста), средней точности (AP) выше, чем при использовании только 3D-данных с лидара. использовал. Эти баллы являются обычными измерениями, которые оценивают структуру. Недостатком этого метода является использование BING для оценки предложения объекта, поскольку BING прогнозирует небольшой набор ограничивающих рамок объекта.

Обнаружение препятствий и распознавание дорожной обстановки с помощью лидара

Этот метод, предложенный Kun Zhou et al. не только фокусируется на обнаружении и отслеживании объектов, но также распознает разметку полосы движения и особенности дороги. Как упоминалось ранее, лидарные системы используют вращающиеся шестиугольные зеркала, которые разделяют лазерный луч на шесть лучей. Верхние три уровня используются для обнаружения движущихся впереди объектов, таких как автомобили и придорожные объекты. Датчик изготовлен из атмосферостойкого материала. Данные, обнаруженные лидаром, группируются в несколько сегментов и отслеживаются фильтром Калмана . Кластеризация данных здесь выполняется на основе характеристик каждого сегмента на основе модели объекта, которые различают различные объекты, такие как транспортные средства, вывески и т. д. Эти характеристики включают в себя размеры объекта и т. д. Отражатели на задних краях транспортных средств используются для отличать транспортные средства от других объектов. Отслеживание объектов выполняется с использованием двухступенчатого фильтра Калмана с учетом стабильности отслеживания и ускоренного движения объектов. Данные об интенсивности отражения лидара также используются для обнаружения бордюров с использованием надежной регрессии для борьбы с окклюзиями. Дорожная разметка определяется с помощью модифицированного метода Otsu путем различения шероховатых и блестящих поверхностей.

Преимущества

Придорожные отражатели, обозначающие границу полосы движения, иногда по разным причинам скрыты. Следовательно, для распознавания дорожной границы необходима другая информация. Лидар, используемый в этом методе, может измерять отражательную способность объекта. Следовательно, с помощью этих данных также можно распознать границу дороги. Также использование датчика с атмосферостойкой головкой помогает обнаруживать объекты даже в плохих погодных условиях. Хорошим примером является модель высоты навеса до и после наводнения. Лидар может обнаруживать подробные данные о высоте навеса, а также его границу дороги.

Лидарные измерения помогают выявить пространственную структуру препятствия. Это помогает различать объекты по размеру и оценивать последствия наезда на них.

Лидарные системы обеспечивают лучшую дальность и большое поле зрения, что помогает обнаруживать препятствия на поворотах. Это одно из основных преимуществ по сравнению с радарными системами, которые имеют более узкое поле зрения. Объединение лидарных измерений с различными датчиками делает систему надежной и полезной в приложениях реального времени, поскольку системы, зависящие от лидара, не могут оценивать динамическую информацию об обнаруженном объекте.

Было показано, что лидаром можно манипулировать, так что беспилотные автомобили обманом заставляют уклоняться.

Биология и сохранение

Лидарное изображение, сравнивающее старовозрастной лес (справа) с новой плантацией деревьев (слева)

Лидар также нашел широкое применение в лесном хозяйстве . Высоту полога, измерения биомассы и площадь листьев можно изучить с помощью бортовых лидарных систем. Точно так же лидар также используется во многих отраслях, включая энергетику и железную дорогу, а также в Министерстве транспорта как более быстрый способ съемки. Топографические карты также можно легко создавать с помощью лидара, в том числе для рекреационного использования, например, при создании карт для спортивного ориентирования . Лидар также применялся для оценки биоразнообразия растений, грибов и животных.

Кроме того, Лига спасения секвойи предприняла проект по нанесению на карту высоких секвой на побережье Северной Калифорнии. Лидар позволяет ученым-исследователям не только измерять высоту ранее не нанесенных на карту деревьев, но и определять биоразнообразие секвойного леса. Стивен Силлетт , который работает с Лигой над лидарным проектом Северного побережья, утверждает, что эта технология будет полезна для направления будущих усилий по сохранению и защите древних секвой.

Геология и почвоведение

Цифровые карты высот высокого разрешения , созданные с помощью бортовых и стационарных лидаров, привели к значительным успехам в геоморфологии (отрасли наук о Земле, занимающейся происхождением и эволюцией рельефа поверхности Земли). Возможности лидара обнаруживать тонкие топографические особенности, такие как речные террасы и берега русел, ледниковые формы рельефа, измерять высоту поверхности земли под растительным покровом, лучше разрешать пространственные производные высоты и обнаруживать изменения высоты между повторными съемками. много новых исследований физических и химических процессов, формирующих ландшафты. В 2005 году Tour Ronde в массиве Монблан стал первой высокой альпийской горой , на которой лидар использовался для наблюдения за участившимися случаями сильных камнепадов на большие скалы, предположительно вызванными изменением климата и деградацией вечной мерзлоты на большой высоте.

Лидар также используется в структурной геологии и геофизике как комбинация бортового лидара и GNSS для обнаружения и изучения разломов , для измерения поднятия . На выходе двух технологий можно создавать чрезвычайно точные модели рельефа местности — модели, которые могут даже измерять высоту земли сквозь деревья. Эта комбинация наиболее широко использовалась для определения местоположения Сиэтлского разлома в Вашингтоне , США. Эта комбинация также измеряет подъем на горе Сент-Хеленс с использованием данных до и после подъема 2004 года. Бортовые лидарные системы наблюдают за ледниками и способны обнаруживать незначительные количества роста или снижения. Спутниковая система NASA ICESat включает для этой цели лидарную подсистему. Бортовой топографический картограф НАСА также широко используется для наблюдения за ледниками и анализа изменений побережья. Эта комбинация также используется почвоведами при проведении исследования почвы . Детальное моделирование местности позволяет почвоведам видеть изменения склонов и разрывы формы рельефа, которые указывают на закономерности в пространственных отношениях почвы.

Атмосфера

Первоначально на основе рубиновых лазеров лидары для метеорологических приложений были построены вскоре после изобретения лазера и представляют собой одно из первых применений лазерной технологии. С тех пор возможности лидарной технологии значительно расширились, и лидарные системы используются для выполнения ряда измерений, включая профилирование облаков, измерение ветра, изучение аэрозолей и количественную оценку различных компонентов атмосферы. Атмосферные компоненты, в свою очередь, могут предоставить полезную информацию, включая поверхностное давление (путем измерения поглощения кислорода или азота), выбросы парниковых газов (двуокись углерода и метан), фотосинтез (двуокись углерода), пожары (окись углерода) и влажность (водяной пар). . Атмосферные лидары могут быть наземными, воздушными или спутниковыми в зависимости от типа измерения.

Дистанционное зондирование атмосферы с помощью лидара работает двумя способами:

  1. путем измерения обратного рассеяния от атмосферы и
  2. путем измерения рассеянного отражения от земли (когда лидар находится в воздухе) или другой твердой поверхности.

Обратное рассеяние из атмосферы напрямую дает меру облаков и аэрозолей. Другие измерения, производные от обратного рассеяния, такие как ветер или кристаллы перистого льда, требуют тщательного выбора обнаруженной длины волны и/или поляризации. Доплеровский лидар и доплеровский лидар Рэлея используются для измерения температуры и/или скорости ветра вдоль луча путем измерения частоты обратно рассеянного света. Доплеровское уширение движущихся газов позволяет определять свойства по результирующему частотному сдвигу. Сканирующие лидары, такие как НАСА HARLIE LIDAR с коническим сканированием, использовались для измерения скорости атмосферного ветра. Миссия ЕКА по ветру ADM-Aeolus будет оснащена доплеровской лидарной системой для обеспечения глобальных измерений вертикальных профилей ветра. Доплеровская лидарная система использовалась на летних Олимпийских играх 2008 года для измерения полей ветра во время соревнований яхт.

В настоящее время доплеровские лидарные системы также начинают успешно применяться в секторе возобновляемых источников энергии для получения данных о скорости ветра, турбулентности, отклонении ветра и сдвиге ветра. Используются как импульсные, так и непрерывные системы. Импульсные системы используют синхронизацию сигнала для получения разрешения по вертикальному расстоянию, в то время как системы непрерывной волны полагаются на фокусировку детектора.

Термин эолики был предложен для описания совместных и междисциплинарных исследований ветра с использованием компьютерного моделирования гидромеханики и измерений доплеровского лидара.

Отражение от земли бортового лидара дает меру отражательной способности поверхности (при условии, что коэффициент пропускания атмосферы хорошо известен) на длине волны лидара, однако отражение от земли обычно используется для измерения поглощения атмосферы. В измерениях с помощью лидара дифференциального поглощения (DIAL) используются две или более близко расположенных (<1 нм) длин волн для учета отражательной способности поверхности, а также других потерь пропускания, поскольку эти факторы относительно нечувствительны к длине волны. При настройке на соответствующие линии поглощения определенного газа измерения DIAL можно использовать для определения концентрации (соотношения смеси) этого конкретного газа в атмосфере. Это называется подходом интегрированного дифференциального поглощения на пути (IPDA), поскольку он является мерой интегрированного поглощения на всем пути лидара. Лидары IPDA могут быть импульсными или непрерывными и обычно используют две или более длин волн. Лидары IPDA использовались для дистанционного зондирования углекислого газа и метана.

Лидар с синтезированной матрицей позволяет получать лидарные изображения без использования матричного детектора. Его можно использовать для визуализации доплеровской велосиметрии, визуализации со сверхвысокой частотой кадров (МГц), а также для уменьшения спеклов в когерентном лидаре. Обширная библиография по лидарам для атмосферных и гидросферных применений предоставлена ​​Грантом.

Принцип Шаймпфлюга

Появился еще один лидарный метод дистанционного зондирования атмосферы. Он основан на принципе Шаймпфлюга , называемом лидаром Шаймпфлюга ( слайдаром ).

" Смысл принципа Шеймпфлюга заключается в том, что когда лазерный луч передается в атмосферу, обратное эхо всего освещающего объема зонда остается в фокусе одновременно без уменьшения апертуры до тех пор, пока плоскость объекта, плоскость изображения и плоскость линзы пересекаются друг с другом ». Двумерная ПЗС/КМОП-камера используется для разрешения обратного отражения прошедшего лазерного луча.

Таким образом, как и в случае традиционных лидарных технологий, для дистанционного зондирования можно использовать источники света с непрерывной волной, такие как диодные лазеры, вместо использования сложных наносекундных импульсных источников света. Система SLidar также является надежной и недорогой системой, основанной на компактных лазерных диодах и матричных детекторах. Непрерывно-волновая (CW) система NO 2 DIAL, основанная на принципе Шаймпфлюга, была разработана с использованием в качестве источника света компактного мощного непрерывного многомодового лазерного диода с длиной волны 450 нм. Лазерное излучение на прямой и автономной длинах волн спектра поглощения NO 2 реализуется путем перестройки тока инжекции лазерного диода. Сигналы лидара обнаруживаются ПЗС-датчиком изображения, наклоненным под углом 45° и удовлетворяющим принципу Шаймпфлюга. Концентрации NO 2 с разрешением по дальности на почти горизонтальной трассе получены системой NO 2 DIAL в диапазоне 0,3–3 км и хорошо согласуются с данными, измеренными обычной станцией мониторинга загрязнения воздуха. Чувствительность обнаружения ± 0,9 ppbv при доверительном уровне 95% в диапазоне 0,3–1 км достигается при 15-минутном усреднении и разрешении по дальности 700 м в темное время суток, что позволяет точно измерять концентрацию NO 2 в окружающей среде . Недорогая и надежная система DIAL, продемонстрированная в этой работе, открывает множество возможностей для полевых приложений дистанционного зондирования NO 2 .

Правоохранительные органы

Скоростные лидары используются полицией для измерения скорости транспортных средств в целях обеспечения соблюдения скоростного режима . Кроме того, он используется в криминалистике для помощи в расследовании места преступления. Делаются сканы сцены для записи точных деталей размещения объектов, крови и другой важной информации для последующего просмотра. Эти сканы также можно использовать для определения траектории пули в случае стрельбы.

Военный

Известно, что существует и засекречено несколько военных приложений (например, измерение скорости крылатой ракеты-невидимки AGM-129 ACM на основе лидара ), но проводится значительный объем исследований по их использованию для визуализации. Системы с более высоким разрешением собирают достаточно деталей для идентификации целей, таких как танки . Примеры военного применения лидара включают бортовую лазерную систему обнаружения мин (ALMDS) для борьбы с минами от Areté Associates.

В отчете НАТО (RTO-TR-SET-098) оцениваются потенциальные технологии для дистанционного обнаружения для различения боевых биологических агентов. Были оценены потенциальные технологии: длинноволновое инфракрасное излучение (LWIR), дифференциальное рассеяние (DISC) и флуоресценция, индуцированная ультрафиолетовым лазером (UV-LIF). В отчете сделан вывод о том, что: Основываясь на результатах испытаний лидарных систем, рассмотренных выше, Целевая группа рекомендует, чтобы в ближайшем будущем (2008–2010 гг.) применение дистанционных систем обнаружения было оптимальным вариантом УФ-ЛИФ , однако, в долгосрочной перспективе для идентификации боевых биологических агентов могут оказаться полезными другие методы, такие как дистанционная рамановская спектроскопия .

Компактный спектрометрический лидар ближнего действия, основанный на лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF), позволит решить проблему присутствия биологических угроз в форме аэрозоля над критически важными закрытыми, полузакрытыми и открытыми объектами, такими как стадионы, метро и аэропорты. Эта возможность почти в режиме реального времени позволит быстро обнаружить выброс биоаэрозоля и позволит своевременно принять меры по защите пассажиров и минимизации степени загрязнения.

Система обнаружения дальнего биологического противостояния (LR-BSDS) была разработана для армии США, чтобы обеспечить максимально раннее предупреждение о биологической атаке. Это бортовая система, устанавливаемая на вертолете для обнаружения синтетических аэрозольных облаков, содержащих биологические и химические агенты, на большом расстоянии. LR-BSDS с дальностью обнаружения 30 км и более был принят на вооружение в июне 1997 года. Пять лидаров, произведенных немецкой компанией Sick AG , использовались для ближнего обнаружения Stanley , автономного автомобиля , выигравшего DARPA Grand Challenge 2005 года. .

В июне 2010 года роботизированный Boeing AH-6 совершил полностью автономный полет, в том числе обогнув препятствия с помощью лидара.

Добыча полезных ископаемых

Для подсчета объемов руды производится периодическое (ежемесячное) сканирование в местах выемки руды с последующим сравнением поверхностных данных с предыдущим сканированием.

Лидарные датчики также могут использоваться для обнаружения препятствий и их обхода роботизированными горнодобывающими транспортными средствами, такими как автономная система транспортировки (AHS) Komatsu, используемая в шахте будущего Rio Tinto.

Физика и астрономия

Всемирная сеть обсерваторий использует лидары для измерения расстояния до отражателей, размещенных на Луне , что позволяет измерять положение Луны с точностью до миллиметра и проводить тесты общей теории относительности . MOLA , марсианский орбитальный лазерный высотомер, использовала лидар на спутнике, вращающемся вокруг Марса (NASA Mars Global Surveyor ), для получения чрезвычайно точной глобальной топографической съемки красной планеты. Лазерные высотомеры произвели глобальные модели высот Марса, Луны (лазерный высотомер Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA)) и Меркурия (лазерный высотомер Mercury (MLA)), лазерный дальномер NEAR–Shoemaker (NLR). Будущие миссии также будут включать эксперименты с лазерным альтиметром, такие как лазерный альтиметр Ганимеда (GALA) в рамках миссии Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE).

В сентябре 2008 года NASA Phoenix Lander использовало лидар для обнаружения снега в атмосфере Марса.

В физике атмосферы лидар используется в качестве инструмента дистанционного обнаружения для измерения плотности определенных компонентов средней и верхней атмосферы, таких как калий , натрий или молекулярный азот и кислород . Эти измерения можно использовать для расчета температуры. Лидар также можно использовать для измерения скорости ветра и получения информации о вертикальном распределении аэрозольных частиц.

В исследовательской установке JET по ядерному синтезу в Великобритании недалеко от Абингдона, Оксфордшир , лидар рассеяния Томсона используется для определения профилей электронной плотности и температуры плазмы .

Механика горных пород

Лидар широко используется в механике горных пород для определения характеристик массива горных пород и обнаружения изменений уклонов. Некоторые важные геомеханические свойства массива горных пород могут быть извлечены из трехмерных облаков точек, полученных с помощью лидара. Вот некоторые из этих свойств:

  • Ориентация разрыва
  • Расстояние между разрывами и RQD
  • Диафрагма разрыва
  • Прерывистость
  • Неровность шероховатости
  • Инфильтрация воды

Некоторые из этих свойств использовались для оценки геомеханического качества массива горных пород с помощью индекса RMR . Кроме того, поскольку с помощью существующих методологий можно выделить ориентацию разрывов, можно оценить геомеханическое качество склона горной породы с помощью индекса SMR . Кроме того, сравнение различных трехмерных облаков точек со склона, полученных в разное время, позволяет исследователям изучать изменения, происходящие на сцене в течение этого временного интервала в результате камнепадов или любых других оползневых процессов.

ТОР

THOR — это лазер, предназначенный для измерения атмосферных условий Земли. Лазер входит в облачный покров и измеряет толщину обратного ореола. Датчик имеет оптоволоконную апертуру шириной 7,5 дюймов, которая используется для измерения обратного света.

Робототехника

Лидарная технология используется в робототехнике для восприятия окружающей среды, а также для классификации объектов. Способность лидарной технологии предоставлять трехмерные карты высот местности, высокую точность расстояния до земли и скорости приближения может обеспечить безопасную посадку роботизированных и пилотируемых транспортных средств с высокой степенью точности. Лидар также широко используется в робототехнике для одновременной локализации и картирования и хорошо интегрируется в симуляторы роботов. Дополнительные примеры см. в разделе «Военные» выше.

Космический полет

Лидар все чаще используется для определения дальности и расчета относительной скорости элемента орбиты в операциях сближения и удержании космических аппаратов на месте . Лидар также использовался для изучения атмосферы из космоса. Короткие импульсы лазерного излучения, излучаемого космическим кораблем, могут отражаться от мельчайших частиц в атмосфере и возвращаться обратно в телескоп, совмещенный с лазером космического корабля. Точно рассчитывая «эхо» лидара и измеряя количество лазерного света, получаемого телескопом, ученые могут точно определить местоположение, распределение и природу частиц. Результатом стал революционно новый инструмент для изучения компонентов атмосферы, от облачных капель до промышленных загрязнителей, которые трудно обнаружить другими способами».

Лазерная альтиметрия используется для создания цифровых карт высот планет, включая картографирование Марса с помощью орбитального лазерного альтиметра Марса (MOLA), картирование Луны с помощью лунного орбитального лазерного альтиметра (LOLA) и лунного альтиметра (LALT), а также лазерного альтиметра Меркурия ( MLA) картирование Меркурия. Он также используется для помощи в навигации вертолета Ingenuity в его рекордных полетах над территорией Марса .

Геодезия

Этот картографический фургон TomTom оснащен пятью лидарными датчиками на багажнике на крыше.

Бортовые лидарные датчики используются компаниями в области дистанционного зондирования. Их можно использовать для создания ЦМР (цифровой модели рельефа) или ЦМР ( цифровой модели рельефа ); это довольно обычная практика для больших территорий, поскольку самолет может получить полосу шириной 3–4 км за один пролет. Более высокая вертикальная точность менее 50 мм может быть достигнута с более низким эстакадой даже в лесах, где она может дать высоту кроны, а также высоту земли. Как правило, приемник GNSS, настроенный на контрольную точку с географической привязкой, необходим для связи данных с WGS ( Всемирной геодезической системой ).

LiDAR также используется в гидрографической съемке . В зависимости от прозрачности воды LiDAR может измерять глубину от 0,9 м до 40 м с вертикальной точностью 15 см и горизонтальной точностью 2,5 м.

Лесное хозяйство

Лидарные системы также применялись для улучшения управления лесным хозяйством. Измерения используются для инвентаризации лесных участков, а также для расчета высоты отдельных деревьев, ширины и диаметра кроны. Другой статистический анализ использует данные лидара для оценки общей информации о участке, такой как объем полога, средняя, ​​минимальная и максимальная высота, а также оценки растительного покрова. Воздушный LiDAR использовался для картографирования лесных пожаров в Австралии в начале 2020 года. Данные были обработаны для просмотра голой земли и выявления здоровой и сгоревшей растительности.

Транспорт

Облако точек, созданное движущимся автомобилем с использованием одного лидара Ouster OS1.

Лидар использовался в железнодорожной отрасли для создания отчетов о состоянии активов для управления активами, а также транспортными департаментами для оценки их дорожных условий. CivilMaps.com — ведущая компания в этой области. Лидар использовался в системах адаптивного круиз-контроля (ACC) для автомобилей. Такие системы, как Siemens, Hella, Ouster и Cepton, используют лидарное устройство, установленное на передней части автомобиля, например, на бампере, для контроля расстояния между автомобилем и любым транспортным средством перед ним. В случае, если впереди идущее транспортное средство замедляется или находится слишком близко, ACC применяет тормоза для замедления транспортного средства. Когда дорога впереди свободна, ACC позволяет автомобилю разогнаться до скорости, заданной водителем. Дополнительные примеры см. в разделе «Военные» выше. Устройство на основе лидара Ceilometer используется в аэропортах по всему миру для измерения высоты облаков на подходах к взлетно-посадочной полосе.

Оптимизация ветряной электростанции

Лидар можно использовать для увеличения выработки энергии ветряными электростанциями за счет точного измерения скорости ветра и турбулентности ветра. Экспериментальные лидарные системы могут быть установлены на гондоле ветряной турбины или интегрированы во вращающийся винт для измерения встречных горизонтальных ветров, ветров в следе ветряной турбины и упреждающей регулировки лопастей для защиты компонентов и увеличения мощности. Лидар также используется для характеристики падающего ветрового ресурса для сравнения с выработкой энергии ветряной турбиной для проверки производительности ветряной турбины путем измерения кривой мощности ветряной турбины. Оптимизацию ветряных электростанций можно считать темой прикладной эолики . Еще одним аспектом лидара в ветроэнергетике является использование вычислительной гидродинамики на поверхностях, отсканированных лидаром, для оценки ветрового потенциала, который можно использовать для оптимального размещения ветряных электростанций.

Оптимизация развертывания солнечных фотоэлектрических систем

Лидар также можно использовать для помощи проектировщикам и разработчикам в оптимизации солнечных фотоэлектрических систем на уровне города путем определения подходящих крыш и определения потерь при затенении . Недавние усилия по воздушному лазерному сканированию были сосредоточены на способах оценки количества солнечного света, попадающего на вертикальные фасады зданий, или путем включения более подробных потерь затенения с учетом влияния растительности и большей окружающей местности.

Видеоигры

В недавних играх-симуляторах гонок, таких как rFactor Pro , iRacing , Assetto Corsa и Project CARS , все чаще используются гоночные трассы, воспроизведенные из трехмерных облаков точек, полученных с помощью лидарных съемок, в результате чего поверхности воспроизводятся с точностью до сантиметра или миллиметра в игровой трехмерной среде. .

Исследовательская игра Scanner Sombre 2017 года от Introversion Software использует лидар в качестве фундаментальной игровой механики.

В Build the Earth лидар используется для создания точных рендеров местности в Minecraft , чтобы учесть любые ошибки (в основном, касающиеся высоты) в генерации по умолчанию. Процесс рендеринга ландшафта в Build the Earth ограничен объемом данных, доступных в регионе, а также скоростью, необходимой для преобразования файла в блочные данные.

Другое использование

Лидарный сканер на iPad Pro (4-го поколения)

Видеоклип на песню Radiohead 2007 года « Карточный домик » считается первым использованием трехмерного лазерного сканирования в реальном времени для записи музыкального видео. Данные о дальности в видео не полностью получены с лидара, так как также используется сканирование структурированным светом.

В 2020 году Apple представила iPad Pro четвертого поколения с лидарным датчиком, встроенным в модуль задней камеры , специально разработанным для дополненной реальности (AR). Позже эта функция была включена в iPhone 12 Pro и iPhone 12 Pro Max , а также в iPhone 13 Pro и iPhone 13 Pro Max .

Альтернативные технологии

Недавнее развитие технологий Structure From Motion (SFM) позволяет создавать трехмерные изображения и карты на основе данных, извлеченных из визуальной и инфракрасной фотографии. Высотные или трехмерные данные извлекаются с помощью нескольких параллельных проходов по нанесенной на карту области, что дает как визуальные световые изображения, так и трехмерную структуру с одного и того же датчика, который часто представляет собой специально выбранную и откалиброванную цифровую камеру .

Компьютерное стереозрение показало себя многообещающим в качестве альтернативы LiDAR для приложений с близкого расстояния.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Гил, Эмилио; Льоренс, Хорди; Ллоп, Хорди; Фабрегас, Ксавьер; Галларт, Монтсеррат (2013). « Использование наземного датчика LIDAR для обнаружения дрейфа при опрыскивании виноградников ». Датчики . 13 (1): 516–534. дои : 10.3390/s130100516. ISSN  1424-8220. PMC  3574688. PMID  23282583.
  • Наследие, Э. (2011). 3D лазерное сканирование наследия. Советы и рекомендации пользователям по лазерному сканированию в археологии и архитектуре. Доступно на сайте www.english-heritage.org.uk. 3D лазерное сканирование для наследия | Историческая Англия
  • Наследие, Г., и Лардж, А. (ред.). (2009). Лазерное сканирование для наук об окружающей среде. Джон Уайли и сыновья. ISBN  1-4051-5717-8
  • Мальтамо, М., Нэссет, Э., и Ваухконен, Дж. (2014). Применение бортового лазерного сканирования в лесном хозяйстве: концепции и тематические исследования (том 27). Springer Science & Business Media. ISBN  94-017-8662-3
  • Шан, Дж., и Тот, К.К. (ред.). (2008). Топографическая лазерная локация и сканирование: принципы и обработка. пресс CRC. ISBN  1-4200-5142-3
  • Воссельман, Г., и Маас, Х.Г. (ред.). (2010). Воздушное и наземное лазерное сканирование. Издательство Уиттлз. ISBN  1-4398-2798-2

внешняя ссылка