Introducere în tehnologia LiDAR
Detectarea distanței cu ajutorul razei coerente (Light detection and ranging - LiDAR) este o metodă recunoscută pentru tehnologia de teledetecție cu potențial promițător de a ajuta la cartografierea, monitorizarea și evaluarea suprafețelor și obiectelor. Tehnologia LiDAR le permite oamenilor de știință și profesioniștilor să examineze mediile naturale și pe cele create de om cu acuratețe, precizie și flexibilitate.
Ultimul deceniu a asistat la o dezvoltare masivă a tehnologiei LiDAR. Această tehnologie a înlocuit tehnicile convenționale de topografie în mai multe domenii. LiDAR se utilizează în mod obișnuit pentru a crea hărți de înaltă rezoluție, cu aplicații în topografie, arheologie, geografie, seismologie, silvicultură și fizică atmosferică. Se utilizează, de asemenea, în control și navigație, la mașini autonome și roboți. Acest articol va explica principiile fundamentale ale tehnologiei LiDAR, principiile de funcționare ale senzorilor LiDAR și câteva exemple de utilizare de rutină a LiDAR.
Ce este LiDAR
LiDAR, LADAR sau altimetria laser este o tehnologie cu senzori optici care emite fascicule intense, focalizate, de energie laser pulsată și măsoară timpul necesar pentru ca reflexiile să fie detectate de senzor. Aceste informații sunt utilizate pentru a calcula intervale sau distanțe față de obiecte. În acest mod, LiDAR este analog RADAR (Radio Detection and Ranging - detectarea prin radio și determinarea distanței), cu excepția faptului că se bazează pe impulsuri discrete de lumină laser în loc de unde radio. Un sistem LIDAR generează o hartă 2D sau 3D precisă a împrejurimilor și a obiectelor prin trimiterea acestor impulsuri de lumină. Celălalt aspect al LiDAR este că poate să determine și caracteristicile optice ale unui obiect, precum reflectivitatea și absorbția. Acest lucru oferă în cele din urmă date materiale despre un obiect și distanța la care se află acesta - făcând tehnologia perfectă pentru cartografiere.
Figura 1: Modele 3D cartografiate cu laser de la National TreeMap (date Bluesky), LiDAR UK
Sistemele LiDAR sunt sisteme active, deoarece emit impulsuri de lumină și detectează lumina reflectată. Multe sisteme LiDAR funcționează în regiunea de infraroșu apropiat (de exemplu, 1064 nm) a spectrului electromagnetic, deși unii senzori funcționează și în banda verde pentru a pătrunde în apă și a detecta caracteristicile de pe fundul acesteia. LiDAR este o tehnologie de detecție cu rază relativ scurtă. Majoritatea senzorilor LiDAR comerciali pot detecta până la 100 de metri, senzorii mai avansați fiind capabili să ajungă până la 200 de metri.
Tehnologia LiDAR oferă rezultate incredibil de precise și consecvente. Tehnologia a eliminat mai multe alte tehnologii și senzori care nu sunt suficient de precise în detecție și încapsulare de date. Pentru multe provocări, cum ar fi scanarea între obiecte, LiDAR este o tehnologie viabilă. Oferă o metodă rapidă, precisă și directă de cartografiere, producând totodată date precise și ușor de analizat. În aplicațiile de mobilitate, unde sunt necesare o precizie și o fiabilitate ridicate, tehnologia LiDAR câștigă rapid popularitate. Performanța robustă a LiDAR, autonomia extinsă și precizia de câțiva centimetri în ceea ce privește distanța îi permit să detecteze rapid obiectele la o rezoluție extrem de ridicată și să acopere uniform zone extinse.
Cum funcționează LiDAR
Sistemul LIDAR include un dispozitiv laser, o unitate de măsură inerțială (IMU) pentru navigație, un sistem de poziționare globală (GPS) de înaltă precizie și o interfață de computer. Tehnologia utilizează lumină ultravioletă, vizibilă sau lumină în infraroșu apropiat pentru a capta obiecte. Laserul emite impulsuri de lumină și detectează lumina reflectată de obiecte. Senzorul măsoară timpul dintre emisia și revenirea impulsului laser și calculează distanța parcursă. Distanța parcursă este apoi convertită în elevație. Aceste măsurători se efectuează utilizând componentele esențiale ale unui sistem LiDAR, inclusiv un GPS care identifică locația X, Y, Z a energiei luminoase și un IMU, care fac posibilă orientarea. Acest proces se mai numește și măsurarea „timpului de zbor” (ToF) (Figura 2). Sistemele LiDAR contemporane sunt suficient de puternice pentru a declanșa până la 900.000 de impulsuri în fiecare secundă.
Distanța obiectului = Viteza luminii x Timpul de zbor / 2
Figura 2a: Schemă bloc a tehnologiei LiDAR
Un sistem LiDAR reproduce acest proces de un milion de ori pe secundă și rezumă rezultatele într-un sistem de hărți 3D de înaltă definiție. Această hartă 3D conține date ușor de analizat care sunt utilizate pentru luarea deciziilor. Un sistem LiDAR măsoară timpul necesar pentru ca lumina emisă să se deplaseze până la sol și înapoi.
Figura 2b: Măsurarea distanței în sistemul LiDAR
Aplicații ale sistemului LiDAR
De-a lungul timpului, LiDAR a fost utilizat atât pe uscat, cât și în aer. Aceste utilizări se pretează la trei tipuri principale de sisteme LiDAR - LiDAR aerian, terestru și prin satelit. Sistemul LiDAR aerian este utilizat prin elicoptere sau drone pentru colectarea datelor. Sistemul LiDAR terestru este instalat pe vehicule în mișcare sau pe trepiede staționare. Aceste tipuri de sisteme LiDAR sunt perfecte pentru modelarea și observarea topografiei statice. Platformele LIDAR prin satelit sau spațiale sunt montate pe sateliți care orbitează Pământul și acoperă de obicei zone extinse, dar cu mai puține detalii.
Tehnologia LiDAR, cu capacitatea sa unică de a oferi detecție și clasificare fiabilă, cu rezoluție și precizie ridicată, își găsește utilizarea în mai multe industrii și aplicații. Tehnologia a fost utilizată în studii de caz de succes din sectoarele topografie, arheologie, silvicultură, batimetrie, biologie și conservare, atmosferă, minerit, geologie și optimizarea parcurilor eoliene. Domeniile de aplicare LiDAR, cu progresul din alte ramuri ale științei și tehnologiei, sunt acum extinse și utilizate pentru a îndeplini numeroase obiective de dezvoltare, printre care:
LiDAR pentru Realitatea Augmentată:
Un scaner LiDAR oferă o cartografiere în 3D extrem de detaliată, permițând sistemelor de realitate augmentată să suprapună datele peste o hartă precisă și fiabilă. Un scaner de nor de puncte creat de LiDAR îmbunătățește acuratețea experiențelor de realitate augmentată.
LiDAR pentru spațiu:
Sistemele LiDAR evoluează pentru mai multe aplicații spațiale în care este necesară imagistica pentru a identifica locuri de aterizare sigure pentru vehicule, andocare și conducere. Sateliții cu tehnologie LiDAR sunt, de asemenea, utilizați pentru supravegherea, cartografierea și generarea modelelor de predicție climatică ale Pământului și ale altor corpuri cerești.
LiDAR pentru autovehicule autonome:
Tehnologia LiDAR este o soluție convenabilă pentru a permite detectarea și evitarea obstacolelor, dar și navigarea în siguranță prin diferite medii cu diferite vehicule. Tehnologia este presărată în numeroase aplicații auto și de mobilitate critice, inclusiv sisteme de asistență avansată pentru conducătorii auto (ADAS) și conducere autonomă.
LiDAR și IoT:
Câteva fațete ale LiDAR fac ca acest sistem să fie deosebit de util în aplicații specifice Internet of Things (IoT). Soluțiile LiDAR joacă un rol esențial în îndeplinirea promisiunilor IoT – sporirea siguranței, productivității și eficienței într-o mare varietate de aplicații pentru orașe inteligente, infrastructură, agricultură, medicină, comerț cu amănuntul și nu numai.
LiDAR pentru imprimarea în 3D:
Este deja posibil să creați obiecte imprimate în 3D prin modelare fotografică. Cu LiDAR, date de modelare mult mai detaliate pot fi extrase pentru proiecte de imprimare în 3D și mai interesante.
ON Semiconductors a introdus o soluție LiDAR (detectarea distanței cu ajutorul razei coerente) cu timp de zbor direct (dToF) și punct nic, Kitul de dezvoltare SECO-RANGEFINDER-GEVK, care este alimentată prin tehnologia fotomultiplicatorilor din siliciu (SiPM). Tehnologia SiPM utilizată în dispozitiv ajută la asigurarea unui timp de răspuns rapid și a unei eficiențe de detecție ridicate; acest lucru ajută la depășirea provocărilor din soluțiile tradiționale bazate pe fotodiode.
Figura 3: Kit de dezvoltare pentru detectare distanței cu ajutorul razei coerente dTOF ON Semiconductor
Dispozitivul este proiectat cu dioda laser NIR, senzorul SiPM, sistemul optic și procesarea digitală necesare pentru a converti semnalele detectate în timp scurs și ulterior timpul scurs în distanță. Histogramele generate fac ca dispozitivul să fie potrivit pentru diverse aplicații, cum ar fi găsirea distanței, detectarea coliziunilor și cartografierea în 3D. Platforma SiPM dToF LiDAR poate detecta obiecte la distanțe cuprinse între 10 cm și 23 m și oferă o funcționare imediată cu o interfață grafică dedicată.
Având în vedere nenumăratele beneficii, tehnologiile și piețele LiDAR continuă să evolueze rapid. LiDAR s-a dovedit a fi de neprețuit, iar dezvoltarea diferitelor domenii va face ca acești senzori puternici să fie din ce în ce mai disponibili în următorii ani. Aceștia oferă avantaje remarcabile în materie de performanță față de alte tehnologii și este doar o chestiune de timp până când senzorii LiDAR vor deveni senzorii de bază în majoritatea industriilor.
