Apa itu lidar dan bagaimana ia berfungsi

Kereta Tanpa Pemandu yang merupakan salah satu fantasi teknologi terbesar pada tahun 1990-an (didorong oleh filem-filem sebelumnya seperti "The Love Bug" dan "Demolition Man"), menjadi kenyataan hari ini, berkat kemajuan besar yang dibuat di sekitar beberapa teknologi terutamanya LIDAR.

Apa itu LiDAR?

LIDAR (singkatan dari Light Detection and Ranging) adalah teknologi jarak yang mengukur jarak objek dengan menembakkan sinar cahaya ke objek dan menggunakan waktu dan panjang gelombang pancaran cahaya yang dipantulkan untuk menganggarkan jarak dan dalam beberapa aplikasi (Laser Pengimejan), buat perwakilan 3D Objek.

Walaupun idea di sebalik laser dapat ditelusuri pada karya EH Synge pada tahun 1930, ini bukanlah suatu perkara hingga awal 1960-an, setelah penemuan laser. Pada dasarnya gabungan pencitraan berfokus laser dengan kemampuan untuk mengira jarak menggunakan teknik waktu penerbangan, ia menemukan aplikasi terawal dalam Meteorologi, di mana ia digunakan untuk mengukur awan, dan di Space, di mana altimeter laser digunakan untuk memetakan permukaan bulan semasa misi Apollo 15. Sejak itu, teknologi telah bertambah baik dan telah digunakan dalam pelbagai aplikasi termasuk; pengesanan aktiviti seismik, oseanografi, arkeologi dan pelayaran untuk menyebutkan beberapa.

Bagaimana LiDAR Berfungsi

Teknologi ini mirip dengan RADAR (navigasi gelombang radio yang digunakan oleh kapal dan pesawat) dan SONAR (pengesanan objek bawah laut dan navigasi menggunakan suara, terutama digunakan oleh kapal selam) yang keduanya menggunakan prinsip pantulan gelombang untuk pengesanan dan jarak objek anggaran. Walau bagaimanapun, sementara RADAR didasarkan pada gelombang radio dan SONAR didasarkan pada bunyi, LIDAR didasarkan pada sinar Ringan (Laser).

LIDAR menggunakan cahaya di panjang gelombang yang berbeza termasuk; sinar ultraviolet, kelihatan, atau dekat inframerah ke objek gambar dan, dengan itu, dapat mengesan semua jenis komposisi bahan, termasuk; bukan logam, batu, hujan, sebatian kimia, aerosol, awan dan bahkan molekul tunggal. Sistem LIDAR dapat menembakkan hingga 1,000,000 denyut cahaya per detik dan menggunakan masa yang diperlukan agar denyutan dipantulkan kembali ke pengimbas untuk menentukan jarak di mana objek dan permukaan di sekitar pengimbas berada. Teknik yang digunakan untuk menentukan jarak dikenali sebagai masa penerbangan dan persamaannya diberikan di bawah.

Jarak = (Kelajuan Cahaya x Masa Penerbangan) / 2

Di kebanyakan aplikasi, selain pengukuran jarak jauh, peta lingkungan / objek 3D di mana pancaran cahaya ditembakkan dibuat. Ini dilakukan melalui penembakan sinar laser secara berterusan ke objek atau persekitaran.

Penting untuk diperhatikan bahawa, bertentangan dengan pantulan jenis spekular yang dapat didapatkan di cermin satah, pantulan yang dialami dalam sistem LIDAR adalah pantulan backscatter ketika gelombang cahaya disebarkan kembali ke arah tempat mereka datang. Bergantung pada aplikasinya, sistem LIDAR menggunakan variasi backscattering yang berbeza termasuk penyebaran Rayleigh dan Raman,

Komponen Sistem LIDAR

Sistem LIDAR biasanya terdiri daripada 5 elemen yang diharapkan dapat hadir tanpa mengira variasi kerana aplikasi. Komponen utama ini merangkumi:

Laser
Sistem pengimbas dan Optik
Pemproses
Elektronik pemasaan tepat
Unit Pengukuran Inersia dan GPS

1. Laser

Laser berfungsi sebagai sumber tenaga untuk denyutan cahaya. Panjang gelombang laser yang digunakan dalam sistem LIDAR berbeza dari satu aplikasi ke aplikasi yang lain kerana keperluan aplikasi tertentu. Sebagai contoh, sistem LiDAR Airborne menggunakan laser YAG yang dipam dioda 1064 nm sementara sistem Bathymetric menggunakan laser YAG yang dipam dioda 532nm yang menembusi air (hingga 40 meter) dengan pelemahan yang jauh lebih sedikit daripada versi 1064nm yang dilancarkan di udara. Namun, Tanpa mengira aplikasi, laser yang digunakan biasanya bertenaga rendah untuk memastikan keselamatan.

2. Pengimbas dan Optik

Pengimbas adalah bahagian penting dalam mana-mana sistem LIDAR. Mereka bertugas memproyeksikan denyutan laser ke permukaan dan menerima kembali denyutan yang dipantulkan dari permukaan. Kelajuan di mana gambar dikembangkan oleh sistem LIDAR bergantung pada kelajuan pengimbas menangkap balok berselerak belakang. Tanpa mengira aplikasi, optik yang digunakan dalam sistem LIDAR mestilah berketepatan tinggi dan berkualiti untuk mendapatkan hasil terbaik terutama untuk pemetaan. Jenis lensa, pilihan kaca khusus, bersama dengan pelapis optik yang digunakan adalah penentu utama resolusi dan keupayaan jarak LIDAR.

Bergantung pada aplikasi, berbagai kaedah pengimbasan dapat digunakan untuk resolusi yang berbeza. Pengimbasan Azimuth dan elevasi, dan pengimbasan dwi paksi adalah beberapa kaedah pengimbasan yang paling popular.

3. Pemproses

Pemproses berkapasiti tinggi biasanya berada di tengah-tengah sistem LIDAR. Ia digunakan untuk menyegerakkan dan menyelaraskan aktiviti semua komponen individu sistem LIDAR memastikan semua komponen berfungsi apabila sepatutnya. Pemproses mengintegrasikan data dari pengimbas, pemasa (jika tidak dimasukkan ke dalam subsistem pemprosesan), GPS dan IMU untuk menghasilkan data titik LIDAR. Data titik ketinggian ini kemudian digunakan untuk membuat peta bergantung pada aplikasinya. Dalam Kereta Tanpa Pemandu, data titik digunakan untuk menyediakan peta persekitaran masa nyata untuk membantu kereta menghindari halangan dan navigasi umum.

Dengan cahaya bergerak dengan kelajuan sekitar 0.3 meter per nanosecond dan beribu-ribu balok biasanya dipantulkan kembali ke pengimbas, pemproses biasanya diperlukan berkelajuan tinggi dengan kemampuan pemprosesan yang tinggi. Oleh itu, kemajuan dalam daya pemprosesan elemen pengkomputeran telah menjadi salah satu pemacu utama teknologi LIDAR.

4. Elektronik Pemasaan

Pemasaan tepat adalah hakikat dalam sistem LIDAR kerana keseluruhan operasi dibina tepat pada waktunya. Elektronik pemasaan mewakili subsistem LIDAR yang mencatat masa tepat denyutan laser keluar dan masa tepat kembali ke pengimbas.

Ketepatan dan ketepatannya tidak boleh dititikberatkan. Kerana pantulan yang tersebar, denyutan yang dihantar biasanya mempunyai pulangan berganda yang masing-masing perlu tepat waktu untuk memastikan ketepatan data.

5. Unit Pengukuran Inersia dan GPS

Apabila sensor LiDAR dipasang pada platform mudah alih seperti satelit, kapal terbang atau kereta, perlu menentukan kedudukan mutlak dan orientasi sensor untuk mengekalkan data yang dapat digunakan. Ini dicapai dengan penggunaan sistem pengukuran Inertial (IMU) dan Sistem Penentududukan Global (GPS). IMU biasanya terdiri dari akselerometer, giroskop, dan magnetometer untuk mengukur halaju, orientasi, dan daya graviti, yang digabungkan bersama, digunakan untuk menentukan orientasi sudut (Pitch, roll and Yaw) pengimbas relatif terhadap tanah. GPS sebaliknya memberikan maklumat geografi yang tepat mengenai kedudukan sensor, sehingga memungkinkan untuk melakukan rujukan langsung titik objek.Kedua komponen ini menyediakan kaedah untuk menerjemahkan data sensor ke titik statik untuk digunakan dalam pelbagai sistem.

Maklumat tambahan yang diperoleh menggunakan GPS dan IMU sangat penting untuk integriti data yang diperoleh, dan ini membantu memastikan jarak ke permukaan dianggarkan dengan betul, terutamanya dalam aplikasi LIDAR mudah alih seperti kenderaan Autonomous dan sistem bayangan berdasarkan Air Plane.

Jenis-jenis LiDAR

Walaupun sistem LIDAR dapat diklasifikasikan ke dalam jenis berdasarkan beberapa faktor, terdapat tiga jenis Sistem LIDAR generik yang;

Pencari jarak LIDAR
LIDAR penyerapan pembezaan
Doppler LIDAR

1. Range Finder LIDAR

Ini adalah jenis sistem LIDAR yang paling mudah. Mereka digunakan untuk menentukan jarak dari pengimbas LIDAR ke objek atau permukaan. Dengan menggunakan prinsip waktu penerbangan yang dijelaskan di bawah bahagian "bagaimana ia berfungsi", masa yang diperlukan untuk pancaran pantulan memukul pengimbas digunakan untuk menentukan jarak antara sistem LIDAR dan objek.

2. LIDAR Penyerapan Pembezaan

Sistem LIDAR penyerapan pembezaan (kadang-kadang disebut sebagai DIAL), biasanya digunakan dalam menyiasat kehadiran molekul atau bahan tertentu. Sistem DIAL biasanya menyalakan pancaran laser dari dua panjang gelombang yang dipilih sedemikian rupa sehingga salah satu panjang gelombang akan diserap oleh molekul yang menarik sementara panjang gelombang yang lain tidak akan. Penyerapan salah satu rasuk menghasilkan perbezaan (penyerapan pembezaan) dalam intensiti pancaran balik yang diterima oleh pengimbas. Perbezaan ini kemudian digunakan untuk menyimpulkan tahap kehadiran molekul yang sedang disiasat. DIAL telah digunakan untuk mengukur kepekatan kimia (seperti ozon, wap air, bahan pencemar) di atmosfera.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR digunakan untuk mengukur halaju sasaran. Apabila pancaran cahaya yang ditembakkan dari LIDAR mencapai sasaran yang bergerak menuju atau jauh dari LIDAR, panjang gelombang cahaya yang dipantulkan / tersebar dari sasaran akan diubah sedikit. Ini dikenali sebagai pergeseran Doppler - akibatnya, Doppler LiDAR. Sekiranya sasaran bergerak jauh dari LiDAR, lampu kembali akan memiliki panjang gelombang yang lebih panjang (kadang-kadang disebut sebagai pergeseran merah), jika bergerak menuju LiDAR lampu kembali akan berada pada panjang gelombang yang lebih pendek (bergeser biru).

Beberapa klasifikasi lain di mana sistem LIDAR dikelompokkan ke dalam jenis termasuk:

Pelantar
Jenis Backscattering

Jenis LiDAR berdasarkan Platform

Menggunakan platform sebagai kriteria, sistem LIDAR dapat dikelompokkan menjadi empat jenis termasuk;

LIDAR berasaskan tanah
LIDAR Udara
LIDAR Spaceborne
Gerak LIDAR

LIDAR ini berbeza dari segi pembinaan, bahan, panjang gelombang, pandangan dan faktor-faktor lain yang biasanya dipilih sesuai dengan apa yang berfungsi di lingkungan yang akan digunakan.

Jenis LIDAR Berdasarkan Jenis Backscattering

Semasa penerangan saya mengenai bagaimana sistem LIDAR berfungsi, saya menyebut bahawa refleksi dalam LIDAR adalah melalui penyebaran balik. Jenis jalan keluar belakang yang berbeza dan kadangkala digunakan untuk menggambarkan jenis LIDAR. Jenis-jenis backscattering merangkumi;

Mie
Rayleigh
Raman
Pendarfluor

Aplikasi LiDAR

Oleh kerana ketepatan dan kelenturannya yang melampau, LIDAR mempunyai sebilangan besar aplikasi, khususnya pembuatan peta beresolusi tinggi. Serta melakukan tinjauan, LIDAR telah digunakan dalam pertanian, arkeologi, dan robot kerana pada masa ini merupakan salah satu penggerak utama perlumbaan kenderaan autonomi, menjadi sensor utama yang digunakan pada kebanyakan kenderaan dengan sistem LIDAR melakukan peranan yang serupa dengan mata untuk kenderaan.

Terdapat 100 aplikasi LiDAR lain dan akan cuba sebutkan sebanyak mungkin di bawah.

Kenderaan Autonomi
Pengimejan 3D
Tinjauan Tanah
Pemeriksaan Talian Kuasa
Pengurusan Pelancongan dan Taman
Penilaian Alam Sekitar untuk perlindungan Hutan
Pemodelan Banjir
Pengelasan Tanah & Ekologi
Pemodelan Pencemaran
Penerokaan Minyak dan Gas
Meteorologi
Oseanografi
Semua jenis aplikasi ketenteraan
Perancangan Rangkaian Sel
Astronomi

Batasan LiDAR

LIDAR seperti setiap teknologi lain mempunyai kekurangannya. Yang pelbagai dan ketepatan sistem LIDAR terjejas teruk dalam keadaan cuaca buruk. Sebagai contoh, dalam keadaan Berkabut, sejumlah besar isyarat palsu dihasilkan kerana pancaran cahaya dipantulkan oleh kabus. Ini biasanya membawa kepada kesan hamburan mie dan dengan demikian, sebilangan besar balok yang dipecat tidak kembali ke pengimbas. Kejadian serupa dialami dengan hujan kerana zarah-zarah hujan menyebabkan pengembalian palsu.

Di samping cuaca, sistem LIDAR dapat tertipu (baik secara sengaja atau tidak sengaja) untuk memikirkan suatu objek ada dengan menyalakan "lampu" padanya. Menurut sebuah makalah yang diterbitkan pada tahun 2015, memancarkan penunjuk laser sederhana pada sistem LIDAR yang dipasang pada kenderaan autonomi dapat menyimpang sistem navigasi kenderaan, memberikan kesan keberadaan objek di mana tidak ada. Kekurangan ini terutama dalam penggunaan laser tanpa kenderaan tanpa pemandu, membuka banyak masalah keselamatan kerana tidak akan memakan masa yang lama bagi pembajak kenderaan untuk memperbaiki prinsip penggunaannya dalam serangan. Ia juga boleh menyebabkan kemalangan dengan kereta berhenti secara tiba-tiba di tengah jalan jika mereka merasakan apa yang mereka percayai sebagai kereta lain atau pejalan kaki.

Kelebihan dan Kekurangan LiDAR

Untuk menyelesaikan artikel ini, kami mungkin harus melihat sebab mengapa LIDAR anda sesuai untuk projek anda dan sebab mengapa anda mungkin harus menghindarinya.

Kelebihan

1. Perolehan data berkelajuan tinggi dan tepat

2. Penembusan Tinggi

3. Tidak dipengaruhi oleh intensiti cahaya di persekitarannya dan boleh digunakan pada waktu malam atau di bawah sinar matahari.

4. Pengimejan Resolusi Tinggi berbanding kaedah lain.

5. Tiada Penyelewengan Geometri

6. Bersepadu dengan kaedah pemerolehan data yang lain.

7. LIDAR mempunyai kebergantungan manusia minimum yang baik dalam aplikasi tertentu di mana kesalahan manusia boleh mempengaruhi kebolehpercayaan data.

Kekurangan

1. Kos LIDAR menjadikannya berlebihan untuk projek-projek tertentu. LIDAR digambarkan sebagai agak mahal.

2. Sistem LIDAR berkinerja buruk dalam keadaan hujan lebat, kabus atau salji.

3. Sistem LIDAR menghasilkan set data besar yang memerlukan sumber pengkomputeran yang tinggi untuk diproses.

4. Tidak boleh dipercayai dalam aplikasi air bergelora.

5. Bergantung pada panjang gelombang yang diguna pakai, prestasi sistem LIDAR adalah ketinggian terhad kerana denyutan yang ditembakkan dalam jenis LIDAR tertentu menjadi tidak berkesan pada ketinggian tertentu.

LIDAR untuk Penggemar dan Pembuat

Oleh kerana kos LIDAR, sebahagian besar sistem LIDAR di pasaran (seperti velodyne LIDAR) digunakan dalam aplikasi industri (untuk menyatukan semua aplikasi "non-hobbyist").

Yang paling hampir dengan sistem LIDAR "kelas hobi" yang ada sekarang adalah sensor LiDAR Solid-State iLidar yang dirancang oleh Hybo. Ia adalah sistem LiDAR kecil yang mampu melakukan pemetaan 3D (tanpa memutar sensor) dengan jarak maksimum efektif 6 meter. Sensor dilengkapi dengan port USB di samping port UART / SPI / i2C di mana komunikasi dapat dibuat antara sensor dan mikrokontroler.

iLidar dirancang untuk disesuaikan dengan semua orang dan ciri-ciri yang berkaitan dengan LiDAR menjadikannya menarik bagi pembuat.