Если вы видели автономные автомобили на фотографиях или вживую, то заметили – сверху у них на крыше закреплена какая-то странная штука.

Иногда она похожа на сирену, как в случае с прототипами Waymo от Google, что придает им вид очаровательного полицейского автомобиля.

Но, чаще эта штуковина напоминает крутящуюся консервную банку, установленную на распорках.

Это устройство на беспилотных автомобилях является лидаром, оборудованием, которое наделяет машину «зрением».

Слово лидар (LIDAR) состоит из начальных букв четырех английских слов – Light Identification Detection and Ranging, что означает «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света».

Автомобильный лидар в беспилотном автомобиле – это самая дорогостоящая штука. Ценой $75 000, лидар стОит дороже, чем многие автомобили. А между тем, это устройство лишь одно из многих, которым нужно оснащать беспилотный транспорт.

Однако, в этом году данная ситуация может измениться благодаря появлению так называемых твердотельных лидаров высокого разрешения и стоимостью всего несколько сотен долларов. На самом деле, слово твердотельные – не очень корректно. Лидары нового поколения отличаются от предыдущих, своей неподвижностью (статичностью).

Но, их изобретение серьезно приближает момент массового появления беспилотного транспорта на дорогах. Поэтому стоит понять, что такое автомобильный лидар, и в частности статичный (твердотельный).

Слово «лидар» передает саму суть его функционирования – это радар, который работает на световых волнах. Вспомнив школьную физику, мы знаем – излучая радиоволны, радар определяет расстояние до объекта на основании времени, которое требуется радиоволне для отражения от объекта.

Лидар действует по схожей схеме, но использует для этого не радиоволны, а короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Для получения более точной информации, лидары используют инфракрасное излучение и ближнее ультрафиолетовое.

Но, беспилотному автомобилю нужны данные о десятках объектов вокруг. Поэтому он крутится вокруг своей оси, испуская множество световых вспышек, и таким образом формирует из «облака точек» трехмерное 360-градусное изображение окружающей обстановки. И делать он это может в любых средах, погодных условиях и независимо от времени суток.

В этом музыкальном клипе группы Radiohead видно, как из таких «точек» формируется картинка.

Чтобы беспилотные автомобили могли без участия человека передвигаться в пространстве, им требуется комбинация видеокамер, радаров и лидаров. И лидар выполняет критически важную функцию – он дает автомобилю представление не только о собственной локализации, но и о местоположении окружающих объектов.

GPS в данном случае непригодно – оно определяет местоположение с формированием круга диаметром около 5 м, а лидар делает это с точностью до 10 см.

Уровень автономности – это международные критерии, принятые, дабы объяснить, насколько тот или иной транспорт является самостоятельным.

Существует 6 уровней автономности

И вот лидар необходим при автономности уровня 4 и выше.

Что такое статичный автомобильный лидар

На сегодняшний день большинство лидаров – это дорогостоящие подвижные устройства.

Конечно, как и все технологии, лидары со временем стали дешевле и уменьшились в размерах. Но, пока они стоят от $8 000 до $80 000, и быстро выходят из строя.

А вот статичные лидары – другое дело. Сделанные главным образом из кремния, в них нет подвижных частей и используется лазер с изменяемой длиной волны. Такое устройство легкое, маленькое, потребляет мало энергии (работает на батарейке АА), быстрое и точное, работает при любых погодных условиях, и стоит не тысячи, а сотни долларов.

Технологию статичных кремниевых лидаров изобрела американская компания Quanergy. Полный набор их лазерного сканера сейчас стоит $900, но разработчик обещает постоянно снижать цены, доведя до $100.

Твердотельный лидар не просто дешевле, он очень быстрый, высокоточный и работает дольше. Электромеханический лидар выдерживает максимум 2000 часов, что меньше, чем требуется на год эксплуатации автомобиля, а твердотельный – до 100 000 часов.

Когда беспилотные автомобили станут массовым продуктом

Первый лидар в 1999 году был установлен на автомобиль Jaguar стоимостью около $100 000. В то время лидары с датчиками были настолько дороги, что люди шутили «вы приобретаете лидар и получаете бесплатно в нагрузку Jaguar».

Сегодня эта функция в автомобилях уже стОит $18 000, а с применением твердотельных датчиков цена «лазерного зрения» упадет до $1000.

Предполагается, что первые твердотельные лидары Quanergy начнут устанавливать на серийный электромобиль Fisker EMotion с запасом хода до 640 км на одной зарядке.

Выпуск этого автомобиля пока еще большой стоимости – $130 000, запланирован на 2019 год.

А вот массовое появление беспилотных автомобилей, использующих технологию твердотельных лидаров, ожидают в 2020-2023 годах. Считается, что к этому времени минимум одна модель автономного транспорта будет почти у каждого крупного автопроизводителя. И хотя поначалу, скорее всего, способностью к автономности будут наделять дорогие и роскошные модели, очень скоро ею оснастят и бюджетные машины.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Применяется оптический датчик - лидар (lidar от Light Detection and Ranging, дословно световое обнаружение и определение расстояния ). В датчике используются электромагнитные волны инфракрасного диапазона, с помощью которых определяется расстояние до находящегося впереди объекта (транспортного средства), а также его скорость. Лидар может использоваться для определения частиц влаги в атмосфере, линий дорожной разметки.

По своим функциям лидар выступает в качестве альтернативы автомобильного радара , поэтому другое его название лазерный радар . Преимуществами лидара являются меньший размер (можно установить в любом месте), большое угловое разрешение (порядка 180°), значительный радиус действия (до 250 м), сравнительно невысокая стоимость. Доказано, что инфракрасные лучи безопасны для человеческого глаза.

Вместе с тем, лазерный радар чувствителен к изменению рельефа дороги (лучи могут отражаться от поверхности дороги и искажать информацию). Эффективность лидара снижается в плохих погодных условиях (дождь, снег, туман), а также при загрязнении датчика.

Ведущими производителями лидаров являются компании Denso, Continental, Siemens, Hella. Лазерный радар используют в системе адаптивного круиз-контроля компании Nissan, Toyota, в активной системе ночного видения компании Mercedes-Benz, Toyota, в системе автоматического экстренного торможения компания Volvo (система City Safety).

Для повышения эффективности детектирования объектов лидар может применяться совместно с радаром, автомобильной видеокамерой . Разрабатываемые системы автоматического управления автомобилем также не обходятся без лидара.

Устройство лидара

Конструкция автомобильного лидара включает следующие элементы: передатчик, модулятор, приемник, оптический элемент, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор.

Роль передатчика выполняет лазерный диод, который служит для передачи инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение модулируется в модуляторе, который при необходимости изменяет его интенсивность. В зависимости от типа модуляции различают лидары непрерывного и импульсного действия. Более совершенна импульсная модуляция инфракрасного излучения. Для повышения эффективности измерений применяется многоимпульсная технология (передача нескольких импульсов одновременно).

Световой импульс, а затем и его отражения проходят через оптический элемент. Отраженный импульс принимается фотодиодом, где преобразуется в электрический сигнал. Далее сигнал усиливается усилителем, преобразуется в «цифру» с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя), а затем обрабатывается микропроцессором.

Несмотря на различия в конструкции принцип действия лидара аналогичен радару. Лидар направляет на цель инфракрасный свет. Свет частично отражается от цели, частично рассеивается. Отраженный импульс возвращается обратно, где воспринимается фотодиодом. Ток на фотодиоде пропорционален воздействующему свету. На основании принятого цифрового сигнала процессор определяет расстояние до впереди идущего транспортного средства и его скорость.

Высокое горизонтальное и вертикальное разрешение лидара достигается путем многолучевой конфигурации передатчика, которая достигается несколькими способами - использованием поворотного зеркала, перемещением передатчика.

Как концепция, лидар уже насчитывает несколько десятилетий. Впрочем, интерес к этой технологии в последние годы резко вырос, поскольку сенсоры становятся меньше, усложняются, а сфера применения продуктов с технологией лидара всё больше расширяется.

Слово лидар представляет собой транслитерацию LIDAR (Light Detection and Ranging - световая система обнаружения и измерения дальности). Это технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Лидар как прибор подобен радару, поэтому его применение - это наблюдение и обнаружение, но вместо радиоволн как в радаре в нем используется свет, генерируемый в подавляющем большинстве случаев лазером. Термин лидар зачастую используется равноправно с термином ладар, который означает laser detection and ranging (лазерное обнаружение и измерение дальности), хотя, по мнению Джо Бака, руководителя исследовательских работ в Coherent Technologies, входящего в дивизион космических систем компании Lockheed Martin, эти две концепции с технической точки зрения различны. «Когда вы смотрите на что-то, что может рассматриваться как мягкий объект, например твердые частицы или аэрозоль в воздухе, специалисты стремятся использовать лидар, когда говорят об обнаружении этих объектов. Когда вы смотрите на плотные, твердые объекты, например автомобиль или дерево, тогда вы склоняетесь к термину ладар». Чуть подробнее о лидаре с научной точки зрения смотрите раздел «Лидар: как это работает».

«Лидар был предметом исследований в течение многих десятилетий с момента своего появления в начале 60-х годов», - продолжил Бак. Впрочем, интерес к нему заметно вырос с начала этого столетия благодаря, прежде всего, техническому прогрессу. Он привел в качестве примера визуализацию с помощью синтезированной апертуры. Чем больше телескоп, тем более высокое разрешение объекта может быть получено. Если вам необходимо чрезвычайно высокое разрешение, тогда может понадобиться гораздо более крупная оптическая система, что может быть не очень удобным с практической точки зрения. Визуализация при помощи синтезированной апертуры решает эту проблему за счет использования движущейся платформы и обработки сигналов с целью получения действительной апертуры, которая может гораздо больше физической апертуры. Радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) используются уже много десятилетий. Однако, только в начале 2000-х начались практические демонстрации формирования оптических изображений с синтезированием апертуры, несмотря на то, что лазеры уже широко использовались в то время. «Реально понадобилось больше времени для разработки оптических источников, которые имели бы достаточную стабильность в широком диапазоне регулировки... Совершенствование материалов, источников света и детекторов (используемых в лидарах) продолжается. Вы не просто обладаете способностью проводить теперь эти измерения, вы способны выполнять их в небольших блоках, что делает системы практичными касательно размеров, веса и энергопотребления».

По данным компании Lockheed Martin, интерес к лидару возрос в начале этого столетия благодаря, конечно же, достижениям в области технологий. На фото система WindTracer компании Lockheed Martin на страже аэропорта Мюнхена

Также становится проще и практичнее собирать данные от лидара (или информацию, собранную лидаром). Традиционно она собиралась с сенсоров летательных аппаратов, говорит Ник Розенгартен, руководитель Geospatial Exploitation Products Group в компании ВАЕ Systems. Впрочем, сегодня сенсоры могут быть установлены на наземных транспортных средствах или даже в заплечных рюкзаках, что подразумевает сбор данных человеком. «Это открывает целый ряд возможностей, данные теперь могут собираться как в помещениях, так и на открытом воздухе», - пояснил Розенгартен. Руководитель дивизиона геопространственных решений в компании Textron Systems Мэт Моррис утверждает, что «лидар представляет собой реально удивительный массив данных, поскольку он предоставляет обширнейшую детализацию поверхности Земли. Он дает гораздо более детализированную и, если можно так выразиться, более оттеночную картинку, чем технология цифровых данных топографических высот DTED (Digital Terrain Elevation Data), которая предоставляет информацию касательно высоты земной поверхности в определенных точках. Возможно, одним из самых мощных сценариев использования, о котором я слышал от наших военных заказчиков, является сценарий развертывания в незнакомой местности, ведь им необходимо знать, куда им предстоит идти... подняться на крышу или перелезть изгородь. Данные DTED не позволяют вам видеть это. Вы не увидите даже зданий».

Моррис отметил, что даже некоторые традиционные данные о высотах точек рельефа местности с высоким разрешением не позволят вам увидеть эти элементы. А вот лидар позволяет это сделать из-за своего «шага позиций» - термин, описывающий дистанцию между позициями, которые могут быть точно показаны в массиве данных. В случае с лидаром «шаг позиций» может быть уменьшен до сантиметров, «поэтому вы можете точно узнать высоту крыши здания или высоту стены или высоту дерева. Это реально повышает уровень трехмерной (3D) ситуационной осведомленности». Кроме того, стоимость сенсоров лидар снижается, как и их размеры, что делает их более доступными. «Десять лет назад сенсорные системы лидаров были очень большими и очень дорогими. Они действительно имели высокое энергопотребление. Но по мере своего развития, совершенствования технологий, платформы становились значительно меньше, снижалось энергопотребление, а качество генерируемых ими данных повысилось».

Городской ландшафт, сгенерированный программным инструментом Lidar Analyst компании Textron. Он позволяет изучать местность, извлекать 3D ландшафты и показывать информацию в программах 3D визуализации

Серия снимков лидара, сделанная с помощью приложения SOCET GXP от ВАЕ Systems. Монтирование мозаики (сбор последовательных снимков) может быть выполнено с данными лидара вне зависимости от того, как они были получены

Моррис сказал, что основное применение лидара в военной области - это 3D планирование и отработка боевых задач. Например, продукт Lidar Analyst его компании для моделирования условий полетов позволяет пользователям принимать большие объемы данных и «быстро генерировать эти 3D модели, затем они могут очень точно планировать свои задачи». То же самое верно и для наземных операций. Моррис пояснил: «Наш продукт используется для планирования путей входа и выхода в район цели, а так как исходные данные имеют высокое разрешение, то можно проводить очень точный анализ обстановки в пределах прямой видимости».

Наряду с Lidar Analyst компания Textron разработала RemoteView - программный продукт анализа изображений, заказчиками которого являются американские военные и разведывательные структуры. Программное обеспечение RemoteView может использовать различные источники данных, в том числе данные с лидара. Компания BAE Systems также предоставляет программное обеспечение (ПО) для геопространственного анализа, ее флагманским продуктом здесь является SOCET GXP, который обеспечивает множество возможностей, включая использование данных лидара. Кроме того, как пояснил Розенгартен, компания разработала технологию GXP Xplorer, которая представляет собой приложение управления данными. Эти технологии вполне подходят для военного применения. Розенгартен, например, упомянул об инструменте для расчета посадочной зоны вертолета, который входит в состав ПО SOCET GXP. «Он может брать данные лидара и предоставляет пользователям информацию о зонах на земле, которых может быть достаточно для посадки вертолета». Например, он может подсказать им, есть ли вертикальные препятствия на пути, например, деревья: «Люди могут использовать этот инструмент для определения зон, которые могут быть лучше всего подходить в качестве эвакуационного пункта во время гуманитарных кризисов». Розенгартен также подчеркнул потенциал метода «монтирование мозаикой», когда множественные массивы данных лидара собираются с конкретной зоны и «сшиваются» друг с другом. Это стало возможным в связи с «повышенной точностью метаданных лидарных сенсоров в комбинации с таким ПО, как например, приложение SOCET GXP от BAE Systems, которое может превратить метаданные в точные зоны на земле, рассчитанные с помощью геопространственных данных. Процесс основывается на данных лидара и не зависит от того, как эти данные собраны».

Компания Lockheed Martin видит возможное военное применение для своей технологии WindTracer. Это коммерческий продукт, в котором используется лидар для измерения ветрового сдвига в аэропортах. Подобная технология может быть использована в военной сфере для повышения точности выброски с воздуха. На фото система WindTracer в аэропорту Дубая

Как это работает: лидар

Лидар работает, подсвечивая цель светом. В лидаре может использоваться свет видимого, ультрафиолетового или ближнего инфракрасного диапазонов. Принцип действия лидара прост. Объект (поверхность) освещается коротким световым импульсом, измеряется время, через которое сигнал вернется к источнику. Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени между передачей светового импульса и его отражением, исходя из постоянной скорости света равной 299792 км/с. Измеряя этот промежуток времени можно вычислить дистанцию между лидаром и отдельной частью объекта и, следовательно, построить изображение объекта на основе его положения относительно лидара.

Сдвиг ветра

Тем временем господин Бак указал на возможное военное применение технологии WindTracer от Lockheed Martin. Коммерческая технология WindTracer использует лидар для измерения ветрового сдвига в аэропортах. Такой же процесс может использоваться в военной сфере, например, для точной выброски с воздуха. «Вам необходимо сбросить запасы с достаточно большой высоты, для этого вы складываете их на поддоны и сбрасываете с парашюта. А теперь посмотрим, где они приземлятся? Вы можете попробовать и предсказать, куда они улетят, но проблема состоит в том, что пока вы снижаетесь, ветровой сдвиг на разных высотах меняет свое направление, - пояснил он. - И как вы после этого предскажите, где поддон приземлится? Если вы можете измерить ветер и оптимизировать траекторию, то вы можете доставить запасы с очень высокой точностью».

Лидар также используется в наземных безэкипажных транспортных средствах. Например, производитель автоматических наземных аппаратов (AHA), компания Roboteam, создал инструмент, названный Top Layer. Это 3D технология картографирования и автономной навигации, которая использует лидар. Top Layer задействует лидар двумя способами, рассказывает руководитель компании Roboteam Шахар Абухазира. Первый позволяет картографирование закрытых пространств в реальном времени. «Иногда видео недостаточно в подземных условиях, например, может быть слишком темно или видимость ухудшилась из-за пыли или дыма, - добавил Абухазира. - Возможности лидара позволяют вам уйти от ситуации с нулевыми ориентацией и пониманием окружающей обстановки... теперь он составляет карту комнаты, он составляет карту тоннеля. Незамедлительно вы можете понять обстановку, даже если вы ничего не видите и даже, если вы не знаете, где вы находитесь».

Второе применение лидара заключается в его автономности, помощи оператору в контролировании более одной системы в любой данный момент. «Один оператор может контролировать один AHA, но есть два других AHA, которые просто отслеживают управляемый человеком аппарат и следуют за ним автоматически», - пояснил он. Подобным же образом солдат может войти в помещение, а АНА просто следует за ним, то есть нет необходимости откладывать в сторону для того, чтобы управлять аппаратом. «Это делает работу простой и интуитивной». Более крупный AHA Probot компании Roboteam также имеет на борту лидар, который помогает проходить ему большие дистанции. «Вы не можете требовать от оператора, чтобы он жал кнопку три дня подряд... вы используете лидарный сенсор для того, чтобы просто следовать за солдатами, или следовать за машиной или даже в автоматическом режиме перемещаться от одного пункта к другому, лидар в этих ситуациях поможет избежать препятствий». Абухазира ожидает в будущем крупных прорывов в этой области. Например, пользователи хотели иметь ситуацию, в которой человек и АНА взаимодействуют подобно двум солдатам. «Вы не контролируете друг друга. Вы смотрите друг на друга, вы зовете друг друга и действуете точно так, как должны действовать. Я полагаю, что в известном смысле мы получим этот уровень общения между людьми и системами. Это будет более эффективно. Я считаю, что лидары ведут нас в этом направлении».

Программный продукт TopLayer компании Roboteam позволяет AHA картографировать закрытые пространства в реальном времени. Порой видеосъемки бывает недостаточно в этих условиях: может быть либо темно, либо видимость недостаточна из-за пыли и дыма

Идем под землю

Абухазира также надеется, что лидарные сенсоры улучшат проведение операций в опасных подземных условиях. Лидарные сенсоры дают дополнительную информацию, выполняя картографирование тоннелей. Кроме того, он заметил, что порой в небольшом и темном тоннеле оператор может даже не понять, что ведет AHA не в том направлении. «Лидарные сенсоры работают как GPS в реальном времени и делают процесс похожим на видеоигру. Вы можете видеть вашу систему в тоннеле, вы знаете, куда движетесь в реальном времени».

Стоить отметить, что лидарные сенсоры это еще один источник данных и не должны рассматриваться как прямая замена радара. Бак заметил, что имеются большая разница в длине волн этих двух технологий, которые имеют свои преимущества и недостатки. Зачастую лучшим решением является использование обеих технологий, например, проведение измерения параметров ветра при помощи аэрозольного облака. Более короткие длины волн оптических сенсоров обеспечивают лучшее определение направления по сравнению с более длинными волнами радиочастотного сенсора (радара). Впрочем, свойства пропускания атмосферы очень разнятся для двух типов сенсоров. «Радар способен проходить сквозь облака определенных типов, с которыми лидару было бы сложно справиться. Но в тумане, например, лидар может показать себя чуть лучше радара».

Розенгартен сказал, что сочетание лидара с другими источниками света, например, панхроматическими данными (когда изображение строится с использованием широкого диапазона световых волн) даст полную картинку исследуемой зоны. Хорошим примером здесь является определение посадочной площадки для вертолета. Лидар может просканировать зону и сказать, что она имеет нулевой уклон, не принимая во внимание, что фактически он смотрит на озеро. Этот тип информации может быть получен за счет использования других источников света. Розенгартен считает, что промышленность, в конечном счете, займется слиянием технологий, сведением вместе различных источников визуальных и иных световых данных. «Она найдет способы свести все данные под одним зонтиком... Получение точной и исчерпывающей информации - это не просто использование данных лидара, а комплексная задача с привлечением всех доступных технологий».

По материалам сайтов:
www.nationaldefensemagazine.org
www.lockheedmartin.com
www.baesystems.com
www.textron.com
www.robo-team.com
www.robotshop.com
www.Geo-Plus.com
www.nplus1.ru

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. 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 , которая позволяет снимать по 450 км 2 в час при плотности 8 точек на 1 м 2 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.

Теги: Лидар, излучатель, сигнал, когерентный, некогерентный, сканирующая оптика

Лидары

Л идар (LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging - световое обнаружение и определение дальности) - технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.

Лидар как прибор представляет собой 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.

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.

Принцип действия лидара прост. Объект (поверхность) освещается коротким световым импульсом, и измеряется время, через которое сигнал вернется к источнику. Свет распространяется очень быстро - 3∙10 8 м/с. Однако он возвращается с некоторой задержкой, которая зависит от расстояния до объекта.

Расстояние, которое прошел фотон на пути до объекта и обратно, можно рассчитать по формуле:

L = c ∙ t пролёта 2

Оборудование, необходимое для измерения этого малого промежутка времени, должно работать чрезвычайно быстро.

Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени, необходимый для возврата импульса. Свет движется с постоянной скоростью, поэтому лидар может вычислить расстояние между ним и цели с высокой точностью.

Во всех случаях радиотехническая система обнаруживает сигналы на фоне помех. Считается, что полезный сигнал имеет частоту, равную резонансной частоте настройки системы ω c = ω 0 . Начальная фаза равна нулю:

U c t = U cm sin ω 0 t

Сумма сигнала и помехи:

U сп t = u с t + u п t = U cm + U п1 sin ω 0 t + U п2 cos ω 0 t

где U п1 и U п2 – амплитуды помех.

• Некогерентное детектирование (прямой метод измерения): Реагирование происходит на амплитуду суммарного колебания и помехи U спm .Превышением сигнала над помехой называется следующее отношение: m нкг 2 = U cm 2 U п1 2 + U п2 2 = U cm 2 2σ 2 где σ 2 – дисперсия каждой из амплитуд помехи U п1 и U п2
• Когерентное детектирование: Полностью исключает ортогональную к сигналу составляющую помех. Оно предусматривает реагирование лишь на колебание, равное сумме амплитуды сигнала Ucm и синфазной составляющей помехи U п1. Превышением сигнала над помехой при когерентном обнаружении называется отношение m нкг 2 = U cm 2 U _ п1 2 , где U _ п1 2 – дисперсия амплитуды синфазной составляющей. Когерентные системы лучше всего подходят для доплеровских или фазочувствительных измерений и, как правило, используют оптическое гетеродинное детектирование. Это позволяет им работать при гораздо меньшей мощности, но при этом конструкция фотоприемной схемы намного сложнее.

Существуют две основные категории импульсных лидаров: микроимпульсные и высокоэнергетические системы.

• Микроимпульсные лидары работают на более мощной компьютерной технике с большими вычислительными возможностями. Эти лазеры меньшей мощности и классифицируются как "безопасные для глаз", что позволяет использовать их практически без особых мер предосторожности.
• Лидары с большой энергией импульса в основном применяются для исследования атмосферы, где они часто используются для измерения различных параметров атмосферы, таких как высота, наслоение и плотность облаков, свойства частиц облака, температуру, давление, ветер, влажность и концентрацию газов в атмосфере.

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.

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 следующие 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
• 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 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. 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.

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.

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.

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).

Морские технологии

Измерение глубины моря . Для этой задачи используется дифференциальный лидар авиационного базирования. Красные волны почти 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.

Спасение людей на море . В 1999 ВМС США запатентовали конструкцию авиационного лидара, применимого для поиска людей и человеческих тел на поверхности моря; 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).

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.

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 известный 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.

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.

Ru-Cyrl 18- tutorial Sypachev S.S. 1989-04-14 [email protected] Stepan Sypachev students

Всё ещё не понятно? – пиши вопросы на ящик