Лидары это что такое
Лидар: просто о сложном
LIDAR (Light Detection And Ranging — световая система обнаружения и измерения дальности) — технология, которая незаметно, но прочно входит в жизнь автолюбителей. Все больше автомобилей комплектуются лидар-сенсорами, а значит, пришло время рассказать, что здесь к чему. Тем более, что DENSO стоит у истоков автомобильных лидар-технологий.
В середине 1930-х годов был изобретен ЭОП — электронно-оптический преобразователь, в котором электроны, выбитые инфракрасным излучением с фотокатода, разгонялись и фокусировались электромагнитным полем на аноде, буквально рисуя видимое излучение. Технология заинтересовала военных, и на этой основе немецкие и советские конструкторы создали несколько экспериментальных систем ночного видения. Причем немецкая система к концу Второй мировой войны даже пошла в серию. Активный инфракрасный прожектор подсвечивал местность, а оптический приемник улавливал отражение ИК-волн и выводил (пусть и нечеткую) картинку ночной местности.
Приборы ночного видения, созданные на принципе улавливания отраженных в ИК-диапазоне волн, с тех пор прошли долгую эволюцию, и постепенно инфракрасные оптические технологии перестали быть военным эксклюзивом. Принцип взаимодействия с отраженными инфракрасными волнами использует и современный лидар.
Прогресс сделал возможным поместить активный источник инфракрасного излучения и его приемник в компактный корпус. Еще в начале 1990-х годов автомобильным инженерам стало понятно, что при современном росте скоростей и плотности движения необходимо создать технологию автоматического распознавания препятствий впереди машины.
В 1996 году компания DENSO показала оптический датчик, который широким горизонтальным лучом «сканировал» местность впереди машины. Еще через год, в 1997 году, DENSO разработала первый в мире оптический датчик, работающий в двух измерениях. Так компания представила первый лидар современного вида.
Лидар направляет перед собой инфракрасный свет в широком диапазоне (до 180̊) на расстояние до 400 м. Свет частично отражается от препятствий впереди, а частично рассеивается. Отраженный импульс возвращается обратно, где воспринимается фотодиодом. Ток на фотодиоде пропорционален воздействующему свету. На основании принятого цифрового сигнала процессор определяет расстояние до препятствия, а в случае с движущимся впереди автомобилем — и его скорость. Множество ИК-лучей и их одновременная обработка позволяют лидару строить 3D-изображение окружающей обстановки:
Мастер на все руки
Помимо этого, благодаря особенностям отражения, лидар «умеет» читать разметку — она отражает ИК-лучи иначе, чем асфальт. Лидару также под силу определить влажность воздуха, наличие осадков и тумана. Впрочем, при интенсивном дожде и снеге лидар пасует и не может адекватно оценить информацию — инфракрасные лучи хаотично преломляются и отражаются каплями воды в воздухе. По этой причине лидар практически всегда дублируется субмиллиметровым радаром (первенство в установке которого на автомобиль, к слову, также принадлежит DENSO).
Сегодня на основе информации, полученной от оптического датчика-лидара, функционируют многие системы безопасности автомобиля. Это и адаптивный круиз-контроль, и система аварийного торможения, и система распознавания дорожной разметки и удержания в полосе. Большим плюсом лидара по сравнению с радаром является его относительно дешевизна, а также простота и отработанный процесс производства. Лидар можно сравнить с оптической технологией, применяемой в дистанционных пультах для бытовой техники — никто уже давно не удивляется их наличию. Примерно то же ждет лидар в контексте использования в автомобильной промышленности.
Создание все более сложных, умных и надежных систем безопасности — это одна из глобальных целей DENSO. Однако не стоит забывать и о простом. К примеру, о том, что основа основ безопасности автомобиля – это нормальный обзор. Который обеспечивают качественные щетки стеклоочистителя. Подобрать подходящие щетки DENSO можно с помощью электронного каталога.
Что такое лидар
Сканирование местности — одна из главных задач для беспилотных роботов, которые самостоятельно прокладывают путь из точки А в Б. Решать её можно по-разному: всё зависит от бюджета и поставленных целей, но общая суть инженерного подхода остаётся похожей. Лидарные системы стали стандартом де-факто для беспилотных автомобилей и роботов. А ещё лидар можно приладить к своему проекту на Arduino!
Как это работает
Название LiDAR расшифровывается как «Light Identification Detection and Ranging» — дословно, система световой идентификации, обнаружения и определения дальности. Из названия понятно, что лидар имеет что-то общее с радаром. Вся разница в том, что вместо СВЧ-радиоволн здесь используются волны оптического диапазона.
Давайте вспомним общий принцип работы подобных систем: у нас есть устройство, которое посылает наружу направленное излучение, затем ловит отражённые волны и строит исходя из этого картину пространства. Именно так и работает лидар: в качестве активного источника используют инфракрасный светодиод или лазер, лучи которого мгновенно распространяются в среде. Рядом с излучателем расположен светочувствительный приёмник — он и улавливает отражения.
Обозначения: D — измеренное расстояние; c — скорость света в оптической среде; f — частота сканирующих импульсов; Δφ — фазовый сдвиг.
Получив время, за которое вернулась отражённая волна, мы можем определить расстояние до объекта в поле зрения датчика. Подобный принцип определения дистанции называют времяпролётным — от английского Time-of-flight (ToF). А что дальше? У вас появляются разные возможности, как распорядиться этими данными.
Оптический дальномер
Однако быстродействующий дальномер может пригодиться и в самодельных роботах на Arduino и Raspberry Pi: лидары не боятся засветки солнцем, а скорость реакции у них выше, чем у ультразвуковых датчиков. Используя лидар в качестве датчика пространства, ваше детище сможет видеть препятствия на увеличенной дистанции. Разные модели отличаются дальностью работы и степенью защиты. Модификации в герметичном корпусе позволят роботу работать на улице.
Лидарная камера
Следующая ступень развития — лидар в роли 3D-камеры. Добавляем к одномерному лучу систему развёртки и получаем прибор, который может построить модель пространства из облака точек в определённой зоне обзора. Для перемещения сканирующего луча чего только не применяют: от поворотных зеркал и призм до микроэлектромеханических систем (МЭМС). Подобные решения используют, например, для быстрого построения 3D-карты местности или оцифровки архитектурных объектов.
Сканирующий лидар с круговым обзором
Вот и мечта любого автопроизводителя — главный сенсор, который заменяет беспилотной машине почти все глаза. Здесь мы имеем комбинацию излучателей и приёмников, установленных на поворотной платформе, которая вращается со скоростью в сотни оборотов в минуту. Плотность генерируемых точек такова, что лидар строит полноценную картину местности, в которой видно другие машины, пешеходов, столбы и деревья на обочине, и даже изъяны дорожного покрытия или рельефную разметку!
Лидары с круговым обзором 360° — наиболее сложные и дорогие из всех разновидностей, но и самые желанные для разработчиков, поэтому они часто встречаются на прототипах беспилотных автомобилей, где вопрос стоимости не стоит слишком остро.
В заключение
Дожидаться светлого беспилотного будущего совсем необязательно, ведь можно начать собственные эксперименты с инфракрасным лидаром на Arduino или Raspberry Pi уже сейчас. Если вам нужен дальномер с рабочей дистанцией до 40 метров и моментальной реакцией — это подходящий вариант. А если заморочиться и моторизовать лидар, то у вас получится сделать и любительский 3D-сканер на принципе ToF.
Технология будущего. Зачем нужен LiDAR, который появился в iPad Pro
Судя по анализу железа нового iPad Pro, его главная особенность – это новый датчик расстояния LiDAR.
Apple говорит, что NASA отправит с ним людей на Марс, а многие думают, что это прокачанный Face ID. Но многие пока не понимают, как его будут использовать разработчики.
Мы разобрались, в каких индустриях лидар используют прямо сейчас, чем его датчик отличается от чёлки в iPhone, и кому на самом деле нужна эта новая версия планшета.
Спойлер: произошла революция.
Как работает обычный лидар
По принципу работы радар и лидар отличаются только в источнике энергии, которым они измеряют величины. В первом это радио-волны, во втором лазер. Чаще всего инфракрасный, невидимый человеком.
Название LiDAR идёт от аббревиатуры light detection and ranging, на русском как «обнаружение и определение дальности через свет»
Простейшая система работы такая:
- 1. Излучатель бьёт лазером со скоростью света
2. Ресивер получает его обратно
3. Компьютер рассчитывает время возвращения луча
4. Формируется информация о расстоянии до объекта
Скорость света – величина неизменная, она всегда одинакова. Считывая разницу в скорости возвращения луча, можно составить глубинную 3D-карту местности, улицы или комнаты. Масштаб и точность такой карты зависит от размера датчиков, количества лучей, их яркости и множества других факторов.
Например, вот здесь можно пощупать информацию, которая получается на выходе сенсора для автомобилей OS1 от компании OUSTER.
NASA составила огромный список того, что умеют лидеры разного типа.
В зависимости от размера и точности сенсора, можно получить следующие данные:
Излучатели отличаются размерами, мощностью, типом лучей, их количеством, статичностью и многим другим. Их цепляют на спутники, самолёты, дроны и автомобили.
Учитывая, сколько материала можно собрать и обработать, становится понятно, что лидар может быть полезен в десятке разных областей. Пройдёмся по некоторым.
Технологию применяют в автопилотах, космосе и земледелии
С помощью сенсора можно предположить, какую область зальёт при наводнении
Все сканеры работают за счёт лучей, но площадь покрытия зависит от их количества. Это может был один лазер, который сканирует плотность газа, или полоса, которая формирует карту глубины двухмерной территории, как на примере выше.
В третьем виде излучатель бьёт квадратным полем, как это сделано в iPad Pro, и формирует объёмный отпечаток помещения, здания, метеорита и так далее.
Самоуправляемые машины выглядят самым очевидным применением для LiDAR. Почти каждая компания внедряет их по несколько штук за раз в свои проекты.
С другой стороны, Элон Маск год назад агрессивно противился им и сказал, что распознавание объектов эффективнее. Директор ИИ в Tesla Андрей Карпати считает лидар ненадёжным “костылём” по той же причине.
Анализ биосферы проводят датчиками повсеместно. У NASA есть список миссий с отчётами по ним. В них исследуют состояние озонового слоя, ищут связь выбросов и климата и изучают экосистему. Для последнего иногда даже задействуют спутники.
Но в основном в самолёты или дроны встраивают лазеры с приёмником, которые как валик с краской накрывают территорию под собой. А учёные на базе этих данных строят карты материалов и грунта.
Агрикультура и городское планирование занимают первое место по применению LiDAR. Анализ земли и воздуха помогает выбрать места для плодородных полей – такие, чтобы избежать оползней и загрязнённого воздуха.
LiDAR не умеет делать то, что может Face ID. И наоборот
Разобрались, что LiDAR стреляет лазером из дронов, самолётов и спутников. В iPad Pro это работает по тому же принципу, но на “минималках”.
В iPad Pro стоит не один луч, а 1152 штук в шахматном порядке.
Расчёт сделал так. Судя по изображению в обзоре, айпэд выпускает лазеры в 9 секторов. В каждом по 8 точек на ряд, который дублируется по диагонали. Получаем 8*8*2*9=1152.
Лучи крупнее в диаметре и намного дальше друг от друга, чем в Face ID. Из-за этого планшет технически не сможет составить точную карту глубины, потому что не считывает волосы и даже крупные детали, например уши.
Вот почему портретного режима в нём нет.
Зато у LiDAR шире покрытие. В отличие от Face ID, работает это приблизительно так:
- 1. Излучатель бьёт дальше крупными точками
2. «Приёмник» их ловит
3. Процессор A12Z собирает из отметок полигоны
4. Из полигонов под разными углами составляется карта
Точный сенсор айпэда нужен везде. Развлечениям и образованию особенно
Пока система стоит в сравнительно непопулярном устройстве, ей мало кто будет пользоваться. Вот только парк AR-устройств уже огромный, компания зря время не теряли.
Всё те же люди продолжат использовать AR-приложения, просто чаще. Раньше текстуры прыгали друг на друга, а положение объектов неудачно отслеживалось.
- 1. Студенты и профессоры с приложением по анатомии
2. Дизайнеры квартир с быстрым составлением плана
3. Ритейлеры, вроде IKEA, которые удобно покажут свои товары
4. Музеи смогут рендерить в AR скульптуры, а не только картины
Это та часть, которая хоть как-то активна в дополненной реальности. Скорее всего, теперь к ней увереннее подключатся спорт и бьюти-сфера.
Apple такая же технологичная компания, как и все остальные. Бывает, что инновации не заходят в массы, как это было с 3D Touch, и их постепенно выпилывают. Но мне кажется, что LiDAR за следующие десятилетие взлетит до ключевой технологии.
В ближайшие годы сканер рискует стать стандартом из-за AR
Если у вас iPhone 7 или новее, откройте сайт Apple и активируйте режим дополненной реальности, например с iPad или MacBook Pro.
Этот опыт будет идеальным, чтобы люди начали включать игры и приложения не на один раз рад интереса, а пользовались ими постоянно.
А там и до звонков по FaceTime в стиле Звёздных Войн недалеко. Взгляните, к примеру, научились заменять на искусственный в iOS 13.
Дополненная реальность уже здесь, и у неё нет финала
То, что раньше было неудачным Kinect для XBOX, переродилось в киллер-фичу iOS
Пока я искал информацию для материала, заметил одну вещь. Большинство заголовков о развитии лидаров вышли в последние два года, и в основном в 2019-м. Видно, что индустрия плотно развивается, в ней около десятка конкурентов, и впереди много лет прогресса.
Бесконечные маски в Инстаграме, перебрасывающие сразу на сайт QR-метки, грядущие уведомления об опасных контактах от коллаборации Apple | Google.
В общем, реальности смешиваются и, как это бывает с прогрессом, незаметно для его участников. LiDAR может станет ступенью для осязания всего процесса.
Ходит много слухов о том, что грядущие iPhone 12 Pro тоже оснастят таким сенсором. С учётом потенциала и места для улучшения технологии, легко верю в то, что Apple лучше нас понимает важность лидара, а для использования AR сканер станет критичным параметром.
Лидар
Лида́р (транслитерация LIDAR англ. LIght Detection and Ranging ) — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.
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 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, высокая плотность и мгновенная мощность излучения — не востребованы, излучателями света в таких системах могут служить обычные светодиоды. Однако, в основных сферах применения технологии (исследование атмосферы, геодезия и картография) с радиусами действия от сотен метров до сотен километров, применение лазеров неизбежно.
Содержание
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]
Тогда же, в первой половине 1960-х годов, начались опыты по применению лидара с лазерным 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]
Принцип действия
Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара — светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели.
В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию 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
Излучатель
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):
Также возможно использование (см. Промышленные и сервисные роботы) вместо коротких импульсов непрерывной амплитудной модуляции излучения переменным напряжением.
Сканирующая оптика
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.
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 1:10 6 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.
Перспективы применения
Исследования атмосферы
Исследования атмосферы стационарными лидарами остаётся наиболее публичной отраслью применения технологии. В мире развёрнуто несколько постоянно действующих исследовательских сетей (межгосударственных и университетских), наблюдающих за атмосферными явлениями.
Измерение скорости и направления воздушных потоков. Теоретическое обоснование применения наземного доплеровского лидара для таких измерений было дано ещё в 1980-е годы. [9] 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. [10] 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. [11] 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.
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. [20]
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, [21] активные поиски оптимальных конфигураций систем ведутся по сей день. [22]
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). [23] [24] 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. [25]
Первый европейский орбитальный лидар (проект ALADIN) планируется к запуску в 2008 году. [26]
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.
Авиационная геодезия. 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. [27] Географическая служба США (USGS) проводит аналогичные топографической съёмки в Антарктиде, данные съёмок USGS находятся в открытом доступе. [28] В 2007 году USGS начал программу по встраиванию данных лидарной съёмки в национальную базу топографических данных США. [29]
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. [30]
Строительство и горное дело
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. [31]
Спасение людей на море. В 1999 ВМС США запатентовали конструкцию авиационного лидара, применимого для поиска людей и человеческих тел на поверхности моря; [32] 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.
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. [35] В 1992 были предложены индивидуальные лидары для водолазов и аквалангистов. [36] 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.
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.
Системы автоматической стыковки. Канадская компания Optech разрабатывает и производит системы для автоматической стыковки на орбите, основанные на лидарах. [38]
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, [39] однако от использования лидара в серийных изделиях тогда отказались в пользу дешёвых ультразвуковых датчиков.
Что же обозначает акроним 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)