Лидары это: Что такое LiDAR и почему это будущее камер смартфонов

Содержание

Что такое LiDAR и почему это будущее камер смартфонов

Впервые датчик LiDAR появился в iPad Pro (2020), а уже осенью его добавят в iPhone 12 Pro. Неужели Apple сделала очередной революционный шаг в мире мобильных камер или же здесь нет ничего нового? Разбираемся, как работает эта технология и почему она вскоре может появиться во всех смартфонах.

Что такое LiDAR и где он используется

Определение LiDAR можно написать по разному: это датчик измерения света и дальности или лазерная проекция с обнаружением и определением расстояния. Особо популярны они стали с появлением первых беспилотных автомобилей. Например, LiDAR установлен в беспилотных авто «Яндекса», датчик помогает ориентироваться машине в пространстве.

Так видят беспилотники «Яндекс»

Но история LiDAR начинается намного дальше. Технология была создана в 1960-х годах и первоначально предназначалась для отслеживания спутников и военных целей. Как и LiDAR, идея подразумевала использование света для отслеживания положения объектов.

Измеряя как быстро свет попадает во что-то и возвращается можно определить положение этого объекта. Так работали самые первые системы LiDAR и так они работают в iPad Pro (2020).

Пример работы сенсора LiDAR

Существенное улучшение технологии LiDAR произошло в 1980-х годах, когда инфракрасные лазерные системы стали широко использоваться для составления карт зданий и местности с помощью самолётов. Эти же методы позволили измерить глубину океана и найти скрытые поселения Майя.

За счёт регистрации не только времени, которое требуется лазерному лучу для возврата, но и угла, под которым он отражается, данные LiDAR можно комбинировать с другой информацией для получения очень точных трёхмерных карт. Профессиональные системы LIDAR часто объединяются с устройствами GPS — ещё одна технология, которая в настоящее время широко распространена в смартфонах.

Анализ поверхности земли с самолёта

Некоторые из современных датчиков LiDAR настолько чувствительны, что могут обнаруживать загрязняющие вещества в воздухе, или способны контролировать поток трафика в аэропорту. Общим для всех таких датчиков является то, что они основаны на балансе сбора и анализа данных, что будет всегда актуально для смартфонов и планшетов.

Чем LiDAR полезен для смартфонов и планшетов

Первым смартфоном Apple с датчиком глубины стал iPhone 7 Plus. Тогда это стал телеобъектив и использовался он для создания портретных снимков с размытием фона. Но LiDAR поможет вывести эту функцию на новый уровень.

Согласно данным Apple, сканер LiDAR внутри нового iPad Pro может работать на уровне отдельных фотонов света, на расстоянии до пяти метров и на скоростях, которые уходят в наносекунды (то есть кадр может быть захвачен моментально). Сканер работает в связке с чипом A12Z Bionic, который берёт на себя тяжелую работу с точки зрения интерпретации данных. Поэтому в ближайшее время не стоит ждать LiDAR на бюджетных смартфонах.

Самые заметные улучшения пользователь сможет заметить в дополненной реальности. Например, приложение «Рулетка» становится более быстрым и точным, когда подключается LiDAR. Теперь его можно использовать как полноценный инструмент измерения, а не просто как пример использования AR.

Благодаря сенсору LiDAR новый iPad Pro может анализировать среду в 3D-пространстве — точно также, как это делали самолёты с океаном и горами. В теории это позволит строить изображение дополненной реальности вокруг любых предметов в вашей квартире. Например, в играх герои смогут выглядывать из угла и ходить по любым предметам.

Размещение объектов будет более точным и реалистичным, захват движения в реальном времени будет более полным, а физические объекты в середине сцены будут лучше обрабатываться любым приложением AR, поскольку возможности LiDAR автоматически добавляются в фреймворк Apple ARKit.

А как же сенсор ToF?

Но всё это не означает, что появление LiDAR в телефонах неизбежно. Доступны и другие технологии измерения глубины, к тому же искусственный интеллект продолжает улучшаться и уже сейчас для замера глубины может использовать стандартные датчики камер. Но LiDAR может работать в любых условиях освещения, очень быстро и очень точно, что является одной из причин, по которым Apple делает на него ставку.

В Galaxy S20 Ultra используется сенсор ToF

Сенсор LiDAR отличается от того, что используется во многих флагманах Android. Там популярен датчик времени полета (ToF), который по многим функциям является аналогом LiDAR. ToF также использует отражённый свет для измерения расстояний для портретного режима и AR. Но в ToF использует один импульс света для оценки всего пространства, а LiDAR используется сканер, который с помощью нескольких точек света получает эти показания чаще и с большей точностью.

Таким образом LiDAR является важным и логичным шагом на пути развития камер смартфонов. Их популяризация должна начаться как раз с линейки iPhone 12 Pro, которую покажут осенью.

11 000 лазеров вместо 128 / Блог компании НПП ИТЭЛМА / Хабр

Принцип работы лидарных датчиков заключается в отражении света лазеров от окружающих объектов и создании трехмерного облака точек.

Первый современный трехмерный лидар был создан для конкурса DARPA Grand Challenge 2005 года, основного конкурса среди беспилотных автомобилей. В наши дни многие эксперты продолжают рассматривать лидары в качестве ключевой технологии для беспилотных машин.

Оригинальный лидар 2005 года, созданный компанией Velodyne, имел вертикальный массив из 64 лазеров, которые вращались на 360 градусов, и каждый лазер в массиве должен быть тщательно выровнен с соответствующим детектором. Эта сложность привела к тому, что цена достигла $75 000. В наши дни высококлассные лидары по-прежнему стоят десятки тысяч долларов.

Сейчас десятки стартапов пытаются создать более дешевые лидары. Многие из них пытаются снизить цену, используя один лазерный луч, который сканируется в двухкоординатной модели.

Однако другие компании, работающие с лидарами, двигаются в другом направлении: они строят лидары с тысячами лазеров. Компания Sense продает лидары с 11 000 лазеров по цене $3000. Другая компания под названием Ibeo работает над лидаром, в котором будет более 10 000 лазеров.

Для ясности отметим, что новый лидар от Ibeo еще не выпущен, а потому мы не знаем насколько хорошо он будет работать, а показатели лидаров от Sense далеки от производительности лучших лидаров от Velodyne. Дальность лидаров от Sense – от 15 до 40 метров, в то время как некоторые модели Velodyne работают на расстоянии 200 метров.

Тем не менее, генеральный директор Sense Скотт Берроуз говорит, что их компания только начинает свою работу. Sense работает над новым датчиком c дальностью работы в 200 метров, который должен выйти в следующем году. Планируется, что эта модель сможет соревноваться с лидерами рынка. В свою очередь, Ibeo имеет глубокие связи с автомобильной промышленностью, что позволяет компании заключать крупные сделки с автопроизводителями-партнерами.

Микротрансферная печать

И Sense, и Ibeo используют недорогой тип лазеров – лазеры с вертикальным излучением (VCSEL). Эти лазеры могут производиться с использованием привычных полупроводниковых технологий, что позволяет разместить тысячи или даже миллионы устройств на одной пластине.

Ранее мы рассказывали о другом стартапе под названием Ouster, их лидар основан на VCSEL.

В лидаре от Sense намного больше лазеров, чем в лидаре от Ouster. Чтобы добиться этого, Sense используют технологию, которая называется микротрансферная печать.

Разместить несколько тысяч VCSEL на одном чипе нетрудно. Но при изготовлении чипа, на котором плотно расположены 11 000 лазеров, у вас могут возникнуть проблемы. Лазеры в таком количестве на малой площади могут выделять большой объем тепла. Также у вас могут возникнуть проблемы с безопасностью для глаз. Лазеры с вертикальным излучением работают на частоте, которая может повредить сетчатку, а 11 000 лазеров, направленных на человеческий глаз, могут привести к необратимым травмам.

У Sense есть разумное решение этой проблемы: распределение лазеров. После установки тысяч лазеров с вертикальным излучением на пластину из арсенида галлия, Sense переносит их на новую теплопроводящую керамическую подложку, разрежая плотность установки лазеров.

В этот момент в дело вступает микротрансферная печать. В этой технологии используется резиновый штамп, на дне которого расположена сетка с резиновыми выступами. Когда один из выступов касается лазера с вертикальными излучением, он может приподнять его с помощью силы статического электричества.

Выступы расположены так, что один из каждых n чипов (отсчитывая и по горизонтали, и по вертикали) приподнимается с исходной пластины и помещается на новую подложку. Далее, штамп собирает набор чипов из идущих далее слотов для следующего лидара. Таким образом, одна кремниевая пластина может образовывать сборки на 11 000 лазеров для множества лидаров.

Sense стремится увеличить радиус действия своих лидаров

Вместо того чтобы сканировать сцену последовательно (так, как это делают большинство лидаров), лидары от Sense используют свои 11 000 лазеров чтобы осветить всю сцену за одну вспышку, после чего датчик измеряет время, за которое обратная вспышка отражается со всех направлений.

Вспышечные лидары вроде этого, как правило, имеют малую дальность действия, поскольку освещение всей сцены приводит к тому, что свет теряется в промежутках между пикселями. По сути, Sense решают эту проблему методом грубой силы, используя большое количество света для освещения сцены. Распределение лазеров помогает справляться с выделяемым теплом и вредом для человеческих глаз – проблемами, которые могли бы возникать при подобном подходе.

Тем не менее, генеральный директор Ouster Ангус Паскала отмечает, что подход Sense имеет существенный недостаток: высокое энергопотребление. “Чем больше электроэнергии, тем больше датчики” – комментарий Ангуса для Ars. “Чем больше датчики, тем выше цена и больше сложность интеграции”.

Несмотря на то, что нынешние продукты Sense потребляют больше электроэнергии, чем лидары от ведущих компаний, они имеют меньшую дальность действия. Также лидары от Ouster и Velodyne вращаются на 360 градусов, в то время как вам понадобится несколько лидаров от Sense для того, чтобы получить аналогичное покрытие.

Берроуз планирует выпустить лидар с дальностью действия в 200 метров в 2021 году. У этого лидара будет более 11 000 лазеров, хотя точное количество еще неизвестно. Основной задачей будет достижение большей дальности действия без столь же значительного увеличения энергопотребления.

Однофотонные лавинные диоды входят в моду

Один из вариантов решения этой задачи – использование массива однофотонных лавинных диодов (SPAD) для определения отраженных лазерных лучей в лидарных датчиках нового поколения. Это еще одно сходство с лидарами от Ouster, в которых используются SPAD. В интервью Ars Technica в 2018 году Пакала сказал, что его долгосрочная стратегия заключается в использовании двумерных массивов лазеров с вертикальным излучением и датчиков на однофотонных лавинных диодах, что позволит создать лидары, которые работают как камеры – продукт, который Sense планирует представить в следующем году.

Как следует из названия, датчики на однофотонных лавинных диодах достаточно чувствительны, чтобы засечь один фотон.

Как и лазеры с вертикальным излучением, они могут быть изготовлены с использованием привычных технологий работы с кремнием, что позволяет им быть дешевыми в терминах масштабирования. Большая чувствительность этих датчиков может помочь Sense достичь большей дальности действия для имеющегося количества лазерного света.

Интересно, что Ibeo также планируют использовать однофотонные лавинные диоды в своих лидарах следующего поколения.

Ibeo – это не стартап. Некоторые из их лидаров участвовали в DARPA Grand Challenge 2005 года, хотя участие компании упущено из виду, потому что их лидары имели всего 4 линии сканирования, в то время как у лидаров Velodyne было 64. Ibeo совершили крупный переворот несколько лет назад, когда они получили контракт на поставку лидаров для Audi – первый случай, когда лидары были установлены в серийных автомобилях. Также миноритарным акционером Ibeo является ZF Friedrichshafen, что помогает им заключать еще больше контрактов на поставки датчиков для автомобилей.

В своем интервью, данном в четверг, операционный директор Ibeo Марио Брамм рассказал Ars, что лидар следующего поколения от Ibeo должен выйти в конце этого года и будет иметь массивы лазеров вертикального излучения и однофотонных лавинных диодов размерности 128 на 80. Ibeo стремятся к модульному дизайну, который позволит компании использовать различную оптику для создания диапазона моделей с разными возможностями – от лидаров дальнего действия с малым углом обзора, до широкоугольных лидаров с более коротким радиусом действия. Ibeo хотят сделать эти лидары достаточно дешевыми, чтобы их можно было продавать автомобильным концернам для массового производства, начиная с конца 2022 или начала 2023 года.

Очевидный вопрос заключается в том, как Ibeo будут решать проблемы с температурой и безопасностью для глаз, которые Sense решает с помощью микротрансферной печати. Одно из решений – использование высокочувствительных однофотонных лавинных диодов, благодаря чему Ibeo смогут уменьшить выходную мощность своих лазеров достаточно для того, чтобы избежать проблем с питанием и опасностью для человеческих глаз. Другим вариантом решения является использование непосредственного соединения между каждым лазером и датчиком, что приведет к уменьшению количества “потерянных” фотонов. Во время нашего разговора Брамм сказал, что низкая мощность является приоритетом для клиентов, представляющих автомобильный рынок.

С другой стороны, может оказаться, что этот подход трудно реализовать без технологии микротрансферной печати, которой пользуются Sense, в то время как Ibeo и Ouster будут пытаться создать твердотельные лидары без нее.

Поправка: сначала я заявил, что лазеры с вертикальным излучением, которыми пользуются Sense сделаны из кремния – на самом деле они основаны на арсениде галлия.

О компании ИТЭЛМАМы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.

Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.

У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.

Читать еще полезные статьи:

Лидары на CES / Блог компании НПП ИТЭЛМА / Хабр

Несмотря на то, что CES – выставка потребительской электроники, лидары и другие компоненты роботизированных автомобилей стали важной частью того, что на ней демонстрируется. По меньшей мере 43 компании представили свои лидары на CES, и некоторые источники утверждают, что в настоящее время еще около 150 различных компаний работают в этой области. Если посмотреть на продукты этих компаний, то можно увидеть, что у них на удивление редко повторяются дизайны – почти каждое устройство сделано по-своему, и каждая компания считает, что у их подхода есть шанс принести им победу.

Главной новостью этой CES стало участие лидара для машин-роботов от Bosch, рост производительности, недорогие лидары от различных компаний и несколько новых участников, представляющих свои варианты дизайна.

Компании, производящие лидары, стремятся выиграть в одной или нескольких из следующих категорий:

Основной успех для компании – использование их лидаров для полноценного роботизированного автомобиля
Другие компании стремятся к созданию лидаров для «автопилота», который помогает водителю, хотя некоторые из таких систем (например, в Tesla) не используют лидары.
Более дешевые устройства с меньшим радиусом действия, которые могут обеспечить обзор для навигации на низких скоростях и наблюдения за близкими к автомобилю объектами, которые пропали из поля зрения основного лидара.
Некоторые компании надеются на хороший бизнес в других областях. Примерами таких областей являются низкоскоростная робототехника, интеллектуальное распознавание городов и обеспечение безопасности.

Цели лидаров

В частности, в первых двух категориях существует множество важных методов дифференциации, и все эти методы направлены на достижение следующих целей:

Цена: Такси могут позволить себе дорогостоящие датчики, но для частных автомобилей они могут быть недоступны. И все хотят экономить, если есть такая возможность.
Дальность действия: Для езды по шоссе необходима дальность в 200 метров или более. Для лидаров с длиной волны 1550 нм в этом нет проблемы, а лидары с 905 нм для этого еще необходимо дорабатывать. Особый интерес представляют темные и сложные для обнаружения объекты, такие как шины на асфальте.
Надежность: все хотят, чтобы устройство продолжало работать и оставалось откалиброванным в жесткой автомобильной среде с большим количеством вибраций. Многие ранние лидары имели с этим проблемы.
Разрешение: высокий уровень детализации, особенно в определенных областях, таких как горизонт или отдельные препятствия.
Поле зрения: некоторые лидары сканируют сцену на все 360 градусов. Существуют и модели с узким полем зрения, и для полного покрытия сцены вам потребуется несколько таких лидаров. Некоторые используют лидары с узким полем зрения и и высокой дальностью для фокусирования на дороге перед автомобилем, а для всего остального используют лидары с обычной дальностью обзора.
Скорость работы: люди хотят, чтобы лидары осуществляли по меньшей мере 10 сканирований в секунду, а, при возможности, и 20-30. Обычно существует компромисс между частотой кадров и разрешением или полем зрения и стоимостью.
Специальные функции: измерение скорости целей, предотвращение помех, захват всей сцены за одну вспышку – все это дополнительные особенности, которые могут быть плюсами лидара.
Размер: меньшие габариты и простота интеграции в автомобиль являются плюсами лидара, хотя первые пользователи могут предпочесть более очевидные и понятные датчики вроде устройств с обзором в 360 градусов, монтируемых на крышу.
Декодирование: сюда входят и лучшее аппаратное обеспечение для декодирования возвращаемого сигнала, и его связь с специальным ПО, которое помогает интерпретировать формируемое облако точек.

Отличия технологий

Для достижения всех вышеперечисленных целей нужны различные лидары. Они могут различаться по длине волны, типу излучателей и детекторов, оптике и тому, как они направляют лучи (если они их направляют) и тому, как они обрабатывают сигналы.

Длина волны лазера имеет большое значение. Работа на 1550 нм (длинноволновая часть инфракрасного спектра) позволяет безопасно использовать гораздо больше энергии для повышения дальности работы. Также эта технология достаточно дорога, так как мы не можем использовать недорогие кремниевые микросхемы. В коротком инфракрасном спектре работает следующее соотношение – чем короче волна, тем выше эффективность кремниевых микросхем, но тем больше и окружающего солнечного света. В этих диапазонах сложно добиться распознавания сложных темных целей на большом расстоянии, но многие производители утверждают, что они с этим справляются. Распознавать объекты вроде ретрорефлекторов (отражатели, которые можно увидеть на дорожных знаках и разметке полос) легко, но черные машины, одежда и шины – это другая история.

Также устройства различаются своими методами управления лучами. Некоторые лидары, особенно старые и 360-градусные модели просто вращают весь лидар по кругу. Вы можете увидеть множество устройств с небольшим зеркалом, которое может вибрировать (зачастую в двух измерениях) чтобы направлять лучи. Другой популярный подход – использование микроэлектромеханических систем, которые могут быть встроены в чип (их зачастую называют зафиксированными, но они имеют небольшие подвижные компоненты).

Настоящие подходы с твердотельными схемами включают в себя управление фазированной решеткой (часто встречается в радарах) и управление на основе частоты (с использованием лазера, частоту которого можно быстро изменить, и призмы, задающей направление изменения света исходя из его частоты).

Новый игрок на рынке, Bajara, использует этот метод для управления в одном направлении. Strobe, которую выкупили Cruise, по слухам, также используют этот метод.

Вспышечные лидары не осуществляют сканирование. Скорее, в них установлено очень большое количество датчиков (и, возможно, излучателей), чтобы заснять всю сцену сразу. Это очень дорого, а также трудно получить высокую дальность обзора, так как для вспышки требуется огромная мощность. Благодаря дешевым массивам лазеров с вертикальным излучением, новые компании вроде Sense Photonics надеются на победу с таким подходом, хотя в настоящее время они не могут обеспечить дальность обзора, достаточную для езды по шоссе.

Эти твердотельные подходы востребованы, поскольку считается, что они будут самыми надежными в суровых автомобильных условиях. Большие движущиеся части сложнее поддерживать в надежном состоянии и калибровать. Тем не менее, как вы можете догадаться, каждый поставщик теперь настаивает на том, что его продукты надежны и не будут требовать частой замены или обслуживания, а требования автопроизводителей именно таковы. Роботакси, которые возвращаются автопарк каждую ночь могут согласиться на менее надежные устройства только в том случае, если это дает какую-либо другую значительную выгоду.

Bosch

Самым обсуждаемым новичком на выставке была Bosch. В то время как они заявляли, что запустят свой новый лидар на CES, отошли в сторону и не стали раскрывать никаких деталей кроме того, что у их лидара будет высокая дальность действия, а его цена будет уместны для рынка технологий помощи водителю. (Как правило, на рынке помощи водителю нужны датчики, которые будут стоить значительно меньше 1000 $, поскольку никто не хочет добавлять тысячи долларов к цене продаваемого автомобиля.

Для рынка такси уместны и более дорогие датчики, поскольку эта цена распределяется среди пассажиров – по несколько центов на милю).

Люди обращают внимание на Bosch, поскольку эта компания является одним из ведущих мировых поставщиков автомобильных компонентов высшего уровня. Ни у кого нет лучшего выхода на рынок автопроизводителей, при этом все хорошо знают эту компанию и доверяют ей. Это значительное преимущество над небольшими и малоизвестными стартапами. Если Bosch создадут приличный лидар, вероятно он обойдет лидары от небольших компаний. По словам сотрудников Bosch, они изучили всех поставщиков лидаров на рынке, в надежде найти того, кого они смогут приобрести, либо заключить партнерское соглашение. Они выяснили, что всем подходам чего-то не хватает, и решили создать лидар своими силами. Они утверждают, что их дизайн не идентичен ни одному из уже представленных, даже с учетом всего разнообразия. Их утверждение о том, что они не нашли ни одной компании, которую могли бы приобрести, может быть связано с очень высокими требованиями, которые выдвигают компании в области роботизированных автомобилей.

Нам придется подождать, чтобы узнать больше об устройстве, которое строит Bosch.

Направленность на помощь водителю

Еще одной темой шоу стала так называемая «зима машин-роботов» – некоторые компании заявили, что возвращаются к работе над технологиями помощи водителю. В то время как самые ранние восторги касались использования лидаров в полностью роботизированных машинах и такси, большинство компаний считают, что больший объем продаж придет с рынка более простых и дешевых лидаров, направленных на создание конкурента автопилота от Tesla (который не использует лидары, но попадал в некоторые аварии, которые могли быть предотвращены с их помощью).

Действительно, автопроизводители продадут много систем помощи водителю, прежде чем они начнут продавать конечным пользователям реально работающие полностью автономные машины. Последнее особенно сложно, так как пользователям не нравятся автомобили, работающие только в определенных местах, и они не будут каждый день привозить машину обратно в магазин для доработки (а именно так будут работать роботакси). Такой продукт как автопилот от Tesla, стал обязательной функцией для автомобилей высокого класса (Tesla продает именно такие). Лидары могут сделать такой продукт более безопасным, и сделать это быстрее (если попадут в ценовой диапазон). Не каждый OEM-производитель готов создавать такие системы (или более продвинутые системы, которые позволят водителю не обращать внимания на дорогу во время езды по шоссе) без лидаров.

Более низкие цены

Почти все компании прогнозируют, что после начала широкого производства их лидары будут стоить меньше 1000 $. Средняя цена лидаров с 1550 нм – от 500 до 1000 $. У 905 нм – от 200 до 300. Китайские поставщики продвигают низкую стоимость своего производства, так как они будут первыми устанавливать эти цены. Одним из наиболее впечатляющих игроков был Livox – они предлагали свои лидары по цене от 600 до 1200 долларов.

Несмотря на то, что всем компаниями нужно обещать низкие цены, многие, похоже, уверены в своих оценках, а значит мы можем быть уверены, что недорогие лидары от какого-то из поставщиков будут доступны в течение нескольких лет – большинство прогнозов насчет машин-роботов именно таковы. Это важно для спора между камерами и лидарами, ведь одним из главных аргументов в пользу камер была высокая стоимость лидаров. Игроки, использующие только камеры (вроде Tesla) делают ставку на то, что компьютерное зрение может работать достаточно хорошо. Игроки с лидарами делают ставку на дешевизну своих датчиков. Скорее всего, сыграет ставка на лидары. Вся эта дискуссия далеко не так проста, но стоимость является важным компонентом. Такие люди как Илон Маск считают, что лидары не нужны по любой цене и называют их костылями. В то же самое время, у компьютерного зрения пока что только одна нога.

Возвращение скорости

Некоторые компании предлагают обеспечить замеры скорости движущихся целей при помощи лидаров. Обычно это делается с помощью эффекта Допплера, который может быть рассчитан в устройствах, которые используют непрерывные волны с частотной модуляцией – так и работают большинство автомобильных радаров.

В прошлом году компания Blackmore, занимавшаяся радиолокаторами непрерывного излучения с частотной модуляцией была приобретена компанией Aurora. Несколько других независимых компаний (вроде Aeva и других) продвигают такой же подход.

Знать с какой скоростью движется цель очень полезно. Если вы используете традиционный лидар, то для определения скорости объекта вам нужно изучить несколько кадров. Это может привести к задержке от 100 до 200 мс на кадр, а затем еще столько же на обработку. Это может иметь значение в критических ситуациях (вроде неожиданного препятствия на дороге).

Компания Luminar, ведущий игрок в области лидаров на 1550 нм, разработала другой подход. Они посылают несколько лазерных импульсов на интересующие объекты каждые несколько миллисекунд. Если делать это точно, то этого достаточно для определения скорости объекта. С помощью этой технологии (или с помощью радиолокаторов непрерывного излучения с частотной модуляцией) вы можете идентифицировать стоячий объект за несколько миллисекунд без каких либо вычислений, вместо того, чтобы тратить 400 мс при использовании компьютерного зрения или обычных лидаров. Недавние аварии с участием Tesla, связанные с столкновениями с автомобилями, припаркованными на левой полосе, показывают насколько важна эта технология распознавания.

Кто же победил?

У каждой компании есть своя история о том, как она придет к победе. Вот факторы, которые определяет победителя:

Увеличенная дальность и мощность лидаров с длиной волны 1550 нм обеспечивают превосходство над устройствами с короткими волнами, но это сказывается на цене.
Более простые устройства без движущихся частей или очень малыми подвижными компонентами (вроде микроэлектромеханических систем) будут более надежными.
Устройства, у которых лазеры, излучатели и оптика будут установлены на одном чипе также будут более надежны.
Компании с историей и опытом продаж OEM-автопроизводителям (вроде Bosch) и некоторые игроки на рынке лидаров с крупными заказами от этих производителей будут иметь преимущество.
Компании, которые смогут обеспечить масштабное производство с высоким уровнем качества выиграют в долгосрочной перспективе. Любой, кто не сможет этого сделать, не сможет выйти за пределы небольшого рынка роботакси вне зависимости от того, насколько хорош их продукт.
На рынке роботакси (который придет первым) могут преобладать более привычные конструкции, работающие на 360 градусов, потому что на машину нужно купить всего одно или два устройства.
Дополнительные функции вроде замера скорости объектов могут стать решающими для полностью роботизированных автомобилей. Люди будут платить больше, если эти функции исключат важные классы аварий.

В ближайшие месяцы появятся новые темы для разговора о лидарах. В том числе такие вопросы как создание базы данных, содержащей информацию о всех основных поставщиках лидаров, и более глубокое изучение противостояния лидаров и чистого компьютерного зрения.

Об авторе: Брэд Тэмплтон — инженер-программист, евангелист робоавтомобилей с 2007 года, работал над Гуглокаром в его ранние годы. Основатель ClariNet, почетный председатель Electronic Frontier Foundation и директор Foresight Institute, основатель факультета в Singularity University.

О компании ИТЭЛМА Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.

Читать еще полезные статьи:

Выпуск №21 — Твердотельные лазерные дальномеры LiDAR (лидар)

Стартап из Кремниевой долины Quanergy Systems заявил, что уже в 2016 году выпустит свой твердотельный лазерный дальномер — LiDAR (Лидар — англ. Light Identification Detection and Ranging — система светового обнаружения и определение дальности). Данная система позволит снизить стоимость автомобильных систем автопилотирования до менее чем 1000$.

В настоящее время в беспилотных автомобилях используются оптические датчики, собирающие весьма точные данные о том, что происходит вокруг автомобиля. Их можно увидеть, например, на крыше авто Google.

[wpanchor id=»1″]Во-первых, это очень дорогое удовольствие. Самая продвинутая версия датчика стоит более $80000, а самая скромная — около $8000. Во-вторых, эффективность таких систем снижается в плохих погодных условиях. Ну и выглядят эти конструкции на крыше не очень привлекательно.

[wpanchor id=»2″]Компания Quanergy Systems представила на ежегодной конференции Society of Automotive Engineers (Сообщества автомобильных инженеров, SAE) в Детройте, компактный лазерный сканирующий дальномер LiDAR стоимостью 250$.

Уменьшить размеры устройства до размеров кредитной карты стало возможным благодаря использованию твердотельной лазерной системы, – прокомментировал исполнительный директор компании Louay Eldada

[wpanchor id=»3″]В основу проекта как раз и легла научная работа Louay Eldada, благодаря которой он получил учёную степень в Колумбийском университете.

[wpanchor id=»4″]Сенсор, разработанный Quanergy Systems, содержит интегральную схему, которая сканирует пространство в каждом направлении без каких-либо движущихся частей в макро и микро масштабах, излучая лазерные импульсы на расстоянии в сотню метров и измеряя расстояние до объектов, создавая живую, в реальном времени 3D картинку вокруг автомобиля.

[wpanchor id=»5″]Он действует так же, как радар, но производит измерения быстрее и точнее. Так же LiDAR имеет систему обнаружения, классификации и отслеживания объектов в зоне действия. По утверждениям разработчиков устройство будет стабильно работать даже в плохих погодных условиях.

[wpanchor id=»6″]Если планы компании будут реализованы, то это может стать серьёзным прорывом, поскольку снижение стоимости таких датчиков будет значительно способствовать их массовому внедрению в автомобили и другие транспортные средства.

[wpanchor id=»7″]На сегодняшний день инновацией уже заинтересовались несколько крупнейших автопроизводителей — Daimler AG, Hyundai Motor Co. , Kia Motors Corp. и Nissan-Renault. На первом этапе своего развития в 2014 году, стартап Quanergy Systems получил венчурные инвестиции в размере 30 мил. долларов.

Category:

Новости

Лидарные системы Википедия

Лида́р (транслитерация LIDAR англ. Light Detection and Ranging «обнаружение и определение дальности с помощью света») — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления поглощения и рассеяния света в оптически прозрачных средах.

Лидар, произведённый компанией Leica, используемый для сканирования зданий, скальных образований и т. д. с целью создания 3D-моделей.

Лидар как прибор представляет собой, как минимум, активный дальномер оптического диапазона.

Сканирующие лидары в системах машинного зрения формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства.
«Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей и поглощающей свет.
Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары, определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.

Устоявшийся перевод LIDAR как «лазерный радар» не вполне корректен, так как в системах ближнего радиуса действия (например, предназначенных для работы в помещениях), главные свойства лазера: когерентность, высокие плотность и мгновенная мощность излучения — не востребованы; излучателями света в таких системах могут служить обычные светодиоды. Однако в основных сферах применения технологии (метеорология, геодезия и картография) с радиусами действия от сотен метров до сотен километров используются только лазеры.

История

Аббревиатура LIDAR впервые появилась в работе Миддлтона и Спилхауса «Метеорологические инструменты» 1953 года, задолго до изобретения лазеров. ^[1] Первые лидары использовали в качестве источников света обычные или импульсные лампы со скоростными затворами, формировавшими короткий импульс.^[2]

США

В 1963 году в США начались полевые испытания носимого лазерного дальномера XM-23 с мощностью излучения 2,5 Вт и диапазоном измеряемых расстояний 200—9995 м.^[3]. XM-23 был изначально несекретным образцом и стал базовым прибором для гражданских исследователей 1960-х годов.^[4] К концу 1960-х годов лазерные дальномеры стали стандартным оборудованием новых танков США (первым образцом, спроектированным с применением лазерных дальномеров, стал M551 Шеридан, запущенный в серию в 1967). Гражданские применения лазерных дальномеров были ограничены лишь высокой стоимостью интегральных схем того времени.

Тогда же, в первой половине 1960-х годов, начались опыты по применению лидара с лазерными излучателями для исследования атмосферы^[5].

В 1969 году лазерный дальномер и мишень, установленная на Аполлоне-11, применялся для измерения расстояния от Земли до Луны. Четыре мишени, доставленные на Луну тремя «Аполлонами» и «Луноходом-2», и по сей день используются для наблюдения за орбитой Луны^[6]^[7].

В течение 1970-х годов, с одной стороны, отлаживалась технология лазерных дальномеров и компактных полупроводниковых лазеров, а с другой — были начаты исследования рассеяния лазерного луча в атмосфере. К началу 1980-х годов эти исследования стали настолько известными в академических кругах США, что аббревиатура LIDAR стала именем нарицательным — lidar, что зафиксировал словарь Уэбстера 1985 года.^[2] В те же годы лазерные дальномеры достигли стадии зрелой технологии (по крайней мере, в военных приложениях) и выделились в отдельную от лидаров отрасль техники^[8].

СССР

Эксперименты по лазерной локации Луны в СССР начались в 1963 году, а с 1973 года велись систематические наблюдения всех пяти расположенных к тому времени на Луне уголковых отражателей («Лунохода-1», «Лунохода-2», «Аполлона-11», «Аполлона-14», «Аполлона-15»)^[9]^:263,267,272. Для лазерной локации искусственных спутников Земли в СССР были запущены спутники с уголковыми отражателями на борту: «Интеркосмос-17» (1977), «Интеркосмос-Болгария-1300» (советско-болгарский, 1981), «Метеор-3» (1985), использовался разработанный советскими учёными лазерный дальномер «Крым»^[10]^:321,323.

В СССР существовало два семейства лидарных метеорологических приборов, предназначенных для использования на аэродромах (в обоих семействах в качестве источника зондирующего светового потока использовались импульсные лампы):

Измерители высоты нижней границы облаков — светолокаторы (в начале 1960-х годов создан прибор ИВО-1, далее в 1970-х годах ИВО-2, РВО-2). Принцип действия светолокатора основан на измерении обратно рассеянного зондирующего импульса в атмосфере.
Измерители дальности видимости — трансмиссометры (созданный в конце 1960-х годов прибор РДВ-1, в последующие десятилетия ему на смену пришли РДВ-2, РДВ-3, ФИ-1). Принцип действия трансмиссометра (регистратора прозрачности атмосферы) основан на измерении степени ослабления интенсивности световых импульсов после их прохождения через слой атмосферы, ограниченный длиной базисной линии прибора.

Принцип действия

В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеянию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды — достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.

Устройство

Основные различия в конструкциях и принципах действия современных лидаров заключаются в модулях формирования развертки. Развертка может формироваться как механическими методами (с помощью вращающихся зеркал или с помощью движения микроэлектромеханических систем), так и с помощью фазированной антенной решетки^[11].

Излучатель

Длины волн, излучаемые наиболее распространёнными лазерами. Шкала в микрометрах

В абсолютном большинстве конструкций излучателем служит лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и длины волн (в нанометрах):

1550 нм — инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн. Однако риск повреждения глаз на деле выше, чем у излучателей видимого света — так как глаз не реагирует на ИК излучение, то не срабатывает и естественный защитный рефлекс человека
1064 нм — ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения
532 нм — зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды
355 нм — ближнее ультрафиолетовое излучение

Также возможно использование (см. Промышленные и сервисные роботы) вместо коротких импульсов непрерывной амплитудной модуляции излучения переменным напряжением.

Системы формирования сканирующего паттерна

Большинство современных лидаров используют цилиндрическую развертку. Этот тип развертки наиболее просто формируется и прост в дальнейшей обработке. Однако у него есть недостатки. Например, при использовании цилиндрической развертки есть вероятность пропустить узкие горизонтальные объекты (такие как шлагбаум). Чаще всего эта проблема решается применением дополнительного лидара с цилиндрической разверткой, но ориентированного перпендикулярно первому лидару.

Помимо цилиндрической развертки существуют лидары с разверткой «розетка» (англ. «Rosette scanning pattern»). Формирование данной развертки происходит сложнее, чем формирование цилиндрической развертки, однако лидары с разверткой «розетка» не испытывают проблем, описанных выше.

Сканирующая оптика

Два чёрных цилиндра, вынесенные перед бампером — сканирующие лидары беспилотного автомобиля

Простейшие атмосферные лидарные системы не имеют средств наведения и направлены вертикально в зенит.

Для сканирования горизонта в одной плоскости применяются простые сканирующие головки. В них неподвижные излучатель и приёмник также направлены в зенит; под углом 45° к горизонту и линии излучения установлено зеркало, вращающееся вокруг оси излучения. В авиационных установках, где надо сканировать полосу, перпендикулярную направлению полёта самолёта-носителя, ось излучения — горизонтальна. Для синхронизации мотора, вращающего зеркало, и средств обработки принимаемого сигнала используются точные датчики положения ротора, а также неподвижные реперные риски, наносимые на прозрачный кожух сканирующей головки.

Сканирование в двух плоскостях добавляет к этой схеме механизм, поворачивающий зеркало на фиксированный угол с каждым оборотом головки — так формируется цилиндрическая развёртка окружающего мира. При наличии достаточной вычислительной мощности можно использовать жёстко закреплённое зеркало и пучок расходящихся лучей — в такой конструкции один «кадр» формируется за один оборот головки.

Сканирование с помощью MEMS

Производить сканирование можно также и с помощью микроэлектромеханических систем. Такие системы позволяют значительно сократить габариты и повысить надежность изделий.

Активная фазированная антенная решетка

Активная фазированная антенная решетка формирует лазерный луч множеством передающих модулей, каждый из которых генерирует излучение со своими параметрами. Таким образом можно управлять направлением луча. Применение ФАР в лидарах позволяет избавиться от подвижных частей и таким образом продлить срок жизни изделию.

Приём и обработка сигнала

Важную роль играет динамический диапазон приёмного тракта. Например, приёмный тракт новейшей (2006 год) подсистемы машинного зрения MuCAR-3 с динамическим диапазоном 1:10⁶ обеспечивает эффективный радиус действия от 2 до 120 м (всего 1:60). Чтобы избежать перегрузки приёмника интенсивной засветкой от рассеивания в «ближней зоне», в системах дальнего радиуса действия применяют высокоскоростные механические затворы, физически блокирующие приёмный оптический канал. В устройствах ближнего радиуса со временем отклика менее микросекунды такой возможности нет.

Современное состояние и перспективы

Исследования атмосферы

Исследования атмосферы стационарными лидарами является наиболее массовой отраслью применения технологии. В мире развёрнуто несколько постоянно действующих исследовательских сетей (межгосударственных и университетских), наблюдающих за атмосферными явлениями.

Измерение высоты нижней границы облаков. В России выпускаются светолокаторы ДВО-2 ^[12] (с импульсной лампой в качестве источника света), лазерные светолокаторы ДОЛ-2.^[13] и лазерный облакомер для измерения высоты нижней границы облаков и вертикальной видимости ^[14] Также широко используются лазерные светолокаторы CL31 финского производства.^[15]

Измерение дальности видимости. В России производятся трансмиссометры ФИ-3 ^[16], используются также финские трансмиссометры LT31.^[17] В обоих приборах источником излучения является полупроводниковый светодиод.

Измерение скорости и направления воздушных потоков. Теоретическое обоснование применения наземного доплеровского лидара для таких измерений было дано ещё в 1980-е годы.^[18] Первые практические разработки использовали неподвижные оптические системы с лучом, направленным вертикально в зенит; в 1990-е годы были предложены технологии, позволяющие доплеровским лидарам сканировать широкий угол обзора.^[19] В 2001 Alcatel предложил размещение лидаров на борту спутников, так, что «созвездие» спутников на орбите способно отслеживать движение воздушных масс в рамках целого континента, а в потенциале — на Земле в целом.^[20] Лидары активно используются для наблюдений за загрязнением атмосферы. Особый класс дифференциальных лидаров (differential absorption lidar, DIAL), излучающих одновременно свет с разной длиной волны, способен эффективно определять концентрацию отдельных газов, оптические показатели которых зависят от длины волны.

Измерение температуры атмосферы. Разработано и реализовано на практике несколько основных методов измерения профилей температуры.

В первом методе используется резонансное рассеяние на атомах щелочных металлов, в частности, натрия, калия, а также железа^[21]^[22]^[23]. Облака атомов металлов находятся на высоте 85 — 100 км. Температура измеряется по доплеровскому уширению резонансных линий с помощью зондирования узкополосным подстраиваемым лазером (используются жидкостные лазеры с активным веществом в виде раствора органического красителя). Первые измерения были осуществлены с помощью искусственных натриевых облаков, забрасываемых в атмосферу ракетами. Несмотря на то, что метод ограничен диапазоном высот, на которых присутствуют атомы металла, рассеянный сигнал оказывается относительно большим, и это дает возможность измерять температуру с точностью до 1.5 ˚К^[24].

Второй метод — метод рэлеевского рассеяния (Rayleigh lidar), основан на нерезонансном рассеянии света на молекулах воздуха^[22]^[25]^[26]. Впервые он был применен в 1953 году в опытах с прожекторным зондированием атмосферы^[27]. Суть метода заключается в следующем. Если отсутствует аэрозольное рассеяние, то мощность обратно рассеянного сигнала прямо пропорциональна плотности воздуха, из которой можно рассчитать температуру. Разрежение воздуха с высотой позволяет использовать метод рэлеевского рассеяния на высотах не более 90 км. Нижняя граница высоты измерения (около 20-30 км) обусловлена присутствием в граничном слое большого количества аэрозоля, который значительно увеличивает рассеяние, но практически не влияет на плотность воздуха.

Третий метод основан на вращательном рамановском (комбинационном) рассеянии молекулами воздуха (Raman lidar)^[22]^[25]. Когда температура увеличивается, интенсивность переходов с большими квантовыми числами возрастает, в то время как интенсивность линий вращательного рамановского спектра, соответствующих маленьким квантовым числам, уменьшается. Переходы с большими квантовыми числами соответствуют линиям рамановского спектра, расположенным дальше от центральной частоты. Температура определяется при использовании измерений в двух областях спектра с различной температурной зависимостью. Максимальная высота зондирования составляет около 30 км, погрешность измерения менее 1 ˚К до высоты 10 км^[28]. Так как в приемнике линия упругого рассеяния подавляется, то измерения можно проводить и в присутствии значительных концентраций аэрозолей.

Измерение температуры может проводиться так же с помощью DIAL лидара^[22], но этот метод не получил большого распространения.

Помимо научных целей и метеорологических наблюдений, активно испытываются комплексные системы мониторинга воздушных потоков в районах аэропортов. Среди практических предложений последних лет — системы автоматического управления ветрогенераторами, использующие лидары для определения силы и направления ветра.^[29]

Раннее оповещение о лесных пожарах. Лидар, размещённый на возвышенности (на холме или на мачте) и сканирующий горизонт, способен различать аномалии в воздухе, порождённые очагами пожаров. В отличие от пассивных инфракрасных систем, распознающих только тепловые аномалии, лидар выявляет дымы по аномалиям, порождаемым частицами горения, изменению химического состава и прозрачности воздуха и т. п. Технология с радиусом обнаружения дымов в 20 км была впервые заявлена в 1990,^[30] активные поиски оптимальных конфигураций систем ведутся по сей день.^[31]

Исследования Земли

Вместо установки лидара на земле, где принимаемый отражённый свет будет зашумлён из-за рассеяния в загрязнённых, нижних слоях атмосферы, «атмосферный» лидар может быть поднят в воздух или на орбиту, что существенно улучшает соотношение сигнал-шум и эффективный радиус действия системы. Первый полноценный орбитальный лидар был выведен на орбиту NASA в декабре 1994 года в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment).^[32]^[33] Двухтонный лидар LITE с метровым зеркальным телескопом, поднятый на высоту 260 км, «рисовал» на земле размытое пятно диаметром 300 м, что было явно недостаточно для эффективного отображения рельефа, и был исключительно «атмосферным».

Особо ценным оказался опыт верификации данных космической съёмки с использованием синхронных данных более 60 наземных лидаров по всему миру.^[34]

Первый европейский орбитальный лидар (проект ALADIN) планируется к запуску в 2014 году.^[35]

Космическая геодезия. Современные космические проекты разделились на два направления — совершенствование «атмосферных» систем (см. вышеупомянутый проект Alcatel) и геодезические лидары, способные сканировать рельеф земной поверхности с приемлемой разрешающей способностью. Лидары могут применяться как на орбите Земли, так и на орбитах других планет, практический пример тому — бортовой лидар АМС Марс Глобал Сервейор.

Измерения лунной топографии, выполненные с космического аппарата Клементина.

Авиационная геодезия, топография и археология. Национальная океанографическая служба США (NOAA) систематически применяет авиационные лидары для топографической съёмки морского побережья. Сканирующий лидар NOAA имеет разрешение по вертикали 15 см и полосу сканирования (при штатной высоте полёта) 300 м. Привязка к абсолютной высоте производится «от уровня моря» (с поправкой на приливы), к географическим координатам — по сигналам GPS.^[36] Географическая служба США (USGS) проводит аналогичные топографической съёмки в Антарктиде, данные съёмок USGS находятся в открытом доступе.^[37] В 2007 году USGS начал программу по встраиванию данных лидарной съёмки в национальную базу топографических данных США.^[38]

Особое направление, применяемое на практике в сейсмоопасных районах США — дифференциальное измерение высот с целью выявления локальных подвижек земных масс в районе разломов. Ещё в 1996 с помощью лидара была открыта неизвестная ранее зона разлома возле Сиэтла.^[39]

Мониторинг лесов и биомассы. Космические (например, GLAS — Geoscience Laser Altimeter System) и авиационные лидары позволяют определить высоту растительности, в частности леса. Таким образом, появляется возможность уточнить распространение лесов, вычислить их параметры (фитомасса, запас древесины) и осуществлять мониторинг за динамикой лесного покрова (например, сведение лесов в тропиках).

Воздушное лазерное сканирование местности позволяет получать данные о реальной поверхности земли, исключая искажения от лесных массивов, строении и т. д., также позволяет выявлять неглубоко расположенные археологические объекты культурного слоя^[40]^[41]^[42]. К примеру, таким образом были обнаружены руины бывших обширных жилых кварталов в джунглях вокруг храма Ангкор-Ват, занимающие более 1 000 км²^[43].

Строительство и горное дело

«Строительный» лидар, предназначенный для дистанционных трёхмерных обмеров зданий. Видны вращающаяся головка, обеспечивающая сканирование по горизонтали, и наклонное зеркало, сканирующее в вертикальной плоскости

Лидары, сканирующие неподвижные объекты (здания, городской ландшафт, открытые горные выработки), относительно дёшевы: так как объект неподвижен, то особого быстродействия от системы обработки сигнала не требуется, а сам цикл обмера может занимать достаточно долгое время (минуты). Так же, как в своё время падала стоимость лазерных дальномеров и уровней, применяемых в строительстве, следует ожидать дальнейшего снижения цен на строительные и горные лидары, — падение цен ограничено лишь стоимостью прецизионной сканирующей оптики. Типичные отрасли применения:

Маркшейдерское дело — обмеры открытых горных выработок, построение трёхмерных моделей подземных горных пластов (в том числе в связке с сейсмографическими инструментами).

Строительство — обмеры зданий, контроль отклонения плоскостей стен и несущих колонн от вертикали (в том числе в динамике), анализ вибраций стен и остекления. Обмеры котлованов, создание трёхмерных моделей стройплощадок для оценки объёмов земляных работ.

Архитектура — построение трёхмерных моделей городской среды для оценки влияния предлагаемых новостроек на облик города.

Морские технологии

Измерение глубины моря. Для этой задачи используется дифференциальный лидар авиационного базирования. Красные волны почти полностью отражаются поверхностью моря, тогда как зелёные частично проникают в воду, рассеиваются в ней, и отражаются от морского дна. Технология пока не применяется в гражданской гидрографии из-за высокой погрешности измерений и малого диапазона измеряемых глубин.

Поиск рыбы. Аналогичными средствами можно обнаруживать признаки косяков рыбы в приповерхностных слоях воды. Специалисты американской государственной лаборатории ESRL утверждают, что поиск рыбы лёгкими самолётами, оборудованных лидарами, как минимум на порядок дешевле, чем с судов, оборудованных эхолотами.^[44]

Спасение людей на море. В 1999 ВМС США запатентовали конструкцию авиационного лидара, применимого для поиска людей и человеческих тел на поверхности моря;^[45] принципиальная новизна этой разработки — в применении оптического маскирования отражённого сигнала, снижающего влияние помех.

Разминирование. Обнаружение мин возможно с помощью лидаров, непосредственно погруженных в воду (например, с буя, буксируемого катером или вертолётом), однако не имеет особых преимуществ по сравнению с активными акустическими системами (сонарами). Запатентованы средства обнаружения мин в приповерхностных слоях воды с помощью бортовых авиационных лидаров, эффективность таких лидаров не известна.

Системы подводного зрения. У истоков подводного применения лидаров на море стояла корпорация Kaman, запатентовавшая работоспособную технологию в 1989 году^[46]. Интенсивное (по сравнению с воздушной средой) рассеивание света в воде долгое время ограничивало действие подводных лидаров десятками метров. Импульс лазера способен «пробить» и большие расстояния, но при этом полезный отражённый сигнал оказывается неразличим на фоне паразитной засветки. Kaman преодолела эту проблему с помощью электронных затворов, открывавших оптический путь к CCD-приёмнику только на короткий период ожидаемого отклика. Кроме этого, само изображение цели формировалось методом «вычитания тени», существенно повышавшим радиус действия системы. Kaman применяет метод короткого временного окна и к авиационным системам; в них момент открытия оптического канала задаётся высотомером самолёта-носителя.^[47]

В последующие годы Kaman развивало тему лидаров как в направлении повышения радиуса действия и надёжности распознавания образов, так и части новых областей применения. Например, в 1999 запатентовано использование лидаров для установления скоростной подводной связи с беспилотными подводными аппаратами (управляемыми торпедами) по оптическому каналу.^[48] В 1992 были предложены индивидуальные лидары для водолазов и аквалангистов.^[49] Вероятно, что существенный пласт военно-морских разработок остаётся неизвестным широкой публике.

На транспорте

Определение скорости транспортных средств. В Австралии простейшие лидары используются для определения скорости автомобилей — так же, как и полицейские радары. Оптический «радар» существенно компактнее традиционного, однако менее надёжен в определении скорости современных легковых автомобилей: отражения от наклонных плоскостей сложной формы «запутывают» лидар.

Системы активной безопасности.

Информация в этом разделе устарела.

Вы можете помочь проекту, обновив его и убрав после этого данный шаблон.

«Люстра» из пяти сканирующих лидаров на крыше Stanley — беспилотного автомобиля, победителя DARPA Grand Challenge 2005 года

Беспилотные транспортные средства. В 1987—1995 годах в ходе проекта EUREKA Prometheus, стоившего Европейскому союзу более 1 млрд долларов, были выработаны первые практические разработки беспилотных автомобилей. Наиболее известны прототип, VaMP (разработчик — Университет бундесвера в Мюнхене) не использовал лидары из-за недостатка вычислительной мощности тогдашних процессоров. Новейшая их разработка, MuCAR-3 (2006), использует единственный лидар кругового обзора, поднятый высоко над крышей машины, наравне с направленной мультифокальной камерой обзора вперёд и инерциальной навигационной системой.^[50] Лидар MuCAR-3 используется подсистемой выбора оптимальной траектории на пересечённой местности, он даёт угловое разрешение в 0,01° при динамическом диапазоне оптического приёмника 1:10⁶, что даёт эффективный радиус обзора 120 м. Для достижения приемлемой скорости сканирования используется пучок из 64 расходящихся лазерных лучей, поэтому один полный «кадр» требует единственного оборота вращающегося зеркала.^[50]

С 2003 года правительство США через агентство передовых военных разработок DARPA финансирует разработку и соревнование автомобилей-роботов. Ежегодно проводятся гонки DARPA Grand Challenge; в гонке 2005 года победила машина из Стэнфорда, в основе системы зрения которой — пять лидаров направленного обзора.

Приспособление от Apple с названием Project Titan для портирования функции автопилота на любой автомобиль было замечено на улицах в октябре 2017. Для тестирования автопилота Apple выбрала автомобиль Lexus RX. На его крышу установили устройство с радаром и 12 лидарами, которые помогают системе изучать окружение.

Системы автоматической стыковки. Канадская компания Optech разрабатывает и производит системы для автоматической стыковки на орбите, основанные на лидарах.^[51]

Промышленные и сервисные роботы

Системы машинного зрения ближнего радиуса действия для роботов, основанные на сканирующем лидаре IBM, формируют цилиндрическую развёртку с углом охвата горизонта 360° и вертикальным углом зрения до +30. .-30°. Собственно дальномер, установленный внутри сканирующей оптической головки, работает на постоянном излучении малой мощности, модулированном несущей частотой порядка 10 МГц. Расстояние до целей (при несущей 10 МГц — не более 15 м) пропорционально сдвигу фаз между опорным генератором, модулирующим источник света, и ответным сигналом. Лидар IBМ использует простой аналоговый фазовый дискриминатор непрерывного действия и имеет высокую угловую разрешающую способность, на практике ограниченную только быстродействием процессора, обрабатывающего трёхмерную «картинку» лидара, и системы автоматического регулирования уровня сигнала на выходе приёмника (быстрые АРУ вносят в принимаемый сигнал фазовые искажения, медленные — сужают динамический диапазон). В 1990—1994 подобные лидары испытывались в сервисных роботах Джозефа Энгельбергера,^[52] однако от использования лидара в серийных изделиях тогда отказались в пользу дешёвых ультразвуковых датчиков.

Разные варианты расшифровки акронима LIDAR

Laser Induced Differential Absorption Radar (ACAE)
Laser Induced Direction and Range System (BAJR)
LASER Infrared RADAR (IEEE)
LASER Intensity Direction and Ranging (IEEE)
Light Detection and Range (SAUO)
Light Detection and Ranging
Light Detection and Ranging Instrument (SAUO)
Light Intensity Detection and Ranging (NOAA)

См. также

Примечания

↑ Middleton, W. E. K, and Spilhaus, A. F., Meteorological instruments, University of Toronto, 3rd ed. 1953
↑ ¹ ² Англ. Американское метеорологическое общество. Музей лидаров (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 27 декабря 2007. Архивировано 27 апреля 2017 года.
↑ Marcus, I. R., Rangemeter for XM23 Rangefinder, U. S. DoD report of 17/02/1964,
↑ См., например, Deitz, Paul H., Atmospheric Effects on the Beam Propagation of the XM-23 Laser Rangefinder, Laser Range Instrumentation, SPIE Proceedings Vol. 11. Bellingham, WA: Society for Photo-Optical Instrumentation Engineers, 1967., p.35
↑ R. T. H. Collis, Lidar: A new atmospheric probe, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Volume 92, Issue 392, Pages 220—230, 1966
↑ Apollo Laser Ranging Experiments Yield Results. From LPI Bulletin, No. 72, NASA, August, 1994 [1]
↑ Lunar Geophysics, Geodesy, and Dynamics by James Williams Jean Dickey in 13th International Workshop on Laser Ranging, October 7-11, 2002, Washington, D. C.
↑ Практическая и теоретическая сторона разработок 1980-х годов зафиксирована в: Jean Rueger. Electronic Distance Measurement: An Introduction, Springer, 1990, 4th edition 1996, ISBN 978-3-540-61159-2
↑ Басов Н. Г., Кокурин Ю. Л. Лазерная локация Луны // Наука и человечество, 1986. — М.: Знание, 1986. — С. 262—277.
↑ Георгиев Н. И., Нойберт Р., Татевян С. К., Хайретдинов К. А. Лазерные спутниковые дальномеры // Наука и человечество, 1989. — М.: Знание, 1989. — С. 314—327.
↑ Таисия Филиппова. Точки в пространстве (неопр.). nplus1.ru. Дата обращения: 22 января 2019.
↑ Датчик высоты облаков ДВО-2 (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 3 мая 2013. Архивировано 5 марта 2016 года.
↑ Датчик облаков лазерный ДОЛ-2
↑ Облакомеры (рус.). www.lsystems.ru. Дата обращения: 20 августа 2018.
↑ Измерители высоты облаков CL31
↑ Измеритель дальности видимости ФИ-3
↑ Трансмиссометры LT31
↑ Laser Doppler Velocimetry Applied to the Measurement of Local and Global Wind, J. M Vaughan and P. A. Forrester, Wind Engineering, Vol. 13 No. 1 1989
↑ U.S. Patent 5 724 125
↑ U.S. Patent 6 634 600
↑ Захаров В. М. Метеорологическая лазерная локация / В. М. Захаров, О. К. Костко. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1977. — 222 с.
↑ ¹ ² ³ ⁴ Зуев В. Е. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы / В. Е. Зуев, В. В. Зуев. — СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. — 232 с.
↑ Кащеев Б. Л. Дистанционные методы и средства исследования процессов в атмосфере Земли / Под общ. ред. Б. Л. Кащеева, Е. Г. Прошкина, М. Ф. Лагутина. — Харьков: Харьк. нац. ун-т радиоэлектроники; Бизнес Информ, 2002. — 426 с.
↑ Lidar measurements taken with a large-aperture liquid mirror. 2. Sodium resonance-fluorescence system / P.S. Argall, O. N. Vassiliev, R. J. Sica, and et al// Applied Optics. — 2000. — Vol. 39, No. 15. — P. 2393—2400.
↑ ¹ ² Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э. Д. Хинкли. — М.: Мир, 1979. — 416 с.
↑ Behrendt A. Combined temperature lidar for measurements in the troposphere, stratosphere, and mesosphere / A. Behrendt, T. Nakamura, T. Tsuda // Applied optics. — 2004. — Vol. 43, No 14. — P. 2930—2939.
↑ Lidar: range-resolved optical remote sensing of the atmosphere series, Springer series in optical sciences, vol. 102 / C. Weitkamp (Ed.). — New York: Springer, 2005. — 460 p.
↑ Behrendt A. Combined Raman lidar for the measurement of atmospheric temperature, water vapor, particle extinction coefficient, and particle backscatter coefficient // Applied Optics. — 2002. — Vol. 41, No 36. — P. 7657 — 7666.
↑ U.S. Patent 7 281 891
↑ U.S. Patent 4 893 026
↑ U.S. Patent 7 164 468
↑ NASA, октябрь 1994
↑ NASA, официальный сайт программы LITE
↑ NASA, официальный сайт программы LITE, карта наземных партнёров
↑ ADM-Aeolus
↑ Официальный сайт центра береговых работ NOAA (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 30 декабря 2007. Архивировано 14 декабря 2007 года.
↑ USGS, база данных лидарной топосъёмки
↑ USGS, национальная база данных высот по США (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 10 марта 2006. Архивировано 10 марта 2006 года.
↑ Blakely, R.J., Wells, R.E., and Weaver, C.S., 1999, Puget Sound aeromagnetic maps and data, U.S. Geological Survey Open-File Report 99—514, [2] Архивная копия от 20 декабря 2007 на Wayback Machine
↑ Технологии лазерного сканирования Земли открывают новые возможности / Статья от 02.02.2015 г. на innotechnews.com.
↑ Воздушное лазерное сканирование и цифровая аэрофотосъёмка / Статья на «АртГео».
↑ Лазерные снимки раскрывают ужасы Перовой мировой войны / Фоторепортаж на news.mail.ru.
↑ Затерянный храм в джунглях Ангкор-Ват — Камбоджа / Документальный фильм «Discovery Channel» из серии «Взрывая историю» (на видео 12:05 — 16:10 минуты).
↑ Сайт ESRL (англ.)
↑ U.S. Patent 5 989 087
↑ U.S. Patent 4 862 257
↑ U.S. Patent 4 964 721
↑ U.S. Patent 5 442 358
↑ U.S. Patent 5 353 054
↑ ¹ ² The Cognitive Autonomous Vehicles of UniBwM: VaMors, VaMP, MuCAR-3 (недоступная ссылка) // Universitaet der Bundeswehr Muenchen 2004
↑ Optech, официальный сайт (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 30 декабря 2007. Архивировано 13 октября 2006 года.
↑ Status report, Advanced Technology Program, National Institute of Standards and Technologies, 1995 [3] Архивная копия от 7 декабря 2008 на Wayback Machine [4] Архивная копия от 16 сентября 2008 на Wayback Machine

Будущее лидарных технологий

Доктор Андреас Ульрих

Технический директор компании RIEGL

Технический директор компании RIEGL, доктор Андреас Ульрих о лидарах с оцифровкой формы сигнала, однофотонных и гейгеровский лидарах в интервью главному редактору проекта SPAR 3D Шону Хиггинсу.

Андреас Ульрих доктор наук в области электротехники Венского технологического университета и автор диссертации на тему «Высокое разрешение оптического доплеровский радиолокатора» (1987-1990). С 2001 года он читает лекции по радиолокации в Венском технологическом университете. С 2006 года является техническим директором компании RIEGL.

SPAR 3D выпустил обзор, посвященный будущему воздушных лазерных сканеров. Сотрудники SPAR 3D опросили ряд экспертов в области лазерного сканирования, задав им вопрос «Каково, по вашему мнению, будущее однофотонных и гейгеровских лидаров? Что из этого является рекламной шумихой, а что нет?». В этом обзоре большинство опрошенных специалистов сошлось во мнении, что данные технологии окажут мощное воздействие на рынок лазерного сканирования, но тем не менее, очень важно отметить, что «классические», или «обычные» лидары все еще обладают существенными преимуществами. Поскольку в данном обзоре очень поверхностно упомянули об этих преимуществах, SPAR 3D опубликовал в полном объеме интервью с техническим директором RIEGL доктором Андреасом Ульрихом. Его ответы дают исчерпывающее объяснение ценности технологии анализа полной формы сигнала и позволяют понять причины, по которым компания RIEGL продолжает развивать эту технологию.

Шон Хиггинс: В чем состоят сильные стороны технологий, сравниваемых с «линейным» лидаром?

Доктор Андреас Ульрих: Использование термина «линейный» относится к более старым методам обработки аналогового сигнала лазерного отражения, а не к более совершенному цифровому режиму обработки лидаров Riegl с оцифровкой формы сигнала. Запатентованные решения по оцифровке полной формы сигнала от Riegl отличаются от указанных «линейных» лидаров очень существенно. С технической точки зрения, разница состоит в том, что анализ сигнала, поступившего с приемного элемента лидара (фотодетектора) выполняется более точно, более детально и с получением атрибутивных характеристик отражения. Лидары с оцифровкой полной формы сигнала (далее по тексту — ОПФС) обладают необычайной точностью, поскольку эта технология позволяет очень точно определить дальность, у них низкий пространственный «шум», они позволяют получать большое количество отражений от одного импульса, определять форму каждого сигнала и извлекать из нее информацию об объекте, от которого он отразился, а также позволяют выполнять несложную радиометрическую калибровку.

Теоретически однофотонные и гейгер-лидары обладают большим потенциалом по скорости сбора точек отражений, однако при этом теряется как пространственная точность, так и информация об интенсивности сигнала. Радикальное увеличение количества полученных в секунду точек отражений у гейгеровского и однофотонного лидаров может на первый взгляд ввести в эйфорию. Тем не менее, недостаток пространственной точности и полная потеря атрибутивной информации, которая могла бы содержаться в точках лазерных отражений в конечном итоге приводит не к улучшению, а к ухудшению результата. Мы же ведь все хотим, чтобы наши карты в итоге становились все более точными, но никак не менее. Рост рынка лазерного сканирования всегда базировался на том, чтобы получать все более информативные и точные данные за меньшую цену.

Меньшая стоимость получения данных и более высокая эффективность картографирования территорий – вот основные преимущества, которые обычно навязчиво предлагаются потенциальным пользователям. Теоретическое увеличение скорости сканирования полностью разбивается о реальность – например, для сверхбыстрой работы гейгер-лидара требуются только ясные дни и прекрасные погодные условия. Получение данных – это лишь один из компонентов эффективности: данные также нужно обработать и поставить заказчику. Проблемы, возникающие на этих этапах использования «новых» технологий, полностью обесценивают преимущества прироста скорости.

Шон Хиггинс: В чем состоят основные недостатки новых технологий в сравнении с лидарами с оцифровкой полной формы сигнала?

Доктор Андреас Ульрих: Точки, создаваемые при работе однофотонных и гейгер-лидаров являются полностью синтетическими и не наследуют свойства объектов, от которых они отразились. По ним нельзя определить, отразились ли они от одного или нескольких объектов, или вообще были получены за счет интерполяции или ресэмлинга. Это – критический недостаток гейгер-лидаров. Прочие недостатки — отсутствие данных об интенсивности отраженного сигнала, неспособность пробить даже редкую растительность, а также невозможность регистрации нескольких отражений от одного импульса.

Однофотонные лидары — по сравнению с гейгер-лидарами – более чувствительны к множественным отражениям. Теоретически, они могут проводить измерения на всех типах объектов – от проводов до грунта под кронами деревьев. Однако, как показали эксперименты, проведенные USGS (Геологическая служба США) и представленные на конференции ILMF в 2016 году, точность определения дальности у подобных систем значительно хуже, чем у систем с ОПФС-лидарами. Причина кроется в некорректной обработке сигнала. Ошибки определения дальности на уровне более 50 см сплошь и рядом возникают на объектах с изменяющимися размерами и отражательной способностью.

Классические лидары работают на очень разных длинах волн – 532 нм (зеленый), 1000 нм (ближний ИК), 1550 нм (средний ИК) и далее в сторону теплового диапазона; это позволяет реализовать концепцию многозонального лидара, что позволяет получать, к примеру, данные о состоянии леса. Однофотонные лидары на данном этапе работают только в видимом диапазоне, и в обозримом будущем здесь ничего не поменяется.

Шон Хиггинс: Могут ли новые технологии однажды заменить обычные технологии лазерного сканирования (вроде лидаров с оцифровкой полной формы сигнала)? Почему да или почему нет?

Доктор Андреас Ульрих: Это наиболее актуальный вопрос, занимающий умы тех, кто занят сейчас в отрасли лазерного сканирования: заменят ли эти технологии то, что сейчас принято называть лидаром. Мой ответ – нет. Оба новых варианта лидаров являются мощными инструментами тогда, когда их применяют в правильных ситуациях. Гейгер-лидар уже сейчас является наилучшим методом для быстрого получения цифровой модели рельефа в пустынных регионах или в районах боевых действий, где очень нужно оставаться вне зоны поражения ракетами ПЗРК, особенно если дело происходит в чистой атмосфере и на территории нет растительности.

В районах, покрытых растительностью, сканер с оцифровкой полной формы сигнала показывает превосходные результаты по части проникновения. Сканеры с оцифровкой полной формы сигнала позволяют дешифрировать по форме сигнала точек множество типов объектов, а не только точки, используемые для построения поверхностей, в том числе столбы, провода, сетки, и прочие мелко детальные объекты. Сканер с оцифровкой полной формы сигнала является наилучшей технологией при решении огромного количества задач, и останется таковым – при этом непрерывно эволюционируя и повышая скорость работы, и при этом еще и оставаясь непревзойденным в части точности. Сканеры с оцифровкой полной формы сигнала компании RIEGL обеспечивают скорость обработки данных лазерного сканирования, близкую к реальному времени. Это открывает новые возможности по применению данной технологии при решении задач по быстрому реагированию при спасательных операциях. Все это RIEGL уже сейчас демонстрирует в лице новейшего решения – воздушной лазерной сканирующей системы RIEGL VQ-1560i, которая позволяет снимать по 450 км²в час при плотности 8 точек на 1 м² и это все в сочетании с наибольшей скоростью обработки данных и очень высоким качеством этих данных, которое уже привычно для пользователей.

Шон Хиггинс: Являются ли однофотонные и гейгер-лидары зрелыми технологиями? Считаете ли вы, что им следует продолжить развитие, чтобы полностью раскрыть их потенциал?

Доктор Андреас Ульрих: Однофотонный лидар по существу является обычным «линейным» лидаром, основанным на использовании фотоумножителей; гейгер-лидар – в целом не «линейный» — все это отнюдь не новые технологии. Тем не менее, примение эти технологические решения при коммерческой съемке является новым. Согласно заявлениям создателей однофотонного лидара (на ILMF-2016) технология нуждается в улучшении и будет совершенствоваться посредством добавления данных об амплитуде принятого эхо-сигнала. Это было впервые применено в лазерном сканировании много лет назад – когда первые атрибутивные характеристики точки лазерного отражения описывались в виде 8-битного значения интенсивности. Так что в этом отношении технология однофотонного лидара еще очень незрелая.

У гейгер-лидаров длинная история в военном сегменте, там уже было использовано и применено огромное множество всяческих оптимизаций. Тем не менее, обмануть законы физики не удалось. Одно из фундаментальных ограничений – недостаточная способность детектора гейгер-лидара достаточно быстро восстановиться после срабатывания для того, чтобы отловить какие-либо дополнительные сведения об отражениях. Другое ограничение – он никогда не сможет обеспечить оценку истинной мощности отраженного сигнала, что является критичным для компенсации ухода момента регистрации отраженного импульса и не позволяет улучшить точность измерения дальности.

Шон Хиггинс: Есть ли у компании RIEGL планы по производству лидаров, основанных на технологиях однофотонных или гейгер-лидаров?

Доктор Андреас Ульрих: Как я уже говорил, мы считаем ОФПС-лидары Riegl превосходной технологией. ОФПС-лидар необычайно точен, поскольку обеспечивает высочайшую точность измерения дальности, низкую пространственную «шумность» данных, обладает возможностью регистрации очень большого количества отраженных от одного импульса сигналов, дает массу характеристик формы отраженного сигнала для каждой точки, и позволяет произвести радиометрическую калибровку для каждой точки. Наши пользователи выстраивают свои бизнес-модели, рассчитывая на высокое качество данных и возможность использования атрибутивных характеристик точек, которые они получают с наших лидаров. Все прочие технологии, которые мы здесь обсуждали, не могут обеспечить вышеуказанных характеристик. Поэтому мы будем продолжать совершенствовать именно технологию лидаров с оцифровкой полной формы сигнала.

Что такое LiDAR и как он работает?

Беспилотные автомобили, которые были одной из самых больших технологических фантазий 1990-х годов (подпитывались более ранними фильмами, такими как «Любовная ошибка» и «Человек-подрывник»), стали реальностью сегодня благодаря огромному прогрессу, достигнутому в нескольких технологиях, особенно LIDAR .

Что такое LiDAR?

LIDAR (обозначает Light Detection and Ranging ) — это технология определения дальности, которая измеряет расстояние до объекта, направляя лучи света на объект и использующая время и длину волны отраженного луча света для оценки расстояния и в некоторых приложениях (лазерная обработка изображений) создайте трехмерное представление объекта.

Хотя идея лазера восходит к работе Э. Х. Синджа в 1930 году, этого не было до начала 1960-х годов, после изобретения лазера. По сути, комбинация лазерно-сфокусированной визуализации с возможностью вычисления расстояний с использованием метода времени пролета, она нашла свое самое раннее применение в метеорологии, где она использовалась для измерения облаков, и в космосе, где лазерный высотомер использовался для картографирования поверхность Луны во время миссии Apollo 15. С тех пор технология улучшилась и использовалась в различных приложениях, включая: обнаружение сейсмической активности, океанография, археология и навигация и многие другие.

Как работает LiDAR

Технология очень похожа на технологию RADAR (радиоволновая навигация, используемая кораблями и самолетами) и SONAR (обнаружение подводных объектов и навигация с использованием звука, в основном используется на подводных лодках), которые используют принцип отражения волн для обнаружения объектов и оценка расстояния. Однако, в то время как РАДАР основан на радиоволнах, а СОНАР основан на звуках, ЛИДАР основан на световых лучах (лазер).

LIDAR использует свет с разными длинами волн, в том числе; ультрафиолетовый, видимый или ближний инфракрасный свет для изображения объектов и, как таковой, способен обнаруживать все виды составов материалов, включая; неметаллы, камни, дождь, химические соединения, аэрозоли, облака и даже отдельные молекулы.Системы LIDAR могут выдавать до 1 000 000 световых импульсов в секунду и использовать время, необходимое для отражения импульсов обратно в сканер, для определения расстояния, на котором находятся объекты и поверхности вокруг сканера. Метод, используемый для определения расстояния, известен как время полета, и его уравнение приведено ниже.

  Расстояние = (Скорость света x Время полета) / 2

В большинстве приложений, кроме удаленных измерений, создается трехмерная карта окружающей среды / объекта, на которые был направлен световой луч.Это осуществляется путем непрерывного воздействия лазерного луча на объект или окружающую среду.

Важно отметить, что в отличие от отражения зеркального типа, достигаемого в плоских зеркалах, отражение , наблюдаемое в системах LIDAR, является отражением назад, поскольку световые волны рассеиваются обратно в том направлении, в котором они пришли. В зависимости от приложения в лидарных системах используются различные варианты обратного рассеяния, включая рэлеевское и рамановское рассеяние,

Компоненты лидарной системы

ЛИДАР-система обычно состоит из 5 элементов, которые, как ожидается, будут присутствовать независимо от вариантов применения.Эти основные компоненты включают:

Лазер
Сканеры и оптика
Процессор
Электроника точного времени
Блок инерциальных измерений и GPS

1. Лазер

Лазер служит источником энергии для световых импульсов. Длина волны лазера, используемого в системах LIDAR, отличается от одного приложения к другому из-за специфических требований определенных приложений.Например, в бортовых LiDAR системах используются лазеры YAG с диодной накачкой 1064 нм, в то время как в батиметрических системах используются лазеры YAG с двойной диодной накачкой 532 нм, которые проникают в воду (до 40 метров) с гораздо меньшим затуханием, чем бортовая версия 1064 нм. Однако, независимо от области применения, используемые лазеры обычно имеют низкую энергию для обеспечения безопасности.

2. Сканер и оптика

Сканеры

— важная часть любой системы LIDAR. Они отвечают за проецирование лазерных импульсов на поверхности и прием отраженных от поверхности импульсов.Скорость, с которой изображения формируются системой LIDAR, зависит от скорости, с которой сканеры улавливают отраженные лучи. Независимо от области применения оптика, используемая в системе LIDAR, должна иметь высокую точность и качество, чтобы получить наилучшие результаты, особенно при картографировании. Тип линз, конкретный выбор стекла, а также используемые оптические покрытия являются основными факторами, определяющими разрешение и дальность действия лидара.

В зависимости от приложения для разных разрешений можно использовать различные методы сканирования.Сканирование по азимуту и углу места, а также сканирование по двум осям — одни из самых популярных методов сканирования.

3. Процессоры

Процессор большой емкости обычно лежит в основе любой системы LIDAR. Он используется для синхронизации и координации действий всех отдельных компонентов системы LIDAR, гарантируя, что все компоненты работают, когда должны. Процессор объединяет данные со сканера, таймера (если он не встроен в подсистему обработки), GPS и IMU для получения данных точек LIDAR.Эти данные о точках высот затем используются для создания карт в зависимости от приложения. В беспилотных автомобилях данные точек используются для создания карты окружающей среды в режиме реального времени, чтобы помочь автомобилям избегать препятствий и осуществлять общую навигацию.

При движении света со скоростью около 0,3 метра в наносекунду и тысячах лучей, обычно отражающихся обратно в сканер, обычно требуется, чтобы процессор имел высокую скорость и возможности обработки. Таким образом, развитие вычислительной мощности вычислительных элементов стало одним из основных драйверов технологии LIDAR.

4. Электроника времени

Точное время имеет важное значение в системах LIDAR, так как вся операция строится вовремя. Электроника времени представляет собой подсистему LIDAR, которая регистрирует точное время выхода лазерного импульса и точное время его возвращения в сканер.

Невозможно переоценить точность и аккуратность. Из-за рассеянного отражения отправляемые импульсы обычно имеют несколько возвратов, каждый из которых должен быть точно синхронизирован для обеспечения точности данных.

5. Блок инерциальных измерений и GPS

Когда датчик LiDAR установлен на мобильной платформе, такой как спутники, самолеты или автомобили, необходимо определить абсолютное положение и ориентацию датчика, чтобы сохранить полезные данные. Это достигается за счет использования инерциальной системы измерения (IMU) и глобальной системы позиционирования (GPS). IMU обычно состоит из акселерометра, гироскопа и магнитометра для измерения скорости, ориентации и гравитационных сил, которые в совокупности используются для определения угловой ориентации (тангажа, крена и рыскания) сканера относительно земли.GPS, с другой стороны, предоставляет точную географическую информацию о положении датчика, что позволяет осуществлять прямую географическую привязку точек объекта. Эти два компонента обеспечивают метод преобразования данных датчиков в статические точки для использования в различных системах.

Дополнительная информация, полученная с помощью GPS и IMU, имеет решающее значение для целостности полученных данных и помогает обеспечить правильную оценку расстояния до поверхностей, особенно в мобильных приложениях LIDAR, таких как автономные транспортные средства и системы воображения на основе Air Plane.

Типы LiDAR

Хотя системы LIDAR можно классифицировать по типам на основе большого количества факторов, существует три основных типа систем LIDAR, которые:

Дальномер LIDAR
Дифференциальное поглощение LIDAR
Допплеровский лидар

1. Дальномер LIDAR

Это простейшие лидарные системы. Они используются для определения расстояния от сканера LIDAR до объекта или поверхности.Используя принцип времени пролета, описанный в разделе «Как это работает», время, необходимое для того, чтобы отраженный луч попал в сканер, используется для определения расстояния между системой LIDAR и объектом.

2. ЛИДАР дифференциального поглощения

Дифференциальная абсорбционная система LIDAR (иногда называемая DIAL) обычно используется для исследования присутствия определенных молекул или материалов. Системы DIAL обычно испускают лазерные лучи с двумя длинами волн, которые выбираются таким образом, что одна из длин волн будет поглощаться интересующей молекулой, а другая длина волны — нет.Поглощение одного из лучей приводит к разнице (дифференциальное поглощение) в интенсивности отраженных лучей, принимаемых сканером. Эта разница затем используется для определения уровня присутствия исследуемой молекулы. DIAL использовался для измерения концентраций химических веществ (таких как озон, водяной пар, загрязняющие вещества) в атмосфере.

3. Допплеровский лидар

Doppler LiDAR используется для измерения скорости цели. Когда световые лучи, испускаемые лидаром, попадают в цель, движущуюся к лидару или от него, длина волны света, отраженного / рассеянного от цели, будет немного изменяться.Это известно как доплеровский сдвиг — в результате доплеровский LiDAR. Если цель удаляется от LiDAR, обратный свет будет иметь более длинную волну (иногда называемый красным смещением), если он движется к LiDAR, обратный свет будет иметь более короткую длину волны (с синим смещением).

Некоторые из других классификаций, по которым системы LIDAR сгруппированы по типам, включают:

Платформа
Тип обратного рассеяния

Типы лидара на базе платформы

Используя платформу в качестве критерия, системы LIDAR можно разделить на четыре типа, включая:

Наземный лидар
Бортовой ЛИДАР
ЛИДАР космического базирования
ЛИДАР движения

Эти лидары различаются по конструкции, материалам, длине волны, внешнему виду и другим факторам, которые обычно выбираются в зависимости от того, что работает в среде, для которой они будут развернуты.

Типы лидаров в зависимости от типа обратного рассеяния

При описании того, как работают системы LIDAR, я упомянул, что отражение в LIDAR происходит через обратное рассеяние. Различные типы выходов обратного рассеяния и их иногда используют для описания типа лидаров. Типы обратного рассеяния включают:

Mie
Рэлей
Раман
Флуоресценция

Применение LiDAR

Благодаря своей исключительной точности и гибкости LIDAR находит широкое применение, в частности, для создания карт высокого разрешения.Помимо геодезии, LIDAR использовался в сельском хозяйстве, археологии и в роботах, поскольку в настоящее время он является одним из основных факторов гонки автономных транспортных средств, будучи основным датчиком, используемым в большинстве транспортных средств с системой LIDAR, выполняющей роль, аналогичную роли глаза на автомобили.

Есть сотни других приложений LiDAR, и мы постараемся упомянуть как можно больше ниже.

Автономные автомобили
3D-изображения
Земельная служба
Проверка линии электропередачи
Управление туризмом и парками
Экологическая оценка защиты леса
Моделирование наводнений
Экологическая классификация и классификация земель
Моделирование загрязнения
Разведка нефти и газа
Метеорология
Океанография
Все виды военного применения
Планирование сотовой сети
Астрономия

Ограничения LiDAR

LIDAR, как и любая другая технология, имеет свои недостатки.Диапазон и точность систем LIDAR сильно страдают в плохих погодных условиях . Например, в условиях тумана генерируется значительное количество ложных сигналов из-за того, что лучи отражаются туманом. Обычно это приводит к эффекту рассеяния света, и поэтому большая часть выпущенного луча не возвращается обратно в сканер. Аналогичное явление происходит с дождем, поскольку частицы дождя вызывают ложные отражения.

Помимо погоды, системы LIDAR можно обмануть (намеренно или непреднамеренно), заставив думать, что объект существует, мигая на нем «огнями».Согласно статье , опубликованной в 2015 году, мигание простой лазерной указки в системе LIDAR, установленной на автономных транспортных средствах, может дезориентировать навигационные системы транспортного средства, создавая впечатление существования объекта там, где его нет. Этот недостаток, особенно при применении лазеров в автомобилях без водителя, вызывает множество проблем с безопасностью, поскольку угонщикам не потребуется много времени, чтобы усовершенствовать принцип для использования в атаках. Это также могло привести к авариям с автомобилями, внезапно останавливающимися посреди дороги, если они почувствовали то, что они считали другой машиной или пешеходом.

Преимущества и недостатки LiDAR

Чтобы завершить эту статью, мы, вероятно, должны рассмотреть причины, по которым ваш LIDAR может хорошо подходить для вашего проекта, и причины, по которым вам, вероятно, следует избегать его.

Преимущества

1. Высокая скорость и точность сбора данных

2. Высокое проникновение

3. Не зависит от интенсивности света в окружающей среде и может использоваться ночью или на солнце.

4.Визуализация с высоким разрешением по сравнению с другими методами.

5. Отсутствие геометрических искажений

6. Легко интегрируется с другими методами сбора данных.

7. LIDAR имеет минимальную зависимость от человека, что хорошо в некоторых приложениях, где человеческий фактор может повлиять на надежность данных.

Недостатки

1. Стоимость LIDAR делает его чрезмерным для некоторых проектов. Лидар лучше всего описать как относительно дорогой.

2.Системы LIDAR плохо работают в условиях сильного дождя, тумана или снега.

3. Системы LIDAR генерируют большие наборы данных, для обработки которых требуются большие вычислительные ресурсы.

4. Ненадежен в условиях турбулентной воды.

5. В зависимости от принятой длины волны характеристики систем LIDAR ограничены высотой, поскольку импульсы, выдаваемые в некоторых типах LIDAR, становятся неэффективными на определенных высотах.

ЛИДАР для любителей и творцов

Из-за стоимости лидаров большинство имеющихся на рынке систем LIDAR (например, велодинные лидары) используются в промышленных приложениях (чтобы объединить все приложения, не предназначенные для любителей).

Самыми близкими к лидарным системам «любительского уровня», доступным на данный момент, являются твердотельные датчики LiDAR iLidar , разработанные Hybo . Это небольшая система LiDAR, способная создавать 3D-карты (без вращения датчика) с максимальной эффективной дальностью 6 метров. Датчик оснащен портом USB рядом с портом UART / SPI / i2C, через который может быть установлена связь между датчиком и микроконтроллером.

iLidar был разработан для всех, а особенности, связанные с LiDAR, делают его привлекательным для производителей.

лидар — Викисловарь

Английский [править]

Этимология [править]

Смесь световая + радар

Произношение [править]

Существительное [править]

лидар ( множественное число лидар )

Оптический аналог радара, использующий интенсивные импульсы лазерного света для измерения состава и структуры атмосферы.

Синонимы [править]

LIDAR (аббревиатура от «световое обнаружение и дальность»)

Связанные термины [править]

Переводы [править]

оптический аналог РЛС

См. Также [править]

Анаграммы [править]

Существительное [править]

лидар м ( множественное число лидары )

лидар

Галицкий [править]

Этимология [править]

От старогалисийского и старопортугальского lidar , от латинского lītigāre («оспаривать»), присутствует активный инфинитив от lītigō .Сравните Испанский lidiar . Дублет литератур , являющийся заимствованием.

Произношение [править]

Глагол [править]

лидар ( настоящее время в единственном числе от первого лица lido , претерит от первого лица единственного числа лидей , причастие прошедшего времени лидадо )

обрабатывать, обрабатывать
бороться, бороться
- 1370 , Р. Лоренцо (изд.), Crónica troiana . Ла-Корунья: Fundación Barrié, стр. 316:
  Et sabede que en todo o muro nõ ouuo y torre nẽ cubete nẽ arca hu algũ home podesse estar lidando en que nõ estouesse syna ou pendón de féuera cõ bandas d’ouro
  Вы должны знать, что во всей стене не было ни башни, ни башенки, ни ограды, где мужчина может сражаться и где не было знамени или знамя из ниток [шелка] и полос из золота
Синоним: loitar
для корриды
Синоним: tourear

Спряжение [править]

Сопряжение лидара

Связанные термины [править]

Ссылки [править]

«лидар» в Dicionario de Dicionarios do galego средневековый , SLI — ILGA 2006-2012.
«лидар» в Xavier Varela Barreiro и Xavier Gómez Guinovart: Corpus Xelmírez — Corpus lingüístico da Galicia средневековый . SLI / Grupo TALG / ILG, 2006-2016.
«лидар» в Dicionario de Dicionarios da lingua galega , SLI — ILGA 2006-2013.
«лидар» в Tesouro informatizado da lingua galega . Сантьяго: ILG.
«лидар» в Альваресе, Росарио (координатор): Tesouro do léxico patrimonial galego e portugués , Сантьяго-де-Компостела: Instituto da Lingua Galega.

португальский [править]

Этимология [править]

От старопортугальского lidar , lidear , от латинского lītigāre («оспаривать»), настоящий активный инфинитив от lītigō . Сравните испанский lidiar и итальянский litigare («ссориться»). Дублет лиги , являвшийся заимствованием.

Произношение [править]

Глагол [править]

лидар ( первого лица единственного числа в индикативном настоящем лидо , причастие прошедшего времени лидадо )

обрабатывать, обрабатывать
Синонимы: reagir, ocupar-se
Não sei como lidar com isso.
Я не знаю, как справиться с этим.
бороться, бороться
Синонимы: combater, lutar
для корриды
Синонимы: correr, tourear

Спряжение [править]

	Singular			Множественное число
Примечания : ^{[править]} Это правильный глагол группы -ar . Глаголы с этим спряжением включают: amar , cantar , gritar , marchar , mostrar , nadar , parar , Participar , retirar18 separar через через через .
	От первого лица (eu)	Второе лицо (tu)	От третьего лица (ele / ela / você)	От первого лица (нет)	Второе лицо (vós)	От третьего лица (eles / elas / voiceês)
Инфинитив
Безличный	лидар
Личный	лидар	лидаре	лидар	лидармос	лидард	лидарем
Герунд
	лидандо
Причастие прошедшего времени
Мужской	лидадо			лидадо
Женский	лидада			лидады
Ориентировочно
Настоящее время	lido	лидас	лида	лидамос	lidais	лидам
Несовершенный	лидава	лидавы	лидава	lidávamos	лид.	лидавам
претерит	lidei	lidaste	lidou	фотографии фотографии	лида	лидарам
Pluperfect	лидара	лидарас	лидара	лидарам	лидарей	лидарам
Будущее	лидарей	лидары	lidará	лидаремос	лидарей	lidarão

Image Sensors World: LiDARs в Китае

ResearchInChina публикует «Глобальный и китайский отраслевой отчет по производству автомобильных лидарей, 2017-2022 гг.»«Немного цитат:

» Мировой рынок автомобильных датчиков LiDAR составил 300 миллионов долларов США в 2017 году и, как ожидается, достигнет 1,4 миллиарда долларов в 2022 году и вырастет до 4,4 миллиарда долларов в 2027 году в результате широкомасштабного развертывания L4 / 5. частные автономные автомобили. Зрелые фирмы LiDAR в основном иностранные, такие как Valeo и Quanergy. Крупнейшими компаниями, которые установили LiDAR на прототипы тестовых автомобилей для автономного вождения, являются Velodyne, Ibeo, Luminar, Valeo и SICK.

Китайские LiDAR-компании отстают от основных зарубежных аналогов по срокам основания и технологиям.LiDAR в первую очередь применяются для автономных транспортных средств логистики (JD и Cainiao) и тестовых автомобилей с автономным управлением (беспилотные автомобили Пекинского унионного университета и Moovita). Baidu запустила Pandora (разработанная совместно с Hesai Technologies), датчик, объединяющий LiDAR и камеру, в своем аппаратном решении Apollo 2.5.

Согласно планам ADAS и автономного вождения основных производителей комплектного оборудования, большинство из них выпустят модели SAE L3 примерно в 2020 году. Зарубежные производители оборудования: PAS SAE L3 (2020), Honda SAE L3 (2020), GM SAE L4 (2021+), Mercedes Benz SAE L3 (Mercedes Benz нового поколения S в 2021 году), BMW SAE L3 (2021 год).Отечественные производители оригинального оборудования: SAIC SAE L3 (2018-2020), FAW SAE L3 (2020), Changan SAE L3 (2020), Great Wall SAE L3 (2020), Geely SAE L3 (2020) и GAC SAE L3 (2020). Ожидается, что модели L3 и выше с LiDAR будут разделять 10% моделей ADAS в Китае в 2022 году. Эта цифра достигнет 50% в 2030 году ».

13NewsNow говорит о том, что Tesla полностью отрицает необходимость в LiDAR:« Tesla имеет посмотрел на камеры и радар — без лидара — чтобы сделать большую часть работы, необходимой для его системы помощи водителю автопилота.

Но другие автопроизводители и технологические компании, спешащие разрабатывать автономные автомобили — например, Waymo, Ford и General Motors — делают ставку на лидар.

«Tesla пытается сделать это по дешевке», — сказал [Сэм Абуэлсамид, аналитик из Navigant Research]. «Они пытаются использовать дешевый подход и сосредоточиться на программном обеспечении. Проблема с программным обеспечением в том, что оно настолько хорошо, насколько хороши данные, которые вы можете ему передать».

Cepton добавляет два лидара к своей недорогой линейке Vista для автономных транспортных средств

Поскольку гонка за лучший автомобильный лидар продолжается, Cepton добавляет два новых датчика в свою серию лидаров Vista.

Анонсированная в прошлом году серия Vista в первую очередь ориентирована на предоставление недорогого и высокопроизводительного решения для всех уровней автономного вождения.Благодаря улучшенным характеристикам по сравнению со стандартной Vista , Vista M и Vista X открывают новые возможности развития для производителей автомобилей.

В то время как стандартная Vista имела поле обзора 60 °, у Vista X оно увеличивалось вдвое до 120 °. Это приводит к улучшению восприятия объекта и его локализации в гораздо более широкой области. Кроме того, в то время как стандартная версия имела максимальную дальность сканирования 200 метров, Vista X выходит за рамки этого предела для целей с отражательной способностью 10%.«Единое пространственное разрешение 0,2 градуса по всему полю поля зрения устраняет сложность и риски безопасности в конфигурациях поля зрения во время работы, обеспечивая гибкость конструкции для интеграции Vista-X в переднюю, заднюю или внутреннюю часть автомобиля».

Лидар Vista M размером с коробку с мелками также имеет угол обзора 120º и дальность сканирования 150 метров. Согласно Cepton , датчик «обеспечивает идеальную способность обнаружения транспортных средств, пешеходов и велосипедов с четырех сторон автономных транспортных средств.«Хотя диапазон сканирования ниже, чем у стандартной Vista, версия M меньше, что упрощает интеграцию с автомобилем, поскольку она подходит для фар, задних фонарей и зеркал заднего вида.

В рамках существующего партнерства между Cepton и Nvidia два новых датчика также будут использовать Nvidia Drive , суперкомпьютер AI, который сочетает в себе глубокое обучение и объединение датчиков для точного рисования полной, 360-градусной среды, представляющей динамические и статические объекты, окружающие автомобиль.

Что такое LiDAR и почему это будущее камер смартфонов

Что такое LiDAR и где он используется

Чем LiDAR полезен для смартфонов и планшетов

А как же сенсор ToF?

11 000 лазеров вместо 128 / Блог компании НПП ИТЭЛМА / Хабр

Микротрансферная печать

Sense стремится увеличить радиус действия своих лидаров

Однофотонные лавинные диоды входят в моду

Лидары на CES / Блог компании НПП ИТЭЛМА / Хабр

Цели лидаров

Отличия технологий

Bosch

Направленность на помощь водителю

Более низкие цены

Возвращение скорости

Кто же победил?

Выпуск №21 — Твердотельные лазерные дальномеры LiDAR (лидар)

Category:

Лидарные системы Википедия

История

США

СССР

Принцип действия

Устройство

Излучатель

Системы формирования сканирующего паттерна

Сканирующая оптика

Сканирование с помощью MEMS

Активная фазированная антенная решетка

Приём и обработка сигнала

Современное состояние и перспективы

Исследования атмосферы

Исследования Земли

Строительство и горное дело

Морские технологии

На транспорте

Промышленные и сервисные роботы

Разные варианты расшифровки акронима LIDAR

См.<img src='/800/600/https/sparmsdc-static.s3.amazonaws.com/uploads/2016/09/lasergrammetry.jpg' /> также

Примечания

Будущее лидарных технологий

Доктор Андреас Ульрих

Что такое LiDAR и как он работает?

Что такое LiDAR?

Как работает LiDAR

Компоненты лидарной системы

Типы LiDAR

Типы лидара на базе платформы

Типы лидаров в зависимости от типа обратного рассеяния

Применение LiDAR

Ограничения LiDAR

Преимущества и недостатки LiDAR

ЛИДАР для любителей и творцов

лидар — Викисловарь

Английский [править]

Этимология [править]

Произношение [править]

Существительное [править]

Синонимы [править]

Связанные термины [править]

Переводы [править]

См. Также [править]

Анаграммы [править]

Существительное [править]

Галицкий [править]

Этимология [править]

Произношение [править]

Глагол [править]

Спряжение [править]

Связанные термины [править]

Ссылки [править]

португальский [править]

Этимология [править]

Произношение [править]

Глагол [править]

Спряжение [править]

Image Sensors World: LiDARs в Китае

Cepton добавляет два лидара к своей недорогой линейке Vista для автономных транспортных средств

Добавить комментарий Отменить ответ

См. также