Lidar

W przypadku innych zastosowań zobacz Lidar (ujednoznacznienie) .
Pochodzący z Lidaru obraz grupy marszowych kopców niedźwiedzi, pomnik narodowy Effigy Mounds
Źródło promieniowania optycznego z dodatkiem częstotliwości (FASOR) używane w zakresie optycznym Starfire do eksperymentów z lidarem i laserową gwiazdą prowadzącą jest dostrojone do linii sodowej D2a i używane do wzbudzania atomów sodu w górnych warstwach atmosfery .
Ten lidar może być używany do skanowania budynków, formacji skalnych itp. W celu stworzenia modelu 3D. Lidar może skierować wiązkę lasera w szerokim zakresie: jego głowa obraca się w poziomie; lustro przechyla się w pionie. Wiązka laserowa służy do pomiaru odległości do pierwszego obiektu na jej drodze.
Samolot zbierający dane o wierzchołkach drzew nad brazylijskim lasem deszczowym
W tym widoku widz leci w dół do baldachimu lasu deszczowego i przelatuje przez wirtualne liście.
Ta wizualizacja pokazuje samolot zbierający 50-kilometrowy pas danych lidarowych nad brazylijskim lasem deszczowym. W przypadku obiektów na poziomie gruntu kolory wahają się od głębokiego brązu do jasnobrązowego. Wysokości roślinności przedstawiono w odcieniach zieleni, gdzie ciemnozielone są najbliżej ziemi, a jasnozielone są najwyższe.

Lidar ( / jest l aɪ d ɑːr / , także LIDAR lub LiDAR ; czasami LADAR ) akronimem „wykrywania i określania odległości” lub „obrazowania laserowego, wykrywania i określania odległości”. Jest to metoda określania odległości poprzez nakierowanie lasera na przedmiot lub powierzchnię i pomiar czasu powrotu odbitego światła do odbiornika. Czasami nazywa się to skanowaniem laserowym 3D , specjalną kombinacją skanowania 3D i skaningu laserowego . LIDAR ma aplikacje naziemne, lotnicze i mobilne.

Lidar jest powszechnie używany do tworzenia map o wysokiej rozdzielczości, z zastosowaniami w geodezji , geodezji , geomatyce , archeologii , geografii , geologii , geomorfologii , sejsmologii , leśnictwie , fizyce atmosfery , naprowadzaniu laserowym , lotniczym mapowaniu laserowym (ALSM) i wysokościomierzu laserowym . Służy do tworzenia cyfrowych reprezentacji 3D obszarów na powierzchni Ziemi i dna oceanów strefy międzypływowej i przybrzeżnej poprzez zmianę długości fali światła. Jest również coraz częściej stosowany w sterowaniu i nawigacji autonomicznych samochodów oraz helikoptera Ingenuity podczas jego rekordowych lotów nad terenem Marsa .

Historia i etymologia

Pod kierownictwem Malcolma Stitcha firma Hughes Aircraft Company wprowadziła pierwszy system podobny do lidaru w 1961 roku, wkrótce po wynalezieniu lasera. System ten, przeznaczony do śledzenia satelitów, łączył obrazowanie zogniskowane laserowo z możliwością obliczania odległości poprzez pomiar czasu powrotu sygnału za pomocą odpowiednich czujników i elektroniki do zbierania danych. Pierwotnie nosił nazwę „Colidar”, co było akronimem „wykrywania i określania zasięgu spójnego światła”, wywodzącym się od terminu „ radar ”, który sam w sobie jest akronimem „wykrywania radiowego i określania odległości”. Wszystkie dalmierze laserowe , wysokościomierze laserowe i jednostki lidarowe wywodzą się z wczesnych systemów colidar. Pierwszym praktycznym naziemnym zastosowaniem systemu colidar był „Colidar Mark II”, duży dalmierz laserowy podobny do karabinu wyprodukowany w 1963 r., Który miał zasięg 7 mil i dokładność 15 stóp, do celów wojskowych. Pierwsza wzmianka o lidarze jako samodzielnym słowie z 1963 roku sugeruje, że powstało ono jako kontaminacja słowa „ światło” " i "radar": "Ostatecznie laser może zapewnić niezwykle czuły detektor określonych długości fal z odległych obiektów. W międzyczasie jest używany do badania księżyca za pomocą „lidaru” (radaru świetlnego)…” Nazwa „ radar fotoniczny ” jest czasami używana w znaczeniu wykrywania zakresu widzialnego widma, takiego jak lidar.

Pierwsze zastosowania Lidaru dotyczyły meteorologii, w której Narodowe Centrum Badań Atmosfery wykorzystało go do pomiaru chmur i zanieczyszczenia. Opinia publiczna dowiedziała się o dokładności i przydatności systemów Lidar w 1971 roku podczas misji Apollo 15 misji, kiedy astronauci używali wysokościomierza laserowego do mapowania powierzchni Księżyca. Chociaż język angielski nie traktuje już „radaru” jako akronimu (tj. bez wielkiej litery), słowo „lidar” było pisane wielką literą jako „LIDAR” lub „LiDAR” w niektórych publikacjach począwszy od lat 80. Nie ma zgody co do kapitalizacji. Różne publikacje określają lidar jako „LIDAR”, „LiDAR”, „LIDaR” lub „Lidar”. USGS , jak i „lidar”, czasami w tym samym dokumencie; New York Timesa używa głównie „lidar” w artykułach pisanych przez pracowników, chociaż kanały informacyjne, takie jak Reuters, mogą używać Lidar.

Ogólny opis

Lidar wykorzystuje światło ultrafioletowe , widzialne lub bliską podczerwień do obrazowania obiektów. Może celować w szeroką gamę materiałów, w tym obiekty niemetaliczne, skały, deszcz, związki chemiczne, aerozole , chmury, a nawet pojedyncze cząsteczki . Wąska wiązka laserowa może mapować cechy fizyczne z bardzo dużą rozdzielczością ; na przykład samolot może mapować teren z rozdzielczością 30 centymetrów (12 cali) lub lepszą.

Podstawowe zasady czasu przelotu stosowane w dalmierzach laserowych
Lot nad brazylijską Amazonką z instrumentem LIDAR
Animacja satelity zbierającego cyfrowe dane mapy wysokości nad dorzeczem Gangesu i Brahmaputry za pomocą lidaru

Zasadnicza koncepcja lidaru została zapoczątkowana przez EH Synge w 1930 roku, który przewidział użycie potężnych reflektorów do badania atmosfery. Rzeczywiście, lidar był od tego czasu szeroko stosowany w badaniach atmosfery i meteorologii . Instrumenty lidarowe zamontowane na samolotach i satelitach wykonują pomiary i mapowanie – ostatnim przykładem jest Lidar US Geological Survey Experimental Advanced Airborne Research. NASA zidentyfikował lidar jako kluczową technologię umożliwiającą autonomiczne, precyzyjne i bezpieczne lądowanie przyszłych zrobotyzowanych i załogowych pojazdów lądujących na Księżycu.

Długość fali zmienia się w zależności od celu: od około 10 mikrometrów ( podczerwień ) do około 250 nm ( UV ). Zazwyczaj światło jest odbijane przez rozpraszanie wsteczne , w przeciwieństwie do czystego odbicia, które można znaleźć w lustrze. Różne rodzaje rozpraszania są używane do różnych zastosowań lidarowych: najczęściej rozpraszanie Rayleigha , rozpraszanie Mie , rozpraszanie Ramana i fluorescencja . Odpowiednie kombinacje długości fal mogą pozwolić na zdalne mapowanie zawartości atmosfery poprzez identyfikację zależnych od długości fali zmian intensywności zwracanego sygnału. Nazwa „radar fotoniczny” jest czasami używana w znaczeniu wykrywania zakresu widma widzialnego, takiego jak lidar, chociaż radar fotoniczny ściślej odnosi się do wyszukiwania zakresu częstotliwości radiowych przy użyciu komponentów fotonicznych .

Technologia

Formuła matematyczna

Lidar określa odległość obiektu lub powierzchni za pomocą wzoru :

gdzie prędkość , to odległość między detektorem a wykrywanym obiektem lub powierzchnią, a spędzony na przebyciu światła lasera do \ do wykrywanego obiektu lub powierzchni, a następnie wróć do detektora.

Projekt

Kliknij obraz, aby zobaczyć animację. Podstawowy system lidarowy obejmuje dalmierz laserowy odbijany przez obracające się lustro (u góry). Laser skanuje wokół digitalizowanej sceny, w jednym lub dwóch wymiarach (w środku), zbierając pomiary odległości w określonych odstępach kątowych (na dole).

Dwa rodzaje schematów detekcji lidarowej to „niespójne” lub bezpośrednie wykrywanie energii (które zasadniczo mierzy zmiany amplitudy odbitego światła) i wykrywanie koherentne (najlepsze do pomiaru przesunięć Dopplera lub zmian fazy odbitego światła). Systemy koherentne na ogół wykorzystują detekcję heterodyny optycznej . Jest to bardziej czułe niż bezpośrednie wykrywanie i pozwala im działać przy znacznie niższej mocy, ale wymaga bardziej złożonych nadajników-odbiorników.

Oba typy wykorzystują modele impulsowe: mikroimpulsowe lub wysokoenergetyczne . Systemy mikropulsowe wykorzystują przerywane impulsy energii. Rozwinęły się w wyniku stale rosnącej mocy komputerów w połączeniu z postępem technologii laserowej. Zużywają znacznie mniej energii lasera, zwykle rzędu jednego mikrodżula i często są „bezpieczne dla oczu”, co oznacza, że ​​można ich używać bez środków ostrożności. Systemy dużej mocy są powszechne w badaniach atmosfery, gdzie są szeroko stosowane do pomiaru parametrów atmosfery: wysokości, warstwowania i gęstości chmur, właściwości cząstek chmur ( współczynnik ekstynkcji , współczynnik rozproszenia wstecznego, depolaryzacja ), temperatura, ciśnienie, wiatr, wilgotność i stężenie gazów śladowych (ozon, metan, podtlenek azotu itp.).

składniki

Systemy Lidar składają się z kilku głównych komponentów.

Laser

Lasery 600–1000 nm są najczęściej stosowane w zastosowaniach nienaukowych. Maksymalna moc lasera jest ograniczona lub stosowany jest system automatycznego wyłączania, który wyłącza laser na określonych wysokościach, aby był bezpieczny dla oczu osób na ziemi.

Jedna z powszechnych alternatyw, lasery 1550 nm, są bezpieczne dla oczu przy stosunkowo wysokich poziomach mocy, ponieważ ta długość fali nie jest silnie absorbowana przez oko, ale technologia detektora jest mniej zaawansowana, dlatego te długości fal są zwykle używane na dłuższych dystansach z mniejszą dokładnością. Znajdują również zastosowanie w zastosowaniach wojskowych, ponieważ 1550 nm nie jest widoczne w goglach noktowizyjnych , w przeciwieństwie do krótszego lasera podczerwonego 1000 nm.

YAG pompowane diodą 1064 nm , podczas gdy systemy batymetryczne (badania głębin podwodnych) na ogół wykorzystują lasery YAG pompowane diodą 532 nm z podwójną częstotliwością, ponieważ 532 nm penetruje wodę ze znacznie mniejszym tłumieniem niż 1064 nm. Ustawienia lasera obejmują częstotliwość powtarzania lasera (która kontroluje szybkość zbierania danych). Długość impulsu jest ogólnie atrybutem długości wnęki lasera, liczby przejść wymaganych przez materiał wzmacniający (YAG, YLF itp.) oraz przełącznika Q (pulsująca) prędkość. Lepszą rozdzielczość celu uzyskuje się przy krótszych impulsach, pod warunkiem, że detektory lidarowe i elektronika mają wystarczającą szerokość pasma.

Macierze fazowane

Układ fazowany może oświetlać dowolny kierunek za pomocą mikroskopijnego układu pojedynczych anten. Kontrolowanie taktowania (fazy) każdej anteny steruje spójnym sygnałem w określonym kierunku.

Układy fazowane są używane w radarach od lat czterdziestych XX wieku. Tej samej techniki można użyć ze światłem. Używa się rzędu miliona anten optycznych, aby zobaczyć wzór promieniowania o określonej wielkości w określonym kierunku. System jest kontrolowany przez precyzyjny czas błysku. Pojedynczy chip (lub kilka) zastępuje system elektromechaniczny o wartości 75 000 USD, drastycznie zmniejszając koszty.

Kilka firm pracuje nad rozwojem komercyjnych półprzewodnikowych jednostek lidarowych.

System sterowania może zmienić kształt obiektywu, aby umożliwić funkcje powiększania/pomniejszania. Określone podstrefy mogą być celowane w interwałach poniżej sekundy.

Lidar elektromechaniczny wytrzymuje od 1000 do 2000 godzin. Natomiast lidar półprzewodnikowy może działać przez 100 000 godzin.

Maszyny mikroelektromechaniczne

Zwierciadła mikroelektromechaniczne (MEMS) nie są całkowicie półprzewodnikowe. Jednak ich niewielka obudowa zapewnia wiele takich samych korzyści kosztowych. Pojedynczy laser jest kierowany do pojedynczego lustra, które można zmienić, aby zobaczyć dowolną część pola docelowego. Lustro obraca się z dużą prędkością. Jednak systemy MEMS generalnie działają w jednej płaszczyźnie (od lewej do prawej). Aby dodać drugi wymiar, zwykle wymagane jest drugie lustro, które porusza się w górę iw dół. Alternatywnie inny laser może uderzyć w to samo lustro pod innym kątem. Systemy MEMS mogą zostać zakłócone przez wstrząsy/wibracje i mogą wymagać ponownej kalibracji.

Skaner i optyka

Szybkość wywoływania obrazów zależy od szybkości ich skanowania. Opcje skanowania azymutu i elewacji obejmują podwójne zwierciadła oscylacyjne, połączenie z lustrem wielokątnym oraz skaner dwuosiowy . Wybory optyczne wpływają na rozdzielczość kątową i zasięg, który można wykryć. Lustro otworowe lub rozdzielacz wiązki to opcje zbierania sygnału zwrotnego.

Elektronika fotodetektora i odbiornika

W lidarze stosowane są dwie główne technologie fotodetektorów : fotodetektory półprzewodnikowe , takie jak krzemowe fotodiody lawinowe lub fotopowielacze . Czułość odbiornika to kolejny parametr, który musi być zrównoważony w konstrukcji lidaru.

Systemy pozycyjne i nawigacyjne

Czujniki Lidar montowane na platformach mobilnych, takich jak samoloty lub satelity, wymagają oprzyrządowania do określenia bezwzględnej pozycji i orientacji czujnika. Takie urządzenia zazwyczaj obejmują globalnego systemu pozycjonowania i inercyjną jednostkę pomiarową (IMU).

Czujnik

Lidar wykorzystuje aktywne czujniki, które zasilają własne źródło oświetlenia. Źródło energii uderza w obiekty, a odbita energia jest wykrywana i mierzona przez czujniki. Odległość do obiektu jest określana poprzez rejestrację czasu między wysłanymi i rozproszonymi wstecznie impulsami oraz na podstawie prędkości światła do obliczenia przebytej odległości. Flash LIDAR pozwala na obrazowanie 3D ze względu na zdolność aparatu do emitowania większego błysku i wyczuwania zależności przestrzennych i wymiarów interesującego obszaru za pomocą zwracanej energii. Pozwala to na dokładniejsze obrazowanie, ponieważ przechwycone klatki nie muszą być łączone, a system nie jest wrażliwy na ruch platformy. Powoduje to mniejsze zniekształcenia.

Obrazowanie trójwymiarowe można uzyskać zarówno przy użyciu systemów skanujących, jak i nie-skanujących. „Radar laserowy z bramkowanym podglądem 3D” to nieskanujący laserowy system pomiaru odległości, który wykorzystuje laser impulsowy i szybko bramkowaną kamerę. Rozpoczęto badania nad wirtualnym sterowaniem wiązką z wykorzystaniem Digital Light Processing (DLP).

Lidar obrazowania można również wykonać przy użyciu matryc detektorów o dużej prędkości i matryc czułych na modulację, zwykle zbudowanych na pojedynczych chipach przy użyciu technik wytwarzania komplementarnych układów metal-tlenek-półprzewodnik (CMOS) i hybrydowych CMOS/ urządzeń ze sprzężeniem ładunkowym (CCD). W tych urządzeniach każdy piksel wykonuje lokalne przetwarzanie, takie jak demodulacja lub bramkowanie z dużą szybkością, konwertując sygnały w dół do szybkości wideo, dzięki czemu tablicę można odczytać jak kamerę. Za pomocą tej techniki można jednocześnie pozyskać wiele tysięcy pikseli/kanałów. Kamery lidarowe 3D o wysokiej rozdzielczości wykorzystują detekcję homodynową z elektroniczną migawką CCD lub CMOS .

Spójny lidar obrazujący wykorzystuje detekcję heterodyny z syntetyczną macierzą , aby umożliwić patrzącemu odbiornikowi pojedynczemu elementowi działanie tak, jakby był matrycą obrazującą.

W 2014 roku firma Lincoln Laboratory ogłosiła wprowadzenie nowego chipa do obrazowania z ponad 16 384 pikselami, z których każdy jest w stanie zobrazować pojedynczy foton, umożliwiając uchwycenie szerokiego obszaru na jednym obrazie. Wcześniejsza generacja technologii, zawierająca o jedną czwartą więcej pikseli, została wysłana przez wojsko USA po trzęsieniu ziemi na Haiti w styczniu 2010 roku. Pojedynczy przelot odrzutowca biznesowego na wysokości 3000 metrów (10 000 stóp) nad Port-au-Prince był w stanie uchwycić natychmiastowe migawki 600-metrowych kwadratów miasta w rozdzielczości 30 centymetrów (12 cali), wyświetlając dokładną wysokość gruzów rozrzuconych po ulicach miasta. Nowy system jest dziesięć razy lepszy i może szybciej tworzyć znacznie większe mapy. Chip wykorzystuje arsenek indu i galu (InGaAs), który działa w widmie podczerwonym przy stosunkowo dużej długości fali, co pozwala na uzyskanie większej mocy i większych zasięgów. W wielu zastosowaniach, takich jak samochody samojezdne, nowy system obniży koszty, ponieważ nie wymaga elementu mechanicznego do ukierunkowania chipa. InGaAs wykorzystuje mniej niebezpieczne długości fal niż konwencjonalne detektory krzemowe, które działają na falach widzialnych.

Flash lidar

W lidarze błyskowym całe pole widzenia jest oświetlane szeroką, rozbieżną wiązką laserową w jednym impulsie. Kontrastuje to z konwencjonalnym lidarem skanującym, który wykorzystuje skolimowaną wiązkę laserową , która oświetla pojedynczy punkt na raz, a wiązka jest skanowana rastrowo w celu oświetlania pola widzenia punkt po punkcie. Ta metoda oświetlenia wymaga również innego schematu detekcji. Zarówno w przypadku skanującego, jak i flashowego lidara, kamera czasu przelotu służy do zbierania informacji zarówno o położeniu 3D, jak i natężeniu padającego na nie światła w każdej klatce. Jednak w lidarze skanującym ten aparat zawiera tylko czujnik punktowy, podczas gdy w lidarze błyskowym kamera zawiera matrycę czujników 1-D lub 2-D , z których każdy piksel zbiera informacje o lokalizacji i intensywności w 3D. W obu przypadkach informacje o głębokości są zbierane na podstawie czasu lotu impulsu laserowego (tj. czasu potrzebnego każdemu impulsowi laserowemu na trafienie w cel i powrót do czujnika), co wymaga synchronizacji pulsowania lasera i akwizycji przez kamerę. Rezultatem jest aparat, który robi zdjęcia z odległości zamiast kolorów. Flash lidar jest szczególnie korzystny w porównaniu z lidarem skanującym, gdy kamera, scena lub oba elementy poruszają się, ponieważ cała scena jest oświetlana w tym samym czasie. W przypadku lidaru skanującego ruch może powodować „drgania” wynikające z upływu czasu, gdy laser przesuwa się po scenie.

Podobnie jak w przypadku wszystkich rodzajów lidarów, wbudowane źródło oświetlenia sprawia, że ​​flash lidar jest aktywnym czujnikiem. Zwracany sygnał jest przetwarzany przez wbudowane algorytmy w celu uzyskania niemal natychmiastowego trójwymiarowego renderowania obiektów i elementów terenu w polu widzenia czujnika. Częstotliwość powtarzania impulsów lasera jest wystarczająca do generowania filmów 3D o wysokiej rozdzielczości i dokładności. Wysoka liczba klatek na sekundę czujnika sprawia, że ​​jest to przydatne narzędzie do różnych zastosowań, które korzystają z wizualizacji w czasie rzeczywistym, takich jak wysoce precyzyjne operacje zdalnego lądowania. Dzięki natychmiastowemu zwróceniu siatki wysokości 3D docelowego krajobrazu, czujnik błysku może być użyty do identyfikacji optymalnych stref lądowania w scenariuszach lądowania autonomicznych statków kosmicznych.

Widzenie na odległość wymaga silnego rozbłysku światła. Moc jest ograniczona do poziomów, które nie uszkadzają ludzkich siatkówki. Długości fal nie mogą wpływać na ludzkie oczy. Jednak tanie przetworniki krzemowe nie odczytują światła w widmie bezpiecznym dla oczu. Zamiast tego z arsenkiem galu , co może zwiększyć koszty do 200 000 USD. Arsenek galu to ten sam związek, który jest używany do produkcji kosztownych, wysokowydajnych paneli słonecznych, zwykle używanych w zastosowaniach kosmicznych

Klasyfikacja

Na podstawie orientacji

Lidar może być zorientowany na nadir , zenit lub bocznie. Na przykład wysokościomierze lidarowe patrzą w dół, lidar atmosferyczny patrzy w górę, a oparte na lidarze systemy unikania kolizji patrzą z boku.

Oparty na mechanizmie skanującym

Laserowymi projekcjami lidarów można manipulować przy użyciu różnych metod i mechanizmów, aby uzyskać efekt skanowania: standardowy typ wrzeciona, który obraca się, dając widok 360 stopni; półprzewodnikowy lidar, który ma stałe pole widzenia, ale nie ma ruchomych części i może wykorzystywać MEMS lub optyczne układy fazowane do kierowania wiązkami; i flash lidar, który rozprzestrzenia błysk światła na dużym polu widzenia, zanim sygnał odbije się z powrotem do detektora.

Na podstawie platformy

Aplikacje Lidar można podzielić na powietrzne i naziemne. Te dwa typy wymagają skanerów o różnych specyfikacjach w zależności od celu danych, wielkości obszaru do przechwycenia, pożądanego zakresu pomiaru, kosztu sprzętu i innych. Możliwe są również platformy kosmiczne, patrz wysokościomierz laserowy satelitarny .

Przewieziony drogą lotniczą

Airborne lidar (również lotnicze skanowanie laserowe ) ma miejsce, gdy skaner laserowy podłączony do samolotu podczas lotu tworzy trójwymiarowy model chmury punktów krajobrazu. Jest to obecnie najbardziej szczegółowa i dokładna metoda tworzenia cyfrowych modeli terenu , zastępująca fotogrametrię . Dużą zaletą w porównaniu z fotogrametrią jest możliwość odfiltrowania odbić od roślinności z modelu chmury punktów w celu stworzenia cyfrowego modelu terenu który reprezentuje powierzchnie gruntu, takie jak rzeki, ścieżki, miejsca dziedzictwa kulturowego itp., które są zasłonięte przez drzewa. W kategorii lidarów lotniczych czasami dokonuje się rozróżnienia między zastosowaniami na dużych i małych wysokościach, ale główną różnicą jest zmniejszenie zarówno dokładności, jak i gęstości punktów danych pozyskiwanych na większych wysokościach. Airborne lidar może być również używany do tworzenia modeli batymetrycznych w płytkiej wodzie.

Główne składniki lotniczego lidaru obejmują cyfrowe modele wysokości (DEM) i cyfrowe modele powierzchni (DSM). Punkty i punkty naziemne są wektorami punktów dyskretnych, podczas gdy DEM i DSM są interpolowanymi siatkami rastrowymi punktów dyskretnych. Proces obejmuje również przechwytywanie cyfrowych zdjęć lotniczych. Do interpretacji głębokich osuwisk np. pod osłoną roślinności, skarp, pęknięć napięciowych czy przewróconych drzew stosuje się powietrzny lidar. Cyfrowe modele ukształtowania terenu z użyciem lidaru potrafią przejrzeć korony lasów, wykonać szczegółowe pomiary skarp, erozji i przechyłów słupów elektrycznych.

Powietrzne dane lidarowe są przetwarzane przy użyciu zestawu narzędzi o nazwie Toolbox for Lidar Data Filtering and Forest Studies (TIFFS) do filtrowania danych lidarowych i oprogramowania do badania terenu. Dane są interpolowane do cyfrowych modeli terenu za pomocą oprogramowania. Laser jest kierowany na obszar, który ma być mapowany, a wysokość każdego punktu nad ziemią jest obliczana poprzez odjęcie oryginalnej współrzędnej z od odpowiedniej wysokości w cyfrowym modelu terenu. Na podstawie tej wysokości nad ziemią uzyskuje się dane niezwiązane z roślinnością, które mogą obejmować obiekty takie jak budynki, linie energetyczne, latające ptaki, owady itp. Pozostałe punkty są traktowane jako roślinność i wykorzystywane do modelowania i mapowania. Na każdym z tych wykresów metryki lidarowe są obliczane poprzez obliczanie statystyk, takich jak średnia, odchylenie standardowe, skośność, percentyle, średnia kwadratowa itp.

Skanowanie lidarowe wykonane multikopterem UAV

Drony są obecnie używane ze skanerami laserowymi, a także innymi zdalnymi czujnikami, jako bardziej ekonomiczna metoda skanowania mniejszych obszarów. Możliwość teledetekcji dronów eliminuje również wszelkie niebezpieczeństwa, na jakie mogą być narażone załogi samolotów w trudnym terenie lub odległych obszarach.

Airborne Lidar Batymetryczna technologia - wielowiązkowa mapa lidarowa o wysokiej rozdzielczości przedstawiająca spektakularne uskoki i zdeformowaną geologię dna morskiego, w zacienionym reliefie i pokolorowana według głębokości [ potrzebne źródło ] [ wątpliwe - dyskutuj ]

Lotnicza batymetria lidarowa

Lotniczy batymetryczny system technologiczny Lidar polega na pomiarze czasu przelotu sygnału od źródła do jego powrotu do czujnika. Technika pozyskiwania danych obejmuje komponent mapowania dna morskiego i komponent prawdy naziemnej, który obejmuje transekty wideo i próbkowanie. Działa przy użyciu wiązki lasera o zielonym spektrum (532 nm). Dwie wiązki są rzutowane na szybko obracające się lustro, które tworzy układ punktów. Jedna z wiązek penetruje wodę, a także wykrywa dno wody w sprzyjających warunkach.

Głębokość wody mierzona przez lidar zależy od przejrzystości wody i absorpcji użytej długości fali. Woda jest najbardziej przezroczysta dla światła zielonego i niebieskiego, więc wniknie ono najgłębiej w czystą wodę. Niebiesko-zielone światło o długości fali 532 nm wytwarzane przez podwojenie częstotliwości wyjście lasera na podczerwień na ciele stałym jest standardem dla batymetrii lotniczej. To światło może przenikać przez wodę, ale siła impulsu słabnie wykładniczo wraz z odległością przebytą przez wodę. Lidar może mierzyć głębokości od około 0,9 m do 40 m, z pionową dokładnością rzędu 0,15 m. Odbicie powierzchniowe sprawia, że ​​woda płytsza niż około 0,9 m jest trudna do rozdzielenia, a absorpcja ogranicza maksymalną głębokość. Zmętnienie powoduje rozpraszanie i odgrywa znaczącą rolę w określaniu maksymalnej głębokości, którą można rozdzielić w większości sytuacji, a rozpuszczone pigmenty mogą zwiększać absorpcję w zależności od długości fali. Inne raporty wskazują, że penetracja wody jest zwykle od dwóch do trzech razy większa niż głębokość Secchiego. Lidar batymetryczny jest najbardziej przydatny w zakresie głębokości od 0 do 10 m w mapowaniu wybrzeża.

Średnio w dość czystej przybrzeżnej wodzie morskiej lidar może penetrować do około 7 m, aw wodzie mętnej do około 3 m. Średnia wartość znaleziona przez Saputrę i in., 2021, to przenikanie zielonego światła laserowego do wody około 1,5 do 2 razy głębiej Secchi w wodach Indonezji. Temperatura wody i zasolenie mają wpływ na współczynnik załamania światła, który ma niewielki wpływ na obliczanie głębokości.

Uzyskane dane pokazują pełny zasięg powierzchni lądu odsłoniętej nad dnem morskim. Ta technika jest niezwykle użyteczna, ponieważ odegra ważną rolę w głównym programie mapowania dna morskiego. Mapowanie daje topografię lądu, a także podwodne wzniesienia. Obrazowanie odbicia dna morskiego to kolejne rozwiązanie z tego systemu, które może przynieść korzyści w mapowaniu siedlisk podwodnych. Ta technika została wykorzystana do trójwymiarowego mapowania obrazu wód Kalifornii za pomocą hydrograficznego lidaru.

Pełnoprzebiegowy LiDAR

Powietrzne systemy LiDAR tradycyjnie były w stanie uzyskać tylko kilka zwrotów szczytowych, podczas gdy nowsze systemy pozyskują i przetwarzają cały odbity sygnał. Naukowcy przeanalizowali przebieg sygnału w celu wyodrębnienia zwrotów szczytowych za pomocą rozkładu Gaussa. Zhuang i in., 2017 wykorzystali to podejście do oszacowania biomasy nadziemnej. Obsługa ogromnych ilości danych pełnych przebiegów jest trudna. Dlatego dekompozycja Gaussa przebiegów jest skuteczna, ponieważ redukuje dane i jest wspierana przez istniejące przepływy pracy, które wspierają interpretację chmur punktów 3D . Ostatnie badania dotyczyły wokselizacji . Intensywności próbek kształtu fali są wstawiane do wokselowanej przestrzeni (tj. obrazu 3D w skali szarości), tworząc trójwymiarową reprezentację zeskanowanego obszaru. Z wokselowanej przestrzeni można następnie wyodrębnić powiązane metryki i informacje. Informacje strukturalne można uzyskać za pomocą metryk 3D z lokalnych obszarów, a istnieje studium przypadku, w którym wykorzystano metodę wokselizacji do wykrywania martwych stojących drzew eukaliptusowych w Australii.

Ziemski

Naziemne zastosowania lidaru (również naziemne skanowanie laserowe ) mają miejsce na powierzchni Ziemi i mogą być stacjonarne lub mobilne. Stacjonarne skanowanie naziemne jest najczęściej stosowaną metodą pomiarową, na przykład w konwencjonalnej topografii, monitoringu, dokumentacji dziedzictwa kulturowego i kryminalistyce. Chmury punktów 3D uzyskane z tego typu skanerów można dopasować do cyfrowych obrazów skanowanego obszaru z lokalizacji skanera, aby stworzyć realistycznie wyglądające modele 3D w stosunkowo krótkim czasie w porównaniu z innymi technologiami. Każdemu punktowi w chmurze punktów nadawany jest kolor piksela ze zdjęcia wykonanego w tym samym miejscu i kierunku, co wiązka lasera, która utworzyła punkt.

Mobilny lidar (również mobilne skanowanie laserowe ) ma miejsce, gdy dwa lub więcej skanerów jest podłączonych do poruszającego się pojazdu w celu zbierania danych wzdłuż ścieżki. Skanery te są prawie zawsze sparowane z innym rodzajem sprzętu, w tym z GNSS i IMU . Jednym z przykładów zastosowań jest geodezja ulic, gdzie należy wziąć pod uwagę linie energetyczne, dokładną wysokość mostów, otaczające drzewa itp. Zamiast zbierać każdy z tych pomiarów z osobna w terenie za pomocą tachymetru , można utworzyć trójwymiarowy model z chmury punktów, w którym można wykonać wszystkie potrzebne pomiary, w zależności od jakości zebranych danych. Eliminuje to problem zapominania o wykonaniu pomiaru, o ile model jest dostępny, niezawodny i ma odpowiedni poziom dokładności.

Naziemne mapowanie lidarowe obejmuje proces generowania mapy siatki zajętości . Proces obejmuje tablicę komórek podzielonych na siatki, które wykorzystują proces do przechowywania wartości wysokości, gdy dane lidarowe wpadają do odpowiedniej komórki siatki. Następnie tworzona jest mapa binarna poprzez zastosowanie określonego progu do wartości komórek w celu dalszego przetwarzania. Następnym krokiem jest przetworzenie odległości promieniowej i współrzędnych Z z każdego skanu w celu określenia, które punkty 3-D odpowiadają każdej określonej komórce siatki, co prowadzi do procesu tworzenia danych.

Aplikacje

Ten mobilny robot wykorzystuje swój lidar do konstruowania mapy i omijania przeszkód.

Oprócz aplikacji wymienionych poniżej istnieje wiele różnych aplikacji lidarowych, o czym często wspomina się w krajowych programach zbiorów danych lidarowych. Zastosowania te są w dużej mierze zdeterminowane zakresem skutecznego wykrywania obiektów; rozdzielczość, czyli jak dokładnie lidar identyfikuje i klasyfikuje obiekty; i zamieszanie związane z odbiciem, co oznacza, jak dobrze lidar widzi coś w obecności jasnych obiektów, takich jak odblaskowe znaki lub jasne słońce.

Firmy pracują nad obniżeniem kosztów czujników Lidar, obecnie od około 1200 USD do ponad 12 000 USD. Niższe ceny sprawią, że lidar będzie bardziej atrakcyjny dla nowych rynków.

Rolnictwo

Graphic of a lidar return, featuring different crop yield rates.
Lidar służy do analizy wskaźników plonów na polach uprawnych.

Roboty rolnicze były wykorzystywane do różnych celów, począwszy od dyspersji nasion i nawozów, technik wykrywania, a także rozpoznania upraw w celu zwalczania chwastów.

Lidar może pomóc określić, gdzie zastosować kosztowny nawóz. Może stworzyć mapę topograficzną pól i ujawnić nachylenia i nasłonecznienie pól uprawnych. Naukowcy z Agricultural Research Service wykorzystali te dane topograficzne z wynikami plonów z gruntów rolnych z poprzednich lat, aby podzielić grunty na strefy o wysokiej, średniej lub niskiej wydajności. Wskazuje, gdzie zastosować nawóz, aby zmaksymalizować plon.

Lidar jest obecnie używany do monitorowania owadów w terenie. Użycie Lidara może wykryć ruch i zachowanie poszczególnych owadów latających, z identyfikacją aż do płci i gatunku. W 2017 roku opublikowano zgłoszenie patentowe dotyczące tej technologii w Stanach Zjednoczonych, Europie i Chinach.

Innym zastosowaniem jest mapowanie upraw w sadach i winnicach, wykrywanie wzrostu listowia i potrzeby przycinania lub innych zabiegów pielęgnacyjnych, wykrywanie różnic w produkcji owoców lub liczenie roślin.

Lidar jest przydatny w sytuacjach, w których GNSS jest niedostępny, takich jak sady orzechowe i owocowe, gdzie listowie blokuje sygnały satelitarne do precyzyjnego sprzętu rolniczego lub ciągnika bez kierowcy . Czujniki Lidar mogą wykrywać krawędzie rzędów, dzięki czemu sprzęt rolniczy może kontynuować ruch, dopóki sygnał GNSS nie zostanie przywrócony.

Klasyfikacja gatunków roślin

Zwalczanie chwastów wymaga identyfikacji gatunków roślin. Można to zrobić za pomocą lidaru 3D i uczenia maszynowego. Lidar tworzy kontury roślin jako „chmurę punktów” z wartościami zasięgu i współczynnika odbicia. Te dane są przekształcane, a funkcje są z nich wyodrębniane. Jeśli gatunek jest znany, cechy są dodawane jako nowe dane. Gatunek jest oznakowany, a jego cechy są wstępnie przechowywane jako przykład do identyfikacji gatunku w rzeczywistym środowisku. Ta metoda jest skuteczna, ponieważ wykorzystuje lidar o niskiej rozdzielczości i nadzorowane uczenie. Zawiera łatwy do obliczenia zestaw funkcji ze wspólnymi cechami statystycznymi, które są niezależne od wielkości zakładu.

Archeologia

Lidar ma wiele zastosowań w archeologii, w tym planowanie kampanii terenowych, mapowanie obiektów pod okapem lasu oraz przegląd szerokich, ciągłych obiektów nie do odróżnienia od podłoża. Lidar może szybko i tanio tworzyć zestawy danych o wysokiej rozdzielczości. Produkty pochodzące z lidaru można łatwo zintegrować z systemem informacji geograficznej (GIS) w celu analizy i interpretacji.

Lidar może również pomóc w tworzeniu cyfrowych modeli wysokości (DEM) stanowisk archeologicznych o wysokiej rozdzielczości, które mogą ujawnić mikrotopografię, która w innym przypadku jest ukryta przez roślinność. Intensywność zwracanego sygnału lidarowego może być wykorzystana do wykrywania obiektów zakopanych pod płaskimi powierzchniami porośniętymi roślinnością, takimi jak pola, zwłaszcza podczas mapowania z wykorzystaniem widma w podczerwieni. Obecność tych cech wpływa na wzrost roślin, a tym samym na ilość odbijanego światła podczerwonego. Na przykład w Fort Beauséjour – Fort Cumberland National Historic Site, Kanada, lidar odkrył obiekty archeologiczne związane z oblężeniem fortu w 1755 r. Obiekty, których nie można było odróżnić na ziemi ani za pomocą fotografii lotniczej, zostały zidentyfikowane przez nałożenie cieni wzgórz DEM utworzonych przy sztucznym oświetleniu z różne kąty. Innym przykładem jest praca w Caracol autorstwa Arlena Chase'a i jego żony Diane Zaino Chase . W 2012 roku lidar został użyty do poszukiwania legendarnego miasta La Ciudad Blanca lub „Miasta Boga Małp” w La Mosquitia region dżungli Hondurasu. Podczas siedmiodniowego okresu mapowania znaleziono dowody na istnienie struktur stworzonych przez człowieka. ogłoszono ponowne odkrycie miasta Mahendraparvata . W południowej Nowej Anglii lidar był używany do odsłaniania kamiennych ścian, fundamentów budynków, opuszczonych dróg i innych elementów krajobrazu zasłoniętych na zdjęciach lotniczych przez gęsty baldachim regionu. W Kambodży dane lidarowe zostały wykorzystane przez Damiana Evansa i Rolanda Fletchera do ujawnienia zmian antropogenicznych w krajobrazie Angkor.

W 2012 roku Lidar ujawnił, że osada Purépecha w Angamuco w Michoacán w Meksyku miała mniej więcej tyle budynków, co dzisiejszy Manhattan; podczas gdy w 2016 r. jego użycie do mapowania starożytnych grobli Majów w północnej Gwatemali ujawniło 17 wzniesionych dróg łączących starożytne miasto El Mirador z innymi miejscami. W 2018 roku archeolodzy korzystający z lidaru odkryli ponad 60 000 struktur stworzonych przez człowieka w Rezerwacie Biosfery Majów , co było „wielkim przełomem”, który pokazał, że cywilizacja Majów była znacznie większa niż wcześniej sądzono.

Pojazdy autonomiczne

Autonomiczny samochód Cruise Automation z pięcioma jednostkami Velodyne LiDAR na dachu
System laserowy 3D do prognozowania z wykorzystaniem czujnika lidarowego SICK LMC

Pojazdy autonomiczne mogą wykorzystywać lidar do wykrywania i unikania przeszkód w celu bezpiecznego poruszania się po otoczeniu. Wprowadzenie lidaru było kluczowym wydarzeniem, które było kluczowym czynnikiem umożliwiającym powstanie Stanleya , pierwszego autonomicznego pojazdu, który pomyślnie ukończył Wielkie Wyzwanie DARPA . Dane wyjściowe chmury punktów z czujnika Lidar dostarczają danych niezbędnych oprogramowaniu robota do określenia, gdzie w środowisku występują potencjalne przeszkody i gdzie znajduje się robot w stosunku do tych potencjalnych przeszkód. Singapurski sojusz Singapur-MIT na rzecz badań i technologii (SMART) aktywnie rozwija technologie autonomicznych pojazdów lidarowych.

Pierwsze generacje samochodowych systemów adaptacyjnego tempomatu wykorzystywały wyłącznie czujniki Lidar.

Wykrywanie obiektów w systemach transportowych

W systemach transportowych, aby zapewnić bezpieczeństwo pojazdów i pasażerów oraz opracować elektroniczne systemy wspomagające kierowcę, niezbędne jest zrozumienie pojazdu i otaczającego go środowiska. Systemy Lidar odgrywają ważną rolę w bezpieczeństwie systemów transportowych. Wiele systemów elektronicznych, które zwiększają wspomaganie kierowcy i bezpieczeństwo pojazdu, takich jak tempomat adaptacyjny (ACC), asystent hamowania awaryjnego i układ zapobiegający blokowaniu się kół podczas hamowania (ABS), zależy od wykrywania otoczenia pojazdu w celu działania autonomicznego lub półautonomicznego. Osiąga to dzięki mapowaniu lidarowemu i szacowaniu.

Przegląd podstaw: Obecne systemy lidarowe wykorzystują obracające się sześciokątne lustra, które rozdzielają wiązkę laserową. Trzy górne wiązki są używane do wykrywania pojazdów i przeszkód z przodu, a dolne do wykrywania oznaczeń pasów ruchu i elementów drogi. Główną zaletą korzystania z lidaru jest to, że uzyskuje się strukturę przestrzenną, a dane te można łączyć z innymi czujnikami, takimi jak radar itp., aby uzyskać lepszy obraz otoczenia pojazdu pod względem właściwości statycznych i dynamicznych obiektów znajdujących się w otoczeniu. I odwrotnie, istotnym problemem związanym z lidarem jest trudność w rekonstrukcji danych chmury punktów w złych warunkach pogodowych. Na przykład podczas ulewnego deszczu impulsy świetlne emitowane przez system lidar są częściowo odbijane od kropel deszczu, co dodaje szum do danych, zwany „echem”.

Poniżej wymieniono różne podejścia do przetwarzania danych lidarowych i wykorzystywania ich wraz z danymi z innych czujników poprzez fuzję czujników do wykrywania warunków otoczenia pojazdu.

Wykrywanie przeszkód i rozpoznawanie otoczenia drogowego za pomocą lidaru

Ta metoda zaproponowana przez Kun Zhou i in. nie tylko koncentruje się na wykrywaniu i śledzeniu obiektów, ale także rozpoznaje oznaczenia pasów ruchu i cechy dróg. Jak wspomniano wcześniej, systemy lidarowe wykorzystują obracające się sześciokątne lustra, które dzielą wiązkę laserową na sześć wiązek. Trzy górne warstwy służą do wykrywania obiektów znajdujących się z przodu, takich jak pojazdy i obiekty przydrożne. Czujnik wykonany jest z materiału odpornego na warunki atmosferyczne. Dane wykryte przez lidar są grupowane w kilka segmentów i śledzone przez filtr Kalmana . Grupowanie danych odbywa się tutaj na podstawie charakterystyki każdego segmentu w oparciu o model obiektu, który wyróżnia różne obiekty, takie jak pojazdy, szyldy itp. Cechy te obejmują wymiary obiektu itp. Reflektory na tylnych krawędziach pojazdów służą do odróżnić pojazdy od innych obiektów. Śledzenie obiektów odbywa się za pomocą 2-stopniowego filtra Kalmana, uwzględniającego stabilność śledzenia i przyspieszony ruch obiektów. Dane dotyczące intensywności odbicia Lidar są również wykorzystywane do wykrywania krawężników poprzez wykorzystanie solidnej regresji do radzenia sobie z okluzjami. Oznakowanie drogi jest wykrywane przy użyciu zmodyfikowanej metody Otsu poprzez rozróżnienie chropowatych i błyszczących powierzchni.

Zalety

Przydrożne odblaski wskazujące granicę pasa ruchu są czasami ukryte z różnych powodów. Dlatego do rozpoznania granicy drogowej potrzebne są inne informacje. Lidar stosowany w tej metodzie może mierzyć współczynnik odbicia od obiektu. W związku z tym za pomocą tych danych można również rozpoznać granicę drogową. Ponadto zastosowanie czujnika z głowicą odporną na warunki atmosferyczne pomaga wykrywać obiekty nawet w złych warunkach atmosferycznych. Dobrym przykładem jest model wysokości baldachimu przed i po powodzi. Lidar może wykrywać bardzo szczegółowe dane dotyczące wysokości czaszy, a także jej granicy drogowej.

Pomiary lidarowe pomagają określić strukturę przestrzenną przeszkody. Pomaga to rozróżnić obiekty na podstawie rozmiaru i oszacować wpływ przejechania po nich.

Systemy Lidar zapewniają lepszy zasięg i duże pole widzenia, co ułatwia wykrywanie przeszkód na zakrętach. Jest to jedna z głównych zalet w porównaniu z systemami RADARowymi, które mają węższe pole widzenia. Połączenie pomiaru lidarowego z różnymi czujnikami sprawia, że ​​system jest solidny i użyteczny w zastosowaniach czasu rzeczywistego, ponieważ systemy zależne od lidaru nie są w stanie oszacować dynamicznych informacji o wykrytym obiekcie.

Wykazano, że lidarem można manipulować, tak że samojezdne samochody są oszukiwane w celu wykonania uniku.

Biologia i konserwacja

Obrazowanie lidarowe porównujące stary las (po prawej) z nową plantacją drzew (po lewej)

Lidar znalazł również wiele zastosowań w leśnictwie . Wysokość koron , pomiary biomasy i powierzchnię liści można badać za pomocą powietrznych systemów lidarowych. Podobnie lidar jest również używany przez wiele branż, w tym energetykę i kolejnictwo oraz Departament Transportu, jako szybszy sposób geodezji. Mapy topograficzne można również łatwo generować z lidaru, w tym do użytku rekreacyjnego, takiego jak tworzenie map do biegów na orientację . Lidar został również zastosowany do oszacowania i oceny różnorodności biologicznej roślin, grzybów i zwierząt.

Ponadto organizacja Save the Redwoods League podjęła się projektu mapowania wysokich sekwoi na wybrzeżu północnej Kalifornii. Lidar pozwala naukowcom nie tylko zmierzyć wysokość wcześniej niezmapowanych drzew, ale także określić bioróżnorodność sekwoi. Stephen Sillett , który pracuje z Ligą nad projektem lidar North Coast, twierdzi, że technologia ta będzie przydatna w kierowaniu przyszłymi wysiłkami na rzecz zachowania i ochrony starożytnych sekwoi. [ potrzebne pełne cytowanie ]

Geologia i gleboznawstwo

Cyfrowe mapy wysokościowe o wysokiej rozdzielczości generowane przez powietrzny i stacjonarny lidar doprowadziły do ​​znacznego postępu w geomorfologii (dziedzinie nauki o Ziemi zajmującej się pochodzeniem i ewolucją topografii powierzchni Ziemi). Zdolność lidaru do wykrywania subtelnych cech topograficznych, takich jak tarasy rzeczne i brzegi koryt rzecznych, rzeźby lodowcowe, do pomiaru wysokości powierzchni terenu pod baldachimem roślinności, do lepszego określania przestrzennych pochodnych wysokości oraz do wykrywania zmian wysokości między kolejnymi badaniami umożliwiła wiele nowatorskich badań procesów fizycznych i chemicznych, które kształtują krajobrazy. w 2005 r Tour Ronde w masywie Mont Blanc stało się pierwszą wysokogórską górą , na której zastosowano lidar do monitorowania coraz częstszego występowania poważnych opadów skalnych na dużych ścianach skalnych, rzekomo spowodowanych zmianami klimatycznymi i degradacją wiecznej zmarzliny na dużych wysokościach.

Lidar jest również używany w geologii strukturalnej i geofizyce jako połączenie lidaru powietrznego i GNSS do wykrywania i badania uskoków , do pomiaru wypiętrzenia . Dane wyjściowe obu technologii umożliwiają tworzenie niezwykle dokładnych modeli terenu — modeli, które mogą nawet mierzyć wysokość terenu przez drzewa. Ta kombinacja była najbardziej znana do znalezienia lokalizacji uskoku Seattle w Waszyngtonie w Stanach Zjednoczonych. Ta kombinacja mierzy również wypiętrzenie na Mount St. Helens korzystając z danych sprzed i po wzroście z 2004 r. Powietrzne systemy lidarowe monitorują lodowce i mają zdolność wykrywania subtelnych ilości wzrostu lub spadku. System satelitarny NASA ICESat zawiera w tym celu podsystem lidarowy. NASA Airborne Topographic Mapper jest również szeroko stosowany do monitorowania lodowców i przeprowadzania analiz zmian wybrzeża. Ta kombinacja jest również używana przez naukowców zajmujących się glebą podczas tworzenia badania gleby . Szczegółowe modelowanie terenu pozwala naukowcom zajmującym się glebą zobaczyć zmiany nachylenia i załamania ukształtowania terenu, które wskazują wzorce w relacjach przestrzennych gleby.

Atmosfera

Główny artykuł: Atmosferyczny lidar

Początkowo oparty na laserach rubinowych lidar do zastosowań meteorologicznych został skonstruowany wkrótce po wynalezieniu lasera i stanowi jedno z pierwszych zastosowań technologii laserowej. Od tego czasu technologia lidar znacznie się rozwinęła, a systemy lidar są wykorzystywane do wykonywania szeregu pomiarów, które obejmują profilowanie chmur, pomiar wiatrów, badanie aerozoli i ilościowe określanie różnych składników atmosfery. Składniki atmosfery mogą z kolei dostarczać przydatnych informacji, w tym ciśnienia powierzchniowego (poprzez pomiar absorpcji tlenu lub azotu), emisji gazów cieplarnianych (dwutlenek węgla i metan), fotosyntezy (dwutlenek węgla), pożarów (tlenek węgla) i wilgotności (para wodna) . Lidary atmosferyczne mogą być naziemne, powietrzne lub satelitarne, w zależności od rodzaju pomiaru.

Teledetekcja atmosferyczna lidarem działa na dwa sposoby –

  1. mierząc rozproszenie wsteczne z atmosfery i
  2. mierząc rozproszone odbicie od ziemi (gdy lidar jest w powietrzu) ​​lub innej twardej powierzchni.

Rozproszenie wsteczne z atmosfery bezpośrednio daje miarę chmur i aerozoli. Inne pomiary pochodzące z rozproszenia wstecznego, takie jak wiatry lub kryształki lodu Cirrus, wymagają starannego doboru wykrywanej długości fali i/lub polaryzacji. Lidar dopplerowski i lidar dopplerowski Rayleigha służą do pomiaru temperatury i/lub prędkości wiatru wzdłuż wiązki poprzez pomiar częstotliwości wstecznie rozproszonego światła. Poszerzenie Dopplera gazów w ruchu pozwala określić właściwości poprzez wynikowe przesunięcie częstotliwości. Skanujące lidary, takie jak skanujący stożkowo NASA HARLIE LIDAR, zostały użyte do pomiaru prędkości wiatru atmosferycznego. Misja ESA ADM-Aeolus zostanie wyposażona w system lidaru dopplerowskiego w celu zapewnienia globalnych pomiarów pionowych profili wiatru. System lidar dopplerowski został użyty na Letnich Igrzyskach Olimpijskich 2008 do pomiaru pól wiatru podczas zawodów jachtowych.

Systemy lidarów dopplerowskich zaczynają być obecnie z powodzeniem stosowane w sektorze energii odnawialnej do pozyskiwania danych dotyczących prędkości wiatru, turbulencji, zmiany kierunku wiatru i uskoku wiatru. Stosowane są zarówno systemy fal pulsacyjnych, jak i ciągłych. Systemy impulsowe wykorzystują taktowanie sygnału w celu uzyskania rozdzielczości odległości pionowej, podczas gdy systemy z falą ciągłą polegają na ogniskowaniu detektora.

Termin eolics został zaproponowany do opisania wspólnych i interdyscyplinarnych badań wiatru przy użyciu symulacji obliczeniowej mechaniki płynów i pomiarów lidarem dopplerowskim.

Odbicie od ziemi przez lidar unoszący się w powietrzu daje miarę odbicia powierzchni (zakładając, że transmitancja atmosferyczna jest dobrze znana) przy długości fali lidaru, jednak odbicie od ziemi jest zwykle używane do wykonywania pomiarów absorpcji w atmosferze. Pomiary „lidarem absorpcji różnicowej” (DIAL) wykorzystują dwie lub więcej blisko siebie rozmieszczonych (<1 nm) długości fal, aby uwzględnić współczynnik odbicia powierzchni, a także inne straty transmisji, ponieważ czynniki te są stosunkowo niewrażliwe na długość fali. Po dostrojeniu do odpowiednich linii absorpcyjnych określonego gazu, pomiary DIAL można wykorzystać do określenia stężenia (stosunku mieszania) tego konkretnego gazu w atmosferze. Jest to określane jako Integrated Path Differential Absorption (IPDA), ponieważ jest miarą zintegrowanej absorpcji wzdłuż całej ścieżki lidarowej. Lidar IPDA może być pulsacyjny lub CW i zwykle wykorzystuje dwie lub więcej długości fal. Lidary IPDA zostały wykorzystane do teledetekcji dwutlenku węgla i metanu.

Syntetyczny lidar macierzowy umożliwia obrazowanie lidaru bez potrzeby stosowania detektora macierzowego. Może być używany do obrazowania prędkości Dopplera, obrazowania z ultraszybką liczbą klatek na sekundę (MHz), a także do plamek w koherentnym lidarze. Obszerną bibliografię lidarową do zastosowań atmosferycznych i hydrosferycznych podaje Grant.

Egzekwowanie prawa

Zobacz też: Pistolet prędkości Lidar

Pistolety Lidar są używane przez policję do pomiaru prędkości pojazdów w celu egzekwowania ograniczeń prędkości . Ponadto jest używany w kryminalistyce do pomocy w dochodzeniach na miejscu zbrodni. Skany sceny są wykonywane w celu zarejestrowania dokładnych szczegółów rozmieszczenia obiektów, krwi i innych ważnych informacji do późniejszego przeglądu. Skany te można również wykorzystać do określenia trajektorii pocisku w przypadku strzelania.

Wojskowy

Wiadomo, że kilka zastosowań wojskowych istnieje i jest sklasyfikowanych (takich jak oparty na lidarze pomiar prędkości nuklearnego pocisku manewrującego AGM -129 ACM stealth), ale prowadzi się znaczną liczbę badań nad ich wykorzystaniem do obrazowania. Systemy o wyższej rozdzielczości zbierają wystarczająco dużo szczegółów, aby zidentyfikować cele, takie jak czołgi . Przykłady zastosowań militarnych lidaru obejmują Airborne Laser Mine Detection System (ALMDS) do walki z minami firmy Areté Associates.

W raporcie NATO (RTO-TR-SET-098) oceniono potencjalne technologie wykrywania z dystansu w celu dyskryminacji biologicznych środków bojowych. Ocenione potencjalne technologie obejmowały długofalową podczerwień (LWIR), rozpraszanie różnicowe (DISC) i fluorescencję indukowaną laserem w ultrafiolecie (UV-LIF). W raporcie stwierdzono, że: Na podstawie wyników przetestowanych i omówionych powyżej systemów lidarowych Grupa Zadaniowa zaleca, aby najlepszą opcją dla krótkoterminowego (2008–2010) zastosowania systemów detekcji z dystansu był UV-LIF, jednak w dłuższej perspektywie inne techniki, takie jak spektroskopia ramanowska z dystansu mogą okazać się przydatne do identyfikacji biologicznych środków bojowych.

Kompaktowy lidar spektrometryczny krótkiego zasięgu oparty na fluorescencji indukowanej laserem (LIF) zająłby się obecnością zagrożeń biologicznych w postaci aerozolu w krytycznych obiektach wewnętrznych, półzamkniętych i zewnętrznych, takich jak stadiony, metro i lotniska. Ta zdolność w czasie zbliżonym do rzeczywistego umożliwiłaby szybkie wykrycie uwolnienia bioaerozolu i umożliwiłaby terminowe wdrożenie środków w celu ochrony mieszkańców i zminimalizowania stopnia skażenia.

Biologiczny system wykrywania dystansu dalekiego zasięgu (LR-BSDS) został opracowany dla armii amerykańskiej w celu zapewnienia najwcześniejszego możliwego ostrzeżenia o ataku biologicznym. Jest to powietrzny system przenoszony przez helikopter do wykrywania syntetycznych chmur aerozolowych zawierających czynniki biologiczne i chemiczne z dużej odległości. LR-BSDS, o zasięgu wykrywania 30 km lub większym, został wprowadzony na rynek w czerwcu 1997 r. Pięć lidarów wyprodukowanych przez niemiecką firmę Sick AG zostało użytych do wykrywania krótkiego zasięgu w Stanley , autonomicznym samochodzie , który wygrał Wielki Wyzwanie DARPA w 2005 r. .

Zrobotyzowany Boeing AH-6 wykonał w czerwcu 2010 roku w pełni autonomiczny lot, w tym omijanie przeszkód za pomocą lidaru.

Górnictwo

Obliczenie objętości złoża odbywa się poprzez okresowe (comiesięczne) skanowanie w rejonach wydobycia rudy, a następnie porównywanie danych powierzchniowych z poprzednim skanem.

Czujniki Lidar mogą być również wykorzystywane do wykrywania i unikania przeszkód w zrobotyzowanych pojazdach górniczych, takich jak autonomiczny system transportowy Komatsu (AHS) używany w Kopalni Przyszłości Rio Tinto.

Fizyka i astronomia

Światowa sieć obserwatoriów wykorzystuje lidary do pomiaru odległości do reflektorów umieszczonych na Księżycu , umożliwiając pomiar pozycji Księżyca z milimetrową precyzją i przeprowadzanie testów ogólnej teorii względności . MOLA , Mars Orbiting Laser Altimeter, wykorzystał lidar na satelicie krążącym wokół Marsa (NASA Mars Global Surveyor ), aby wykonać spektakularnie precyzyjne globalne badanie topograficzne Czerwonej Planety. Wysokościomierze laserowe stworzyły globalne modele wysokości Marsa, Księżyca (wysokościomierz laserowy Lunar Orbiter (LOLA)), Merkurego (wysokościomierz laserowy rtęciowy (MLA)), dalmierz laserowy NEAR-Shoemaker (NLR). Przyszłe misje będą również obejmować eksperymenty z wysokościomierzem laserowym, takie jak wysokościomierz laserowy Ganimedesa (GALA) w ramach misji Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE).

We wrześniu 2008 roku NASA Phoenix Lander użyła lidaru do wykrycia śniegu w atmosferze Marsa.

W fizyce atmosfery lidar jest używany jako instrument do zdalnego wykrywania do pomiaru gęstości niektórych składników środkowej i górnej atmosfery, takich jak potas , sód lub cząsteczkowy azot i tlen . Pomiary te można wykorzystać do obliczenia temperatur. Lidar może być również używany do pomiaru prędkości wiatru i dostarczania informacji o pionowym rozkładzie aerozolu .

W ośrodku badawczym JET zajmującym się syntezą jądrową w Wielkiej Brytanii w pobliżu Abingdon w hrabstwie Oxfordshire do określenia profili gęstości elektronów i temperatury plazmy stosuje się rozpraszanie lidarowe Thomsona .

Mechanika skał

Lidar jest szeroko stosowany w mechanice skał do charakteryzowania górotworu i wykrywania zmian nachylenia. Niektóre ważne właściwości geomechaniczne górotworu można wyodrębnić z trójwymiarowych chmur punktów uzyskanych za pomocą lidaru. Niektóre z tych właściwości to:

  • Orientacja nieciągłości
  • Odstępy nieciągłości i RQD
  • Apertura nieciągłości
  • Trwałość nieciągłości
  • Chropowatość nieciągłości
  • Infiltracja wody

Niektóre z tych właściwości wykorzystano do oceny jakości geomechanicznej górotworu za pomocą wskaźnika RMR . Ponadto, ponieważ orientacje nieciągłości można wyodrębnić przy użyciu istniejących metodologii, możliwa jest ocena jakości geomechanicznej zbocza skalnego za pomocą wskaźnika SMR . Oprócz tego porównanie różnych trójwymiarowych chmur punktów ze zbocza uzyskanych w różnych momentach pozwala naukowcom badać zmiany zachodzące na scenie w tym przedziale czasowym w wyniku osunięć skalnych lub innych procesów osuwania się ziemi.

TOR

THOR to laser przeznaczony do pomiaru warunków atmosferycznych na Ziemi. Laser wchodzi w pokrywę chmur i mierzy grubość powracającego halo. Czujnik posiada aperturę światłowodową o szerokości 7,5 cala, która służy do pomiaru światła powrotnego.

Robotyka

Technologia Lidar jest wykorzystywana w robotyce do postrzegania otoczenia oraz klasyfikacji obiektów. Zdolność technologii lidar do dostarczania trójwymiarowych map wysokości terenu, bardzo precyzyjnej odległości od podłoża i prędkości zbliżania się może umożliwić bezpieczne lądowanie pojazdów robotycznych i załogowych z dużą precyzją. Lidar są również szeroko stosowane w robotyce do jednoczesnej lokalizacji i mapowania oraz dobrze zintegrowane z symulatorami robotów. Dalsze przykłady znajdują się w sekcji Wojskowej powyżej.

Lot w kosmos

Lidar jest coraz częściej wykorzystywany do określania odległości i obliczania prędkości względnej elementów orbitalnych w operacjach zbliżeniowych i utrzymywaniu stacji statków kosmicznych . Lidar był również używany do atmosfery studia z kosmosu. Krótkie impulsy światła laserowego wysyłane ze statku kosmicznego mogą odbijać się od drobnych cząstek w atmosferze iz powrotem do teleskopu ustawionego w linii z laserem statku kosmicznego. Precyzyjnie synchronizując „echo” lidaru i mierząc ilość światła laserowego odbieranego przez teleskop, naukowcy mogą dokładnie określić położenie, rozmieszczenie i charakter cząstek. Rezultatem jest rewolucyjne nowe narzędzie do badania składników w atmosferze, od kropel chmur po zanieczyszczenia przemysłowe, które są trudne do wykrycia innymi metodami”.

Wysokościomierz laserowy jest używany do tworzenia cyfrowych map wysokości planet, w tym mapowania Marsa za pomocą orbitalnego laserowego wysokościomierza Marsa (MOLA), księżycowego wysokościomierza laserowego (LOLA) i wysokościomierza księżycowego (LALT) oraz wysokościomierza rtęciowego ( MLA) mapowanie Merkurego. Jest również używany do pomocy w nawigacji helikoptera Ingenuity w jego rekordowych lotach nad terenem Marsa .

Geodezja

Ten van TomTom z mapowaniem jest wyposażony w pięć czujników Lidar na bagażniku dachowym.

Powietrzne czujniki lidarowe są używane przez firmy zajmujące się teledetekcją. Można ich użyć do stworzenia DTM (cyfrowy model terenu) lub DEM ( cyfrowy model wysokości ); jest to dość powszechna praktyka na większych obszarach, ponieważ samolot może uzyskać pokosy o szerokości 3–4 km podczas jednego przelotu. Większą dokładność pionową poniżej 50 mm można uzyskać przy niższym estakadzie, nawet w lasach, gdzie jest w stanie podać zarówno wysokość łanu, jak i rzędną terenu. Zazwyczaj do połączenia danych z WGS ( World Geodetic System ) potrzebny jest odbiornik GNSS skonfigurowany w georeferencyjnym punkcie kontrolnym.

LiDAR są również wykorzystywane w pomiarach hydrograficznych . W zależności od przejrzystości wody LiDAR może mierzyć głębokości od 0,9 m do 40 m z dokładnością pionową 15 cm i dokładnością poziomą 2,5 m.

Leśnictwo

Systemy Lidar zostały również zastosowane w celu usprawnienia gospodarki leśnej. Pomiary służą do inwentaryzacji działek leśnych oraz obliczania wysokości poszczególnych drzew, szerokości i średnicy korony. Inne analizy statystyczne wykorzystują dane lidarowe do oszacowania całkowitych informacji o działce, takich jak objętość korony, średnia, minimalna i maksymalna wysokość oraz szacunki pokrycia roślinnością. Lotniczy LiDAR został wykorzystany do mapowania pożarów buszu w Australii na początku 2020 r. Dane zostały zmanipulowane, aby zobaczyć gołą ziemię i zidentyfikować zdrową i spaloną roślinność.

Transport

Chmura punktów wygenerowana z poruszającego się samochodu za pomocą jednego lidara Ouster OS1

Lidar był używany w branży kolejowej do generowania raportów o stanie majątku na potrzeby zarządzania aktywami oraz przez departamenty transportu do oceny warunków drogowych. CivilMaps.com jest wiodącą firmą w tej dziedzinie. Lidar był używany w adaptacyjnego tempomatu (ACC) w samochodach. Systemy takie jak Siemens, Hella, Ouster i Cepton wykorzystują urządzenie lidar zamontowane z przodu pojazdu, na przykład na zderzaku, do monitorowania odległości między pojazdem a dowolnym pojazdem przed nim. W przypadku, gdy pojazd z przodu zwalnia lub jest zbyt blisko, ACC uruchamia hamulce, aby spowolnić pojazd. Gdy droga z przodu jest pusta, ACC umożliwia przyspieszenie pojazdu do prędkości ustawionej przez kierowcę. Dalsze przykłady znajdują się w sekcji Wojskowej powyżej. Urządzenie oparte na lidarze, tzw Ceilometr jest używany na lotniskach na całym świecie do pomiaru wysokości chmur na ścieżkach podejścia do pasa startowego. [ potrzebne źródło ]

Optymalizacja farmy wiatrowej

Lidar można wykorzystać do zwiększenia produkcji energii z farm wiatrowych poprzez dokładny pomiar prędkości wiatru i turbulencji wiatru. Eksperymentalne systemy lidarowe można zamontować na gondoli turbiny wiatrowej lub zintegrować z obracającym się wirnikiem, aby mierzyć nadciągające poziome wiatry, wiatry towarzyszące turbinie wiatrowej oraz proaktywnie regulować łopaty w celu ochrony komponentów i zwiększenia mocy. Lidar jest również używany do charakteryzowania zasobów wiatru padającego w celu porównania z produkcją energii z turbiny wiatrowej w celu zweryfikowania wydajności turbiny wiatrowej poprzez pomiar krzywej mocy turbiny wiatrowej. Optymalizacja farm wiatrowych może być tematem w stosowane eoliki . Innym aspektem Lidar w przemyśle związanym z wiatrem jest wykorzystanie obliczeniowej dynamiki płynów na powierzchniach skanowanych za pomocą Lidar w celu oceny potencjału wiatru, który można wykorzystać do optymalnego rozmieszczenia farm wiatrowych.

Optymalizacja wdrożenia fotowoltaiki słonecznej

Lidar może być również używany do pomocy planistom i deweloperom w optymalizacji systemów fotowoltaicznych na poziomie miasta poprzez określanie odpowiednich szczytów dachów i określanie strat zacienienia . Ostatnie wysiłki w zakresie powietrznego skanowania laserowego koncentrowały się na sposobach oszacowania ilości światła słonecznego padającego na pionowe fasady budynków lub na uwzględnieniu bardziej szczegółowych strat cienia, biorąc pod uwagę wpływ roślinności i większego otaczającego terenu.

Gry wideo

Najnowsze symulacyjne gry wyścigowe, takie jak rFactor Pro , iRacing , Assetto Corsa i Project CARS, coraz częściej zawierają tory wyścigowe odtworzone z chmur punktów 3D pozyskanych za pomocą pomiarów Lidar, co skutkuje powierzchniami replikowanymi z centymetrową lub milimetrową precyzją w środowisku 3D w grze .

Gra eksploracyjna Scanner Sombre z 2017 roku , autorstwa Introversion Software , wykorzystuje Lidar jako podstawową mechanikę gry.

W Build the Earth Lidar jest używany do tworzenia dokładnych renderów terenu w Minecraft , aby uwzględnić wszelkie błędy (głównie dotyczące wysokości) w domyślnej generacji. Proces renderowania terenu w Build the Earth jest ograniczony ilością danych dostępnych w regionie, a także szybkością konwersji pliku na dane blokowe.

Inne zastosowania

Skaner Lidar na iPadzie Pro 4. generacji

Teledysk do piosenki „ House of Cards ” zespołu Radiohead z 2007 roku był uważany za pierwsze użycie skanowania laserowego 3D w czasie rzeczywistym do nagrania teledysku. Dane dotyczące zasięgu na filmie nie pochodzą całkowicie z lidaru, ponieważ wykorzystywane jest również skanowanie światłem strukturalnym.

W 2020 roku firma Apple wprowadziła czwartą generację iPada Pro z czujnikiem lidar zintegrowanym z modułem tylnej kamery , opracowanym specjalnie z myślą o doświadczeniach rzeczywistości rozszerzonej (AR). Ta funkcja została później uwzględniona w asortymencie iPhone'a 12 Pro i kolejnych modelach Pro. Na urządzeniach Apple LiDAR wzmacnia zdjęcia w trybie portretowym trybem nocnym, ale także przyspiesza autofokus i poprawia dokładność w aplikacji Measure .

W 2022 roku Wheel of Fortune zaczęło wykorzystywać technologię lidar do śledzenia, kiedy Vanna White przesuwa dłonią po planszy puzzli, aby odsłonić litery. Pierwszy odcinek, w którym zastosowano tę technologię, miał miejsce podczas premiery sezonu 40. Jednak technologia ma mieszane recenzje od fanów serialu.

Technologie alternatywne

Dalsze informacje: skaner 3D

Niedawny rozwój technologii Structure From Motion (SFM) umożliwia dostarczanie trójwymiarowych obrazów i map na podstawie danych uzyskanych z fotografii wizualnej i IR. Dane wysokościowe lub trójwymiarowe są pozyskiwane za pomocą wielu równoległych przebiegów nad mapowanym obszarem, uzyskując zarówno obrazy światła widzialnego, jak i trójwymiarową strukturę z tego samego czujnika, którym często jest specjalnie dobrany i skalibrowany aparat cyfrowy . [ potrzebne źródło ]

Komputerowa wizja stereoskopowa okazała się obiecującą alternatywą dla LiDAR w zastosowaniach bliskiego zasięgu.

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lidar&oldid=1141422236 ”