Vad är lidar och hur fungerar det

Driverless Cars som var en av 1990-talets största tekniska fantasi (drivs av tidigare filmer som "The Love Bug" och "Demolition Man") är en verklighet idag tack vare den enorma framsteg som gjorts kring flera tekniker, särskilt LIDAR.

Vad är LiDAR?

LIDAR (står för Light Detection and Ranging) är en teknik som mäter avståndet från ett objekt genom att skjuta ljusstrålar mot objektet och använda tiden och våglängden för den reflekterade ljusstrålen för att uppskatta avståndet och i vissa applikationer (Laser Imaging), skapa en 3D-representation av objektet.

Medan tanken bakom laser kan spåras till EH Synges arbete 1930, var det inte något förrän i början av 1960-talet, efter uppfinningen av laser. I huvudsak en kombination av laserfokuserad avbildning med förmågan att beräkna avstånd med hjälp av flygtidstekniken, den hittade de tidigaste tillämpningarna i meteorologi, där den användes för att mäta moln och i rymden, där en laserhöjdmätare användes för att kartlägga månens yta under Apollo 15-uppdraget. Sedan dess har tekniken förbättrats och har använts i olika applikationer inklusive; upptäckt av seismiska aktiviteter, oceanografi, arkeologi och navigering för att nämna några.

Hur fungerar LiDAR

Tekniken är ganska lik den för RADAR (radiovågsnavigering som används av fartyg och flygplan) och SONAR (detektering av undervattensobjekt och navigering med ljud, huvudsakligen används av ubåtar) som båda använder principen om reflektion av vågor för objektdetektering och avstånd uppskattning. Men medan RADAR är baserad på radiovågor och SONAR baseras på ljud är LIDAR baserad på ljusstrålar (laser).

LIDAR använder ljus över olika våglängder inklusive; ultraviolett, synligt eller nära infrarött ljus för bildobjekt och dess som sådant kan detektera alla slags materialkompositioner, inklusive; icke-metaller, stenar, regn, kemiska föreningar, aerosoler, moln och till och med enstaka molekyler. LIDAR-system kan avfyra upp till 1 000 000 ljuspulser per sekund och använda den tid det tar för pulserna att reflekteras tillbaka till skannern för att bestämma avståndet på vilket föremål och ytor runt skannern ligger. Tekniken som används för avståndsbestämning är känd som flygtid och dess ekvation ges nedan.

Avstånd = (Ljusets hastighet x Flygtiden) / 2

I de flesta applikationer, förutom bara mätning på avstånd, skapas en 3D-karta över miljön / objektet där ljusstrålen avfyrades. Detta görs genom kontinuerlig avfyrning av laserstrålen mot objektet eller miljön.

Det är viktigt att notera att, i motsats till den speglande reflektion som kan erhållas i plana speglar, är reflektion som upplevs i LIDAR-system en bakåtspridd reflektion då ljusvågorna sprids tillbaka i riktningen där de kom. Beroende på applikation använder LIDAR-system olika varianter av backscattering inklusive Rayleigh och Raman-spridning,

Komponenter i ett LIDAR-system

Ett LIDAR-system består vanligtvis av 5 element som förväntas vara närvarande oberoende av variationer på grund av applikation. Dessa huvudkomponenter inkluderar:

Laser
Skannrar och optiksystem
Processor
Exakt timingelektronik
Tröghetsmätningsenhet och GPS

1. Laser

Lasern fungerar som energikälla för ljuspulserna. Våglängden för lasern som används i LIDAR-system skiljer sig från en applikation till en annan på grund av de specifika kraven för vissa applikationer. Till exempel använder luftburna LiDAR-system 1064 nm diodpumpade YAG-lasrar medan Bathymetriska system använder 532 nm dubbeldiodpumpade YAG-lasrar som tränger igenom vatten (upp till 40 meter) med mycket mindre dämpning än den luftburna 1064nm-versionen. Oavsett applikationer har lasrarna vanligtvis dock låg energi för att säkerställa säkerheten.

2. Skanner och optik

Skannrar är en viktig del av alla LIDAR-system. De ansvarar för att projicera laserpulser till ytor och ta emot de reflekterade pulserna från ytan. Den hastighet med vilken bilder utvecklas av ett LIDAR-system beror på den hastighet med vilken skannrarna fångar de bakåtspridda strålarna. Oavsett applikation måste optiken som används i ett LIDAR-system ha hög precision och kvalitet för att uppnå bästa resultat, särskilt för kartläggning. Typen av linser, specifikt glasval, tillsammans med de optiska beläggningar som används är viktiga faktorer för LIDARs upplösning och räckvidd.

Beroende på applikation kan olika skanningsmetoder användas för olika upplösningar. Azimut- och höjdsökning och dubbelaxlig scanning är några av de mest populära skanningsmetoderna.

3. Processorer

En processor med hög kapacitet är vanligtvis kärnan i alla LIDAR-system. Den används för att synkronisera och samordna aktiviteterna för alla enskilda komponenter i LIDAR-systemet så att alla komponenter fungerar när de ska. Processorn integrerar data från skannern, timern (om den inte är inbyggd i delsystemet för bearbetning), GPS och IMU för att producera LIDAR-punktdata. Dessa höjdpunktsdata används sedan för att skapa kartor beroende på applikation. I förarlösa bilar används punktdata för att ge en realtidskarta över miljön som hjälper bilarna med att undvika hinder och allmän navigering.

Med ljus som rör sig med en hastighet på cirka 0,3 meter per nanosekunder och tusentals strålar vanligtvis reflekteras tillbaka till skannern, krävs vanligtvis att processorn har hög hastighet med hög bearbetningsfunktion. Således har framstegen i processorkraften hos beräkningselement varit en av de viktigaste drivkrafterna för LIDAR-teknik.

4. Timing Electronics

Noggrann timing är avgörande i LIDAR-system eftersom hela operationen byggs i tid. Timingelektroniken representerar LIDAR-undersystemet som registrerar den exakta tid som en laserpuls lämnar och den exakta tiden den återgår till skannern.

Det är precision och noggrannhet kan inte betonas för mycket. På grund av den spridda reflektionen har pulser som skickas ut vanligtvis flera returer som var och en måste tidsinställas exakt för att säkerställa noggrannheten i datan.

5. Tröghetsmätningsenhet och GPS

När en LiDAR-sensor är monterad på en mobil plattform som satelliter, flygplan eller bilar är det nödvändigt att bestämma sensorns absoluta position och orientering för att behålla användbar data. Detta uppnås genom användning av ett tröghetsmätningssystem (IMU) och GPS (Global Positioning System). IMU består vanligtvis av en accelerometer, gyroskop och en magnetometer för att mäta hastigheten, orienteringen och gravitationskrafterna, som kombineras tillsammans, används för att bestämma vinkelorienteringen (Pitch, roll and Yaw) hos scannern relativt marken. GPS å andra sidan ger korrekt geografisk information om sensorns position, vilket möjliggör direkt georeferens av objektpunkterna.Dessa två komponenter tillhandahåller metoden för att översätta sensordata till statiska punkter för användning i en mängd olika system.

Den extra information som erhålls med hjälp av GPS och IMU är avgörande för integriteten hos förvärvad data och hjälper till att säkerställa att avståndet till ytor är korrekt uppskattat, särskilt i mobila LIDAR-applikationer som autonoma fordon och Air Plane-baserade imagensystem.

Typer av LiDAR

Medan LIDAR-system kan klassificeras i typer baserat på ett stort antal faktorer, finns det tre generiska typer av LIDAR-system som är;

Avståndsmätare LIDAR
Differentiell absorption LIDAR
Doppler LIDAR

1. Range Finder LIDAR

Det här är den enklaste typen av LIDAR-system. De används för att bestämma avståndet från LIDAR-skannern till ett objekt eller en yta. Genom att använda principen om flygningstid som beskrivs under avsnittet ”hur det fungerar” används den tid det tar för reflektionsstrålen att träffa skannern för att bestämma avståndet mellan LIDAR-systemet och objektet.

2. Differentialabsorption LIDAR

LIDAR-system med differentiell absorption (kallas ibland DIAL) används vanligtvis vid undersökningen av närvaron av vissa molekyler eller material. DIAL-system avfyrar vanligtvis laserstrålar med två våglängder som väljs så att en av våglängderna kommer att absorberas av molekylen av intresse medan den andra våglängden inte kommer att vara. Absorptionen av en av strålarna resulterar i en skillnad (differentiell absorption) i intensiteten hos returstrålarna som mottages av skannern. Denna skillnad används sedan för att härleda nivån på närvaron av molekylen som undersöks. DIAL har använts för att mäta kemiska koncentrationer (såsom ozon, vattenånga, föroreningar) i atmosfären.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR används för att mäta ett måls hastighet. När ljusstrålar som skjutits från LIDAR träffar ett mål som rör sig mot eller bort från LIDAR, kommer våglängden för det ljus som reflekteras / sprids från målet att ändras något. Detta kallas ett Doppler-skifte - som ett resultat Doppler LiDAR. Om målet rör sig bort från LiDAR, kommer returljuset att ha en längre våglängd (ibland kallat ett rött skift). Om det rör sig mot LiDAR kommer returljuset att ha en kortare våglängd (blått skiftat).

Några av de andra klassificeringar där LIDAR-system är grupperade i typer inkluderar:

Plattform
Typ av bakspridning

Typer av LiDAR baserat på plattform

Med hjälp av plattform som ett kriterium kan LIDAR-system grupperas i fyra typer inklusive;

Markbaserad LIDAR
Luftburet LIDAR
Spaceborne LIDAR
Rörelse LIDAR

Dessa LIDAR skiljer sig åt i konstruktion, material, våglängd, syn och andra faktorer som vanligtvis väljs för att passa det som fungerar i den miljö som de ska användas för.

Typer av LIDAR Baserat på typ av bakspridning

Under min beskrivning av hur LIDAR-system fungerar nämnde jag att reflektion i LIDAR sker via bakåtspridning. Olika typer av bakåtspridningsutgångar och dess ibland används för att beskriva typen av LIDAR. Typer av bakspridning inkluderar;

Mie
Rayleigh
Raman
Fluorescens

Tillämpningar av LiDAR

På grund av sin extrema noggrannhet och flexibilitet har LIDAR ett stort antal applikationer, särskilt produktion av kartor med hög upplösning. Förutom kartläggning har LIDAR använts inom jordbruk, arkeologi och i robotar eftersom det för närvarande är en av de viktigaste möjliggörarna för det autonoma fordonet, eftersom det är den viktigaste sensorn som används i de flesta fordon med LIDAR-systemet som utför en roll som den som ögonen på fordonen.

Det finns hundratals andra applikationer av LiDAR och kommer att försöka nämna så många som möjligt nedan.

Autonoma fordon
3D-avbildning
Markundersökning
Inspektion av kraftledning
Turism och parkhantering
Miljöbedömning för skogsskydd
Översvämningsmodellering
Ekologisk och landsklassificering
Modellering av föroreningar
Olje- och gasutforskning
Meteorologi
Oceanografi
Alla slags militära applikationer
Cellnätverksplanering
Astronomi

LiDAR-begränsningar

LIDAR som alla andra tekniker har sina brister. Den räckvidd och noggrannhet LIDAR-system drabbas hårt under dåliga väderförhållanden. Under dimmiga förhållanden genereras till exempel en betydande mängd falska signaler på grund av att strålar reflekteras av dimman. Detta leder vanligtvis till miespridningseffekten och som sådan återvänder en stor del av den avfyrade strålen inte tillbaka till skannern. En liknande händelse upplevs med regn eftersom regnpartiklar orsakar falska avkastningar.

Bortsett från vädret kan LIDAR-system luras (antingen medvetet eller medvetet) att tro att ett objekt existerar genom att "blinka" mot det. Enligt ett papper som publicerades 2015 kan en enkel laserpekare vid LIDAR-systemet monterat på autonoma fordon desorientera fordonets navigationssystem och ge det intrycket av att det finns ett objekt där det inte finns något. Denna brist, särskilt vid förarlös biltillämpning av lasrar, öppnar upp många säkerhetsproblem eftersom det inte tar lång tid för biljackare att förfina principen för användning i attacker. Det kan också leda till olyckor med bilar som plötsligt stannar mitt på vägen om de känner vad de tror är en annan bil eller en fotgängare.

Fördelar och nackdelar med LiDAR

För att avsluta den här artikeln bör vi förmodligen titta på skäl till varför du LIDAR kan passa bra för ditt projekt och skäl till varför du förmodligen borde undvika det.

Fördelar

1. Hög hastighet och exakt datainsamling

2. Hög penetration

3. Påverkas inte av ljusets intensitet i omgivningen och kan användas på natten eller i solen.

4. Högupplöst bildbehandling jämfört med andra metoder.

5. Inga geometriska snedvridningar

6. Integreras enkelt med andra datainsamlingsmetoder.

7. LIDAR har ett minimalt mänskligt beroende som är bra i vissa applikationer där mänskliga fel kan påverka tillförlitligheten hos data.

Nackdelar

1. Kostnaden för LIDAR gör det för mycket för vissa projekt. LIDAR beskrivs bäst som relativt dyrt.

2. LIDAR-system fungerar dåligt i kraftigt regn, dimma eller snöförhållanden.

3. LIDAR-system genererar stora datamängder som kräver höga beräkningsresurser att bearbeta.

4. Otillförlitlig i turbulenta vattenapplikationer.

5. Beroende på vilken våglängd som används är prestanda för LIDAR-system begränsad höjd eftersom pulserna som avfyras i vissa typer av LIDAR blir ineffektiva vid vissa höjder.

LIDAR för hobbyister och tillverkare

På grund av kostnaden för LIDAR används de flesta av LIDAR-systemen på marknaden (som velodyne LIDAR) i industriella applikationer (för att samla alla "icke-hobbyistiska" applikationer).

Det närmaste LIDAR-systemet som är tillgängligt just nu är iLidar Solid-State LiDAR-sensorer designade av Hybo. Det är ett litet LiDAR-system som kan kartlägga 3D (utan att rotera sensorn) med ett effektivt maximalt räckvidd på 6 meter. Sensorn är utrustad med en USB-port tillsammans med en UART / SPI / i2C-port genom vilken kommunikation kan upprättas mellan sensorn och en mikrokontroller.

iLidar designades för att passa alla och funktionerna i samband med LiDAR gör det attraktivt för tillverkare.