Introduktion till LiDAR teknik
Ljuddetektering och intervall (LiDAR) är en etablerad metod för fjärranalysteknologi med lovande potential för att hjälpa till med kartläggning, övervakning och bedömning av ytor och föremål.LiDAR teknik gör det möjligt för forskare och yrkesverksamma att undersöka naturliga och mänskliga miljöer med noggrannhet, precision och flexibilitet.
Det senaste decenniet bevittnade flerfaldig tillväxt inom LiDAR teknik.Denna teknik har ersatt konventionella mätmetoder inom flera domäner.LiDAR används ofta för att skapa högupplösta kartor, med tillämpningar inom kartläggning, arkeologi, geografi, seismologi, skogsbruk och atmosfärisk fysik.Den används även vid kontroll och navigering för autonoma bilar och robotar.Denna artikeln kommer att förklara grunderna för LiDAR teknik, principerna för LiDAR sensorer och några exempel på rutinmässig LiDAR användning.
Vad är LiDAR
LiDAR, även kallad LADAR eller laserhöjdmätning, är en optisk sensorteknik som avger intensiva, fokuserade strålar av pulserad laserenergi och mäter den tid som det tar för reflektioner att detekteras av sensorn.Denna information används för att beräkna intervall eller avstånd till objekt.På detta sätt är LiDAR analog med RADAR (Radio Detecting and Ranging) förutom att det är baserat på diskreta pulser av laserljus istället för radiovågor.Ett LIDAR system genererar en exakt 2D eller 3D karta över omgivningen och objekten genom att skicka dessa ljuspulser.Den andra aspekten av LiDAR är att den även kan bestämma ett objekts optiska egenskaper, som reflektionsförmåga och absorption.Detta tillhandahåller i slutändan materiella data om ett objekt och distans - vilket gör tekniken perfekt för kartläggning.
Figur 1:Laserkartlagda 3D modeller från LiDAR från UK National TreeMap (Bluesky data)
LiDAR system är aktiva system eftersom att de avger ljuspulser och detekterar reflekterat ljus.Många LiDAR system fungerar i det nära infraröda området (exempelvis 1064 nm) i det elektromagnetiska spektrumet, även om vissa sensorer även arbetar i det gröna bandet för att tränga in i vatten och upptäcka bottenfunktioner.LiDAR är en relativt kort räckviddsteknik.De flesta kommersiella LiDAR sensorer kan känna upp till 100 meter, med mer avancerade som kan nå 200 meter.
LiDAR tekniken tillhandahåller otroligt noggranna, konsekventa resultat.Tekniken har fasat ut flera andra tekniker och sensorer som inte är tillräckligt exakta i detektering och datakapsling.För många utmaningar, som att skanna mellan objekt, är LiDAR en livskraftig teknik. Det erbjuder en snabb, exakt och direkt metod för kartläggning samtidigt som man producerar korrekta och lättanalyserade data. I mobilitetsapplikationer, där hög precision och tillförlitlighet behövs, blir LiDAR tekniken snabbt populär.LiDAR's robusta prestanda, utökade räckvidd och några centimeters avståndsnoggrannhet gör att den snabbt kan upptäcka objekt i extremt hög upplösning och täcka stora områden enhetligt.
Hur LiDAR fungerar
LIDAR systemet innehåller en laserenhet, en navigationsinertialmätningsenhet (IMU "Inertial Measurement Unit"), ett högprecisions luftburet Global Positioning System (GPS "Global Positioning System") och ett datorgränssnitt.Tekniken använder ultraviolett, synligt eller nära infrarött ljus för bildobjekt.Lasern avger ljuspulser och detekterar ljuset som reflekteras av föremålen.Sensoren mäter tiden mellan laserpulsens emission och retur och beräknar den sträcka som har rests.Rest sträcka omvandlas sedan till höjd.Dessa mätningar görs med hjälp av ett LiDAR systemets nyckelkomponenter, inklusive en GPS som identifierar X, Y, Z platsen för ljusenergin och en IMU som tillhandahåller orienteringen.Denna process kallas även för ''Time of Flight'' (ToF) mätning (figur 2).Samtida LiDAR system är tillräckligt kraftfulla för att avfyra upp till 900 000 pulser varje sekund.
Objektets avstånd = Ljusets hastighet x Flygtiden/2
Figur2a:Blockdiagram över LiDAR teknik
En LiDAR replikerar denna process en miljon gånger per sekund och sammanfattar resultaten i ett högdefinierat 3D kartsystem.Denna 3D karta innehåller lättanalyserade data som används för att fatta beslut. Ett LiDAR system mäter den förflutna tiden som det tar för utsänt ljus att resa till marken och tillbaka.
Figur2b:Avståndsmätning i LiDAR system
Tillämpningar av LiDAR
LiDAR har historiskt använts både på land och i luften.Dessa användningsområden lämpar sig för tre huvudtyper av LiDAR system - luftburna, markbundna och satellit LiDAR. Luftburet LiDAR används genom helikoptrar eller drönare för datainsamling. Terrestrisk LiDAR är installerad på fordon i rörelse eller på stillastående stativ.Dessa typer av LiDAR system är perfekta för modellering och observation av statisk topografi.Satellit- eller rymdburna LIDAR plattformar är monterade på satelliter som kretsar runt jorden och som tenderar att täcka stora områden men med mindre detaljer.
LiDAR teknik, med sin unika förmåga att tillhandahålla tillförlitlig detektering och sträcker sig med hög upplösning och precision, hittar användning i flera branscher och applikationer.Tekniken har omfattat framgångsrika fallstudier inom kartläggning, arkeologi, skogsbruk, badymetri, biologi och bevarande, atmosfär, gruvdrift, geologi och vindkraftsoptimering.LiDAR tillämpningsområden, med framsteg inom andra grenar av vetenskap och teknik, har nu breddats och används för att uppnå många utvecklingsmål, varav några är:
LiDAR för förstärkt verklighet:
En LiDAR skanner tillhandahåller ultradetaljerad 3D kartläggning vilket gör det möjligt för system med förstärkt verklighet att lägga informationen ovanpå en exakt och pålitlig karta.En LiDAR skapad punktmolnläsare förbättrar noggrannheten i augmented reality upplevelser.
LiDAR från rymden:
LiDAR system utvecklas för flera rymdapplikationer där avbildning behövs för att identifiera säkra landningsplatser för fordon, dockning och körning.LiDAR teknologisatelliter används även för att kartlägga och generera klimatförutsägelsemodeller av jorden och andra himlakroppar.
LiDAR för autonoma bilar:
LiDAR tekniken är en bekväm lösning som möjliggör upptäckt av hinder, undvikande och säker navigering genom olika miljöer i olika fordon.Tekniken sprids över många viktiga bil- och mobilitetsapplikationer, inklusive Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) och autonom körning.
LiDAR och IoT:
Några aspekter av LiDAR gör det särskilt användbart i specifika IoT applikationer.LiDAR lösningar spelar en avgörande roll när det gäller att uppfylla IoT's löfte - öka säkerhet, produktivitet och effektivitet i ett brett utbud av applikationer för smarta städer, infrastruktur, jordbruk, medicin, detaljhandel och bortom
LiDAR för 3D utskrift:
Det är redan möjligt att skapa 3D tryckta objekt genom fotomodellering.Med LiDAR kan mycket mer detaljerade modelleringsdata tas bort för ännu mer intressanta 3D utskriftsprojekt.
ON Semiconductors har infört utvecklingssatsen SECO-RANGEFINDER-GEVK, en lösning med enpunkts laser-radar (LIDAR) för att söka och upptäcka ljus för direkt Time of Flight (dToF), som drivs med hjälp av SiPM-tekniken (Silicon Photomultiplier).SiPM tekniken som används i enheten tillhandahåller snabb svarstid och hög detekteringseffektivitet; detta hjälper till att övervinna utmaningarna i traditionella fotodiodbaserade lösningar.
Figur 3:ON Semiconductor dTOF ljusdetektering och utvecklingssats för intervall
Enheten är utformad med NIR laserdioden, SiPM sensorn, optiken och den digitala behandlingen som behövs för att konvertera de detekterade signalerna till förfluten tid och därefter förfluten tid till avstånd.De genererade histogrammen gör enheten lämplig för olika applikationer såsom avståndssökning, kollisionsdetektering och 3D kartläggning.SiPM dToF LiDAR plattformen kan upptäcka föremål på avstånd mellan 10 cm och 23 m, och tillhandahåller out-of-the-box drift med en dedikerad GUI.
Med tanke på överflödet av fördelar fortsätter LiDAR teknologier och marknader att utvecklas snabbt.LiDAR har visat sig vara ovärderligt och tillväxten inom olika områden kommer att göra dessa kraftfulla sensorer allt mer tillgängliga under de kommande åren.De erbjuder anmärkningsvärda prestandafördelar jämfört med andra tekniker och är bara en tidsfråga när LiDAR blir givare för de flesta branscher.
