Hvad er lidar, og hvordan fungerer det?

Driverless Cars, som var en af de største teknologiske fantasier i 1990'erne (drevet af tidligere film som "The Love Bug" og "Demolition Man"), er en realitet i dag takket være den enorme udvikling, der er gjort omkring flere teknologier, især LIDAR.

Hvad er LiDAR?

LIDAR (står for Light Detection and Ranging) er en teknologi, der strækker sig, og som måler afstanden fra et objekt ved at skyde lysstråler mod objektet og bruge tiden og bølgelængden af den reflekterede lysstråle til at estimere afstanden og i nogle applikationer (Laser Imaging), lav en 3D-repræsentation af objektet.

Mens ideen bag laser kan spores til EH Synges arbejde i 1930, var det ikke noget før i begyndelsen af 1960'erne efter opfindelsen af laser. I det væsentlige en kombination af laserfokuseret billeddannelse med evnen til at beregne afstande ved hjælp af flyvetidsteknikken, fandt den sine tidligste anvendelser i meteorologi, hvor den blev brugt til at måle skyer og i rummet, hvor en laserhøjdemåler blev brugt til kortlægning af månens overflade under Apollo 15-missionen. Siden da er teknologien forbedret og blevet brugt i forskellige applikationer, herunder; påvisning af seismiske aktiviteter, oceanografi, arkæologi og navigation for at nævne nogle få.

Hvordan fungerer LiDAR

Teknologien er meget lig den med RADAR (radiobølgenavigation brugt af skibe og fly) og SONAR (undervandsobjektdetektion og navigering ved hjælp af lyd, hovedsageligt brugt af ubåde), som begge bruger princippet om refleksion af bølger til genstandsdetektion og afstand estimering. Mens RADAR er baseret på radiobølger og SONAR er baseret på lyde, er LIDAR dog baseret på lysstråler (Laser).

LIDAR bruger lys på tværs af forskellige bølgelængder inklusive; ultraviolet, synligt eller nær infrarødt lys til billedobjekter og dets som sådan i stand til at detektere alle slags materialesammensætninger, inklusive; ikke-metaller, klipper, regn, kemiske forbindelser, aerosoler, skyer og endda enkeltmolekyler. LIDAR-systemer kan affyre op til 1.000.000 lysimpulser pr. Sekund og bruge den tid, det tager, før impulserne reflekteres tilbage til scanneren for at bestemme afstanden, hvor objekter og overflader omkring scanneren er placeret. Den teknik, der anvendes til afstandsbestemmelsen, er kendt som flyvetid, og ligningen er angivet nedenfor.

Distance = (Lysets hastighed x Flyvetiden) / 2

I de fleste applikationer, bortset fra kun fjernmåling, oprettes et 3D-kort over miljøet / objektet, hvor lysstrålen blev affyret. Dette gøres ved kontinuerlig affyring af laserstrålen mod objektet eller miljøet.

Det er vigtigt at bemærke, at refleksion, der opleves i LIDAR-systemer, er i modsætning til den spejleformige refleksion, der kan opnås i plane spejle, tilbagespredning, da lysbølgerne diffunderes tilbage i den retning, hvor de kom. Afhængigt af applikationen bruger LIDAR-systemer forskellige variationer af tilbagespredning, herunder Rayleigh og Raman-spredning,

Komponenter i et LIDAR-system

Et LIDAR-system består typisk af 5 elementer, som forventes at være til stede uanset variationer på grund af anvendelse. Disse hovedkomponenter inkluderer:

Laser
Scannere og optiksystem
Processor
Nøjagtig timing elektronik
Træghedsmåleenhed og GPS

1. Laser

Laseren fungerer som energikilden til lysimpulser. Bølgelængden af laseren, der er implementeret i LIDAR-systemer, adskiller sig fra en applikation til en anden på grund af de specifikke krav til visse applikationer. For eksempel bruger luftbårne LiDAR-systemer 1064 nm diode-pumpede YAG-lasere, mens Bathymetriske systemer bruger 532 nm dobbelt-diode-pumpede YAG-lasere, der trænger ind i vand (op til 40 meter) med meget mindre dæmpning end den luftbårne 1064 nm-version. Uanset anvendelserne har de anvendte lasere dog normalt lav energi for at sikre sikkerheden.

2. Scanner og optik

Scannere er en vigtig del af ethvert LIDAR-system. De har ansvaret for at projicere laserimpulser til overflader og modtage de reflekterede impulser tilbage fra overfladen. Den hastighed, hvormed billeder udvikles af et LIDAR-system, afhænger af den hastighed, hvormed scannerne fanger de tilbagespredte stråler. Uanset anvendelsen skal den optik, der anvendes i et LIDAR-system, have høj præcision og kvalitet for at opnå de bedste resultater især til kortlægning. Linsetypen, det specifikke glasvalg sammen med de anvendte optiske belægninger er vigtige faktorer for LIDARs opløsning og rækkevidde.

Afhængigt af applikationen kan en række scanningsmetoder implementeres til forskellige opløsninger. Azimuth- og elevationsscanning og scanning med dobbelt akse er nogle af de mest populære scanningsmetoder.

3. Processorer

En processor med høj kapacitet er normalt kernen i ethvert LIDAR-system. Det bruges til at synkronisere og koordinere aktiviteterne for alle de enkelte komponenter i LIDAR-systemet, så alle komponenter fungerer, når de skal. Processoren integrerer dataene fra scanneren, timeren (hvis den ikke er indbygget i behandlingsundersystemet), GPS'en og IMU'en til at producere LIDAR-punktdataene. Disse højdepunktsdata bruges derefter til at oprette kort afhængigt af applikationen. I førerløse biler bruges punktdataene til at give et realtidskort over miljøet for at hjælpe bilerne med forhindring af gener og generel navigation.

Når lys kører med en hastighed på ca. 0,3 meter pr. Nanosekunder, og tusindvis af stråler normalt reflekteres tilbage til scanneren, kræves det normalt, at processoren har høj hastighed med høje behandlingsfunktioner. Således har fremskridtene i databehandlingselementers processorkraft været en af de største drivkræfter for LIDAR-teknologi.

4. Timing elektronik

Nøjagtig timing er afgørende i LIDAR-systemer, da hele operationen er bygget til tiden. Timingselektronikken repræsenterer LIDAR-undersystemet, der registrerer det nøjagtige tidspunkt, en laserpuls forlader, og det nøjagtige tidspunkt, det vender tilbage til scanneren.

Det er præcision og nøjagtighed, der ikke kan overbelastes. På grund af den spredte refleksion har impulser, der sendes, normalt flere returneringer, som hver især skal være tidsbestemt for at sikre nøjagtigheden af dataene.

5. Træghedsmåleenhed og GPS

Når en LiDAR-sensor er monteret på en mobil platform såsom satellitter, fly eller biler, er det nødvendigt at bestemme sensorens absolutte position og retning for at bevare brugbare data. Dette opnås ved brug af et inertielt målesystem (IMU) og et globalt positioneringssystem (GPS). IMU'en består normalt af et accelerometer, gyroskop og et magnetometer til måling af hastigheden, orienteringen og tyngdekraften, som kombineres sammen, bruges til at bestemme scannerens vinkelorientering (Pitch, roll and Yaw) i forhold til jorden. GPS på den anden side giver nøjagtig geografisk information om sensorens position, hvilket muliggør direkte georeferering af objektpunkterne.Disse to komponenter giver metoden til at oversætte sensordata til statiske punkter til brug i en række forskellige systemer.

De ekstra oplysninger, der opnås ved hjælp af GPS og IMU, er afgørende for integriteten af data, der er erhvervet, og det hjælper med at sikre afstand til overflader korrekt estimeret, især i mobile LIDAR-applikationer som autonome køretøjer og Air Plane-baserede forestillingssystemer.

Typer af LiDAR

Mens LIDAR-systemer kan klassificeres i typer baseret på et stort antal faktorer, er der tre generiske typer LIDAR-systemer, som er;

Afstandsmåler LIDAR
Differentialabsorption LIDAR
Doppler LIDAR

1. Range Finder LIDAR

Dette er den enkleste type LIDAR-systemer. De bruges til at bestemme afstanden fra LIDAR-scanneren til en genstand eller overflade. Ved at bruge tidspunktet for flyvetid, der er beskrevet under afsnittet “hvordan det fungerer”, bruges den tid, det tager for refleksionsstrålen at ramme scanneren, til at bestemme afstanden mellem LIDAR-systemet og objektet.

2. Differentialabsorption LIDAR

Differentialabsorberende LIDAR-systemer (undertiden benævnt DIAL) bruges normalt til at undersøge tilstedeværelsen af visse molekyler eller materialer. DIAL-systemer affyrer normalt laserstråler med to bølgelængder, som vælges på en sådan måde, at en af bølgelængderne absorberes af molekylet af interesse, mens den anden bølgelængde ikke vil være. Absorptionen af en af bjælkerne resulterer i en forskel (differentiel absorption) i intensiteten af returbjælkerne, som scanneren modtager. Denne forskel bruges derefter til at udlede niveauet af tilstedeværelse af det molekyle, der undersøges. DIAL er blevet brugt til at måle kemiske koncentrationer (såsom ozon, vanddamp, forurenende stoffer) i atmosfæren.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR bruges til at måle et måls hastighed. Når lysstråler affyret fra LIDAR rammer et mål, der bevæger sig mod eller væk fra LIDAR, vil bølgelængden af det lys, der reflekteres / spredes væk fra målet, blive ændret lidt. Dette er kendt som et Doppler-skift - som et resultat Doppler LiDAR. Hvis målet bevæger sig væk fra LiDAR, vil returlyset have en længere bølgelængde (undertiden omtalt som et rødt skift), hvis man bevæger sig mod LiDAR, vil returlyset have en kortere bølgelængde (blå forskudt).

Nogle af de andre klassifikationer, hvor LIDAR-systemer er grupperet i typer, inkluderer:

Platform
Type Backscattering

Typer af LiDAR baseret på platform

Ved hjælp af platform som et kriterium kan LIDAR-systemer grupperes i fire typer inklusive;

Jordbaseret LIDAR
Luftbåren LIDAR
Spaceborne LIDAR
Motion LIDAR

Disse LIDAR'er adskiller sig i konstruktion, materialer, bølgelængde, udsigter og andre faktorer, som normalt vælges for at passe til det, der fungerer i det miljø, som de skal anvendes til.

Typer af LIDAR Baseret på typen af tilbagespredning

Under min beskrivelse af, hvordan LIDAR-systemer fungerer, nævnte jeg, at refleksion i LIDAR er via tilbagespredning. Forskellige typer af tilbagespredningsudgange og dens undertiden brug for at beskrive typen af LIDAR. Typer af tilbagespredning inkluderer;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescens

Anvendelser af LiDAR

På grund af sin ekstreme nøjagtighed og fleksibilitet har LIDAR et stort antal applikationer, især produktion af kort med høj opløsning. Ud over landmåling er LIDAR blevet brugt i landbrug, arkæologi og i robotter, da det i øjeblikket er en af de største aktiverere af det autonome køretøjsløb, idet det er den største sensor, der bruges i de fleste køretøjer med LIDAR-systemet, der udfører en rolle svarende til øjnene for køretøjerne.

Der er 100'ere af andre applikationer af LiDAR og vil forsøge at nævne så mange som muligt nedenfor.

Autonome køretøjer
3D-billeddannelse
Landmåling
Inspektion af kraftledninger
Turisme og parkforvaltning
Miljøvurdering for skovbeskyttelse
Oversvømmelsesmodellering
Miljø- og jordklassificering
Forureningsmodellering
Efterforskning af olie og gas
Meteorologi
Oceanografi
Alle slags militære applikationer
Cell Network Planlægning
Astronomi

LiDAR-begrænsninger

LIDAR har som enhver anden teknologi sine mangler. Den rækkevidde og nøjagtighed LIDAR-systemer er hårdt ramt under dårlige vejrforhold. For eksempel under tåget tilstand genereres en betydelig mængde falske signaler på grund af bjælker, der reflekteres af tågen. Dette fører normalt til miespredningseffekten, og som sådan vender en hovedpart af den fyrede stråle ikke tilbage til scanneren. En lignende begivenhed opleves med regn, da regnpartikler forårsager falske tilbagevenden.

Bortset fra vejret kan LIDAR-systemer narre (bevidst eller ubevidst) til at tro, at der findes et objekt ved at blinke "lys" på det. Ifølge et papir, der blev offentliggjort i 2015, kunne blinkende en simpel laserpeger på LIDAR-systemet monteret på autonome køretøjer desorienterer køretøjets navigationssystemer og give det indtryk af eksistensen af et objekt, hvor der ikke er noget. Denne fejl, især i førerløs bilanvendelse af lasere, åbner en masse sikkerhedsproblemer, da det ikke tager lang tid for biljakker at forfine princippet til brug i angreb. Det kan også føre til ulykker med biler, der pludselig stopper midt på vejen, hvis de fornemmer, hvad de mener er en anden bil eller en fodgænger.

Fordele og ulemper ved LiDAR

For at afslutte denne artikel skal vi sandsynligvis se på grunde til, at du LIDAR kunne være en god pasform til dit projekt og grunde til, at du sandsynligvis skulle undgå det.

Fordele

1. Høj hastighed og nøjagtig dataindsamling

2. Høj penetration

3. Ikke påvirket af lysets intensitet i omgivelserne og kan bruges om natten eller i solen.

4. Billedbehandling med høj opløsning sammenlignet med andre metoder.

5. Ingen geometriske forvrængninger

6. Integreres let med andre dataindsamlingsmetoder.

7. LIDAR har minimal menneskelig afhængighed, hvilket er godt i visse applikationer, hvor menneskelige fejl kan påvirke pålideligheden af data.

Ulemper

1. Omkostningerne ved LIDAR gør det for stort for visse projekter. LIDAR beskrives bedst som relativt dyrt.

2. LIDAR-systemer fungerer dårligt i kraftig regn, tåge eller sne.

3. LIDAR-systemer genererer store datasæt, der kræver høje beregningsressourcer at behandle.

4. Upålidelig i turbulente vandanvendelser.

5. Afhængig af den anvendte bølgelængde er ydeevnen for LIDAR-systemer begrænset i højden, da impulser, der affyres i visse slags LIDAR'er, bliver ineffektive i bestemte højder.

LIDAR til hobbyist og beslutningstagere

På grund af omkostningerne ved LIDAR'er bruges de fleste LIDAR-systemer på markedet (som velodyne LIDAR'er) i industrielle applikationer (til at samle alle "ikke-hobbyistiske" applikationer).

Det tætteste på “hobbyist grade” LIDAR-system, der findes lige nu, er iLidar Solid-State LiDAR-sensorer designet af Hybo. Det er et lille LiDAR-system, der er i stand til 3D-kortlægning (uden at rotere sensoren) med en effektiv maksimal rækkevidde på 6 meter. Sensoren er udstyret med en USB-port sammen med en UART / SPI / i2C-port, hvorigennem der kan etableres kommunikation mellem sensoren og en mikrocontroller.

iLidar blev designet til at passe alle, og funktionerne forbundet med LiDAR gør det attraktivt for producenter.