Lidar (přepis LIDAR nebo LiDAR - anglicky Light Detection and Ranging “detekce a měření vzdálenosti pomocí světla”) je technologie pro měření vzdáleností pomocí vyzařování světla ( laseru ) a měření doby, za kterou se toto odražené světlo vrátí do přijímače. .
Lidar jako zařízení je minimálně aktivní optický dálkoměr .
Dobře zavedený překlad LIDAR jako „laserový radar “ není zcela správný, protože v systémech s krátkým dosahem (například určených pro práci v interiéru) jsou hlavní vlastnosti laseru : koherence , vysoká hustota a okamžitý výkon záření. není poptávka; Běžné světelné diody mohou v takových systémech sloužit jako zářiče světla . V hlavních aplikacích technologie ( meteorologie , geodézie a kartografie ) s dosahy od stovek metrů do stovek kilometrů se však používají pouze lasery.
Zkratka LIDAR se poprvé objevila v roce 1953 v práci „Meteorological Instruments“ od Middletona a Speelhouse , dlouho před vynálezem laserů [1] . První lidary používaly jako zdroje světla obyčejné nebo zábleskové lampy s vysokorychlostními závěrkami, které tvořily krátký puls [2] .
V roce 1963 začaly v USA terénní testy nositelného laserového dálkoměru XM-23 s výkonem záření 2,5 W a rozsahem naměřených vzdáleností 200–9995 m [3] . XM-23 byl původně neklasifikovaný a stal se běžným nástrojem pro civilní výzkumníky v 60. letech [4] . Koncem 60. let se laserové dálkoměry staly standardním vybavením nových amerických tanků (první model navržený s použitím laserových dálkoměrů byl M551 Sheridan , uvedený na trh v roce 1967). Civilní aplikace laserových dálkoměrů byly omezeny pouze vysokou cenou integrovaných obvodů v té době.
Zároveň v první polovině 60. let začaly experimenty s využitím lidaru s laserovými zářiči ke studiu atmosféry [5] .
V roce 1969 byl k měření vzdálenosti od Země k Měsíci použit laserový dálkoměr a cíl namontovaný na Apollu 11 . K pozorování oběžné dráhy Měsíce se stále používají čtyři cíle, které na Měsíc dopravily tři Apollo a Lunokhod 2 [6] [7] .
V průběhu 70. let byla na jedné straně odladěna technologie laserových dálkoměrů a kompaktních polovodičových laserů, na druhé straně se začalo se studiem rozptylu laserového paprsku v atmosféře. Začátkem osmdesátých let se tyto studie staly v amerických akademických kruzích tak slavnými, že se zkratka LIDAR stala pojmem lidar , který byl zaznamenán ve Websterově slovníku z roku 1985 [2] . Ve stejných letech dosáhly laserové dálkoměry stádia vyspělé technologie (alespoň ve vojenských aplikacích) a vynikly jako odvětví technologie oddělené od lidarů [8] .
Experimenty s laserovou lokalizací Měsíce v SSSR začaly v roce 1963 a od roku 1973 systematická pozorování všech pěti rohových reflektorů umístěných do té doby na Měsíci („ Lunokhod-1 “, „ Lunokhod-2 “, „ Apollo-11 “, " Apollo -14 ", " Apollo 15 ") [9] :263,267,272 . Pro laserové zaměření umělých družic Země byly v SSSR vypuštěny družice s rohovými reflektory na palubě : Interkosmos-17 (1977), Interkosmos-Bulharsko-1300 (sovětsko-bulharský, 1981), Meteor-3 (1985), použitý vyvinutý sovětskými vědci laserový dálkoměr "Krym" [10] : 321,323 .
V SSSR existovaly dvě rodiny lidarových meteorologických přístrojů určených pro použití na letištích (v obou rodinách byly jako zdroj sondovacího světelného toku použity zábleskové lampy):
Na rozdíl od rádiových vln , které se účinně odrážejí pouze od poměrně velkých kovových cílů, podléhají světelné vlny rozptylu v jakémkoli prostředí, včetně vzduchu, takže je možné nejen určit vzdálenost neprůhledných (světlo odrážejících) diskrétních cílů, ale také pro fixaci intenzity rozptylu světla v průhledném prostředí. Vracející se odražený signál prochází stejným rozptylovým prostředím jako paprsek ze zdroje a je podroben sekundárnímu rozptylu, proto je obnovení skutečných parametrů distribuovaného optického prostředí poměrně obtížným úkolem, který lze řešit jak analytickými, tak heuristickými metodami.
Hlavní rozdíly v konstrukcích a principech fungování moderních lidarů spočívají v modulech pro generování skenu. Sken může být tvořen jak mechanickými metodami (pomocí rotujících zrcadel nebo pomocí pohybu mikroelektromechanických systémů ), tak pomocí fázovaného anténního pole [11] .
V naprosté většině konstrukcí je zářičem laser, který generuje krátké světelné pulsy o vysokém okamžitém výkonu. Frekvence opakování pulzů nebo modulační frekvence se volí tak, aby pauza mezi dvěma po sobě jdoucími pulzy nebyla kratší než doba odezvy od detekovatelných cílů (která může být fyzicky dále, než je odhadovaný dosah zařízení). Volba vlnové délky závisí na funkci laseru a požadavcích na bezpečnost a utajení přístroje; nejběžněji používané Nd:YAG lasery a vlnové délky (v nanometrech ):
Je také možné použít (viz průmyslové a servisní roboty ) místo krátkých pulzů spojitou amplitudovou modulaci záření střídavým napětím.
Většina moderních lidarů používá válcové zametání. Tento typ zametání je nejjednodušší na vytvoření a snadné další zpracování. Má to však nevýhody. Například při použití válcového zametání je možné minout úzké horizontální objekty (jako je bariéra). Nejčastěji se tento problém řeší použitím přídavného lidaru s cylindrickým skenem, ale orientovaným kolmo na první lidar.
Kromě cylindrického skenování existují lidary s „rozetovým“ skenovacím vzorem. Vytvoření tohoto sweepu je složitější než vytvoření válcového sweepu, nicméně lidary s rozetovým sweepem nepociťují výše popsané problémy.
Skenovací optikaNejjednodušší atmosférické lidarové systémy nemají žádné naváděcí prostředky a jsou nasměrovány svisle k zenitu .
Pro snímání horizontu v jedné rovině se používají jednoduché snímací hlavy. V nich je také pevný vysílač a přijímač směrován do zenitu; v úhlu 45° k horizontu a linii záření je instalováno zrcadlo, které se otáčí kolem osy záření. V leteckých instalacích, kde je nutné snímat pás kolmý ke směru letu nosného letadla, je osa záření vodorovná. Pro synchronizaci motoru, který otáčí zrcadlem a prostředků pro zpracování přijímaného signálu, se používají přesné snímače polohy rotoru a také pevné referenční značky aplikované na průhledný kryt snímací hlavy.
Skenování ve dvou rovinách přidává k tomuto schématu mechanismus, který při každém otočení hlavy otáčí zrcadlem pod pevným úhlem – tak vzniká válcové skenování okolního světa. Máte-li dostatek výpočetního výkonu, můžete použít pevně fixované zrcadlo a paprsek rozbíhavých paprsků – v tomto provedení vzniká jeden „rámeček“ na otáčku hlavy.
Skenování pomocí MEMSSkenování lze také provádět pomocí mikroelektromechanických systémů. Takové systémy mohou výrazně snížit velikost a zvýšit spolehlivost produktů.
Aktivní fázovaná anténaAktivní fázované anténní pole tvoří laserový paprsek s množstvím vysílacích modulů, z nichž každý generuje záření se svými vlastními parametry. Tímto způsobem lze ovládat směr paprsku. Použití PAR v lidarech umožňuje zbavit se pohyblivých částí a prodloužit tak životnost produktu.
Důležitou roli hraje dynamický rozsah přijímací cesty. Například přijímací dráha nejnovějšího (2006) subsystému strojového vidění MuCAR-3 s dynamickým rozsahem 1:10 6 poskytuje efektivní dosah od 2 do 120 m (celkem 1:60). Aby se zabránilo přetížení přijímače intenzivním osvětlením z rozptylu v "blízké zóně", systémy s dlouhým dosahem používají vysokorychlostní mechanické závěrky, které fyzicky blokují přijímací optický kanál. U zařízení na blízkou vzdálenost s dobou odezvy kratší než mikrosekunda to není možné.
Nejrozšířenější aplikací technologie je výzkum atmosféry pomocí stacionárních lidarů. Existuje několik stálých výzkumných sítí (mezistátních a univerzitních) rozmístěných po celém světě, které monitorují atmosférické jevy.
Měření výšky základny mraků . Dále jsou to světelné lokátory DVO-2 [12] (s bleskem jako světelným zdrojem), laserové lokátory DOL-2 [13] a laserový ceilometr pro měření výšky spodní hranice oblačnosti a vertikální viditelnosti [ 14] vyrobené v Rusku Laserové lokátory CL31 finské výroby [15] .
Měření viditelnosti . V Rusku se vyrábí transmisometry FI-3 [16] a používají se také finské transmisometry LT31 [17] . U obou zařízení je zdrojem záření polovodičová LED.
Měření rychlosti a směru proudění vzduchu . Teoretické odůvodnění pro použití pozemního Dopplerova lidaru pro taková měření bylo dáno již v 80. letech 20. století [18] . První praktické vývoje používaly pevné optické systémy s paprskem směřujícím svisle na zenit ; v 90. letech byly navrženy technologie umožňující dopplerovským lidarům skenovat široké zorné pole [19] . V roce 2001 Alcatel navrhl umístění lidarů na palubě satelitů , takže „souhvězdí“ satelitů na oběžné dráze je schopné sledovat pohyb vzdušných mas v rámci celého kontinentu a potenciálně i na Zemi jako celku [20] . Lidary jsou aktivně používány k pozorování znečištění atmosféry . Speciální třída lidarů diferenciální absorpce (diferenciální absorpce lidar, DIAL), vyzařujících současně světlo o různých vlnových délkách, je schopna efektivně určit koncentraci jednotlivých plynů, jejichž optické parametry závisí na vlnové délce.
Měření teploty atmosféry . Bylo vyvinuto a do praxe uvedeno několik základních metod měření teplotních profilů.
První metoda využívá rezonanční rozptyl atomy alkalických kovů, zejména sodíku, draslíku a také železa [21] [22] [23] . Mraky atomů kovů se nacházejí ve výšce 85-100 km. Teplota se měří z dopplerovského rozšíření rezonančních čar sondováním úzkopásmovým laditelným laserem (používají se kapalné lasery s účinnou látkou ve formě roztoku organického barviva). První měření byla provedena pomocí umělých sodíkových mraků vyvržených do atmosféry raketami. Navzdory skutečnosti, že metoda je omezena rozsahem výšek, ve kterých jsou atomy kovů přítomny, rozptýlený signál se ukazuje jako relativně velký, což umožňuje měřit teplotu s přesností až 1,5 ˚K [24 ] .
Druhou metodou je metoda Rayleighova rozptylu (Rayleigh lidar), založená na nerezonančním rozptylu světla molekulami vzduchu [22] [25] [26] . Poprvé byl použit v roce 1953 při experimentech s projektorovým ozvučováním atmosféry [27] . Podstata metody je následující. Pokud nedochází k rozptylu aerosolu, pak je síla zpětně odraženého signálu přímo úměrná hustotě vzduchu, ze které lze vypočítat teplotu. Zředění vzduchu s výškou umožňuje použití metody Rayleighova rozptylu ve výškách nepřesahujících 90 km. Spodní hranice výšky měření (asi 20-30 km) je dána přítomností velkého množství aerosolu v mezní vrstvě, který výrazně zvyšuje rozptyl, ale prakticky neovlivňuje hustotu vzduchu.
Třetí metoda je založena na rotačním Ramanově (Ramanově) rozptylu molekulami vzduchu (Raman lidar) [22] [25] . S rostoucí teplotou se zvyšuje intenzita přechodů s velkými kvantovými čísly, zatímco intenzita čar rotačního Ramanova spektra odpovídajících malým kvantovým číslům klesá. Přechody s velkými kvantovými čísly odpovídají čarám v Ramanově spektru , které jsou dále od střední frekvence. Teplota se určuje pomocí měření ve dvou oblastech spektra s různými teplotními závislostmi. Maximální výška ozvučení je asi 30 km, chyba měření je menší než 1 ˚K do výšky 10 km [28] . Vzhledem k tomu, že čára elastického rozptylu je v přijímači potlačena, lze měření provádět také v přítomnosti významných koncentrací aerosolů.
Měření teploty lze provádět i pomocí lidaru DIAL [22] , ale tato metoda není příliš rozšířená.
Kromě vědeckých účelů a meteorologických pozorování se aktivně testují integrované systémy pro sledování proudění vzduchu v letištních prostorách. Mezi praktické návrhy posledních let patří automatické řídicí systémy pro větrné turbíny , které pomocí lidarů určují sílu a směr větru [29] .
Včasné varování před lesním požárem . Lidar umístěný na kopci (na kopci nebo na stožáru) a skenující horizont je schopen rozlišit anomálie ve vzduchu generované požáry. Na rozdíl od pasivních infračervených systémů, které rozpoznávají pouze tepelné anomálie, lidar detekuje kouř pomocí anomálií generovaných částicemi hoření, změn chemického složení a průhlednosti vzduchu atd. Technologie s poloměrem detekce kouře 20 km byla poprvé oznámena v roce 1990 [30 ] , Stále probíhá aktivní hledání optimálních konfigurací systému [31] .
Namísto instalace lidaru na zem, kde bude přijímané odražené světlo hlučné v důsledku rozptylu ve znečištěné, nižší atmosféře, lze „atmosférický“ lidar zvednout do vzduchu nebo na oběžnou dráhu, což výrazně zlepší signál k- šumový poměr a efektivní dosah systému. První plnohodnotný orbitální lidar vynesla na oběžnou dráhu NASA v prosinci 1994 v rámci programu LITE (Lidar In-Space Technology Experiment) [32] [33] . Dvoutunový lidar LITE s metrovým odrazným dalekohledem , zvednutým do výšky 260 km, „kreslí“ na zemi rozmazanou skvrnu o průměru 300 m, což zjevně nestačilo k efektivnímu zobrazení reliéfu, a byl výhradně „atmosférický“.
Zvláště cenné se ukázaly zkušenosti s ověřováním dat družicových snímků pomocí synchronních dat z více než 60 pozemních lidarů z celého světa [34] .
První evropský orbitální lidar (projekt ALADIN) má být vypuštěn v roce 2014 [35] .
Vesmírná geodézie . Moderní vesmírné projekty se dělí na dvě oblasti – vylepšování „atmosférických“ systémů (viz zmíněný projekt Alcatel) a geodetické lidary schopné snímat zemský povrch s přijatelným rozlišením. Lidary lze použít jak na oběžné dráze Země, tak na oběžných drahách jiných planet, praktickým příkladem je palubní lidar AMS Mars Global Surveyor .
Letecká geodézie, topografie a archeologie . Americká národní oceánografická služba (NOAA) systematicky využívá letecké lidary pro topografické průzkumy mořského pobřeží. Skenovací lidar NOAA má vertikální rozlišení 15 cm a šířku pásma skenování (při nominální výšce letu) 300 m. Odkaz na absolutní výšku je proveden „od hladiny moře“ (upraveno pro příliv a odliv), na zeměpisné souřadnice – podle signálů GPS [36] . Zeměpisná služba Spojených států (USGS) provádí podobné topografické průzkumy v Antarktidě , údaje z průzkumů USGS jsou veřejně dostupné [37] . V roce 2007 zahájil USGS program pro vkládání lidarových dat do americké národní topografické databáze [38] .
Speciálním směrem používaným v praxi v seismických oblastech Spojených států je diferenciální měření výšek za účelem identifikace lokálních pohybů zemských mas v oblasti zlomu . Již v roce 1996 byla pomocí lidaru objevena dříve neznámá zlomová zóna poblíž Seattlu [39] .
Monitoring lesů a biomasy . Kosmické (např. GLAS - Geoscience Laser Altimeter System) a letecké lidary umožňují určovat výšku vegetace, zejména lesů. Je tak možné objasnit rozložení lesů, vypočítat jejich parametry (fytomasu, zásoby dřeva) a sledovat dynamiku lesního porostu (např. odlesňování v tropech ).
Letecké laserové skenování terénu umožňuje získat data o skutečném povrchu země s vyloučením zkreslení z lesů, budov apod. a také umožňuje identifikovat mělké archeologické objekty kulturní vrstvy [40] [41] [42] . Tímto způsobem byly například objeveny ruiny bývalých rozsáhlých obytných oblastí v džungli kolem chrámu Angkor Wat , které zabírají více než 1000 km² [43] .
Lidary, které skenují nemovité objekty (budovy, městskou krajinu, otevřená důlní díla) jsou relativně levné: protože je objekt nepohyblivý, nevyžaduje se od systému zpracování signálu žádná zvláštní rychlost a samotný cyklus měření může trvat poměrně dlouho (minuty). . Stejně jako najednou klesaly náklady na laserové dálkoměry a hladinoměry používané ve stavebnictví, měli bychom počítat s dalším poklesem cen stavebních a těžařských lidarů - pokles cen omezují pouze náklady na přesnou skenovací optiku. Typické aplikace:
Důlní průzkum - měření povrchových důlních děl, konstrukce trojrozměrných modelů podzemních horninových útvarů (i ve spojení se seismografickými nástroji).
Konstrukce - měření budov, kontrola odchylky rovin stěn a nosných sloupů od svislice (i v dynamice), analýza vibrací stěn a zasklení. Jámová měření, tvorba trojrozměrných modelů stavenišť pro posouzení objemu zemních prací.
Architektura je konstrukce trojrozměrných modelů městského prostředí pro posouzení vlivu navrhovaných novostaveb na vzhled města.
Měření hloubky moře . K tomuto úkolu se používá palubní diferenciální lidar. Červené vlny se téměř úplně odrážejí od mořské hladiny, zatímco zelené vlny částečně pronikají do vody, rozptýlí se v ní a odrážejí se od mořského dna. Technologie se zatím v civilní hydrografii nepoužívá kvůli velké chybě měření a malému rozsahu měřených hloubek.
Hledejte ryby . Podobné prostředky mohou detekovat známky hejn ryb v blízkých povrchových vrstvách vody. Specialisté americké státní laboratoře ESRL tvrdí, že vyhledávání ryb lehkými letouny vybavenými lidary je minimálně o řád levnější než z lodí vybavených echoloty [44] .
Záchrana lidí na moři . V roce 1999 , americké námořnictvo patentovalo letadlo lidar design použitelný k hledání lidí a lidských těl na povrchu moře; [45] , zásadní novinkou tohoto vývoje je použití optického maskování odraženého signálu, které snižuje vliv rušení.
Odbavení . Detekce min je možná pomocí lidarů přímo ponořených ve vodě (např. z bóje tažené lodí nebo vrtulníkem), ale nemá žádné zvláštní výhody oproti aktivním akustickým systémům ( sonarům ). Prostředky detekce min v povrchových vrstvách vody pomocí vzdušných lidarů byly patentovány, účinnost takových lidarů není známa.
Systémy podvodního vidění . U počátků podvodní aplikace lidarů na moři byla společnost Kaman Corporation , která si v roce 1989 patentovala funkční technologii [46] . Intenzivní (ve srovnání se vzduchem) rozptyl světla ve vodě na dlouhou dobu omezoval působení podvodních lidarů na desítky metrů. Laserový puls je schopen „prorazit“ i velké vzdálenosti, ale užitečný odražený signál je na pozadí parazitního osvětlení nerozeznatelný. Kaman tento problém překonal použitím elektronických závěrek, které otevřely optickou cestu k CCD přijímači pouze na krátkou dobu očekávané odezvy. Samotný cílový obraz byl navíc tvořen metodou „odčítání stínů“, což výrazně zvýšilo dosah systému. Kaman aplikuje metodu krátkého časového okna také na systémy letadel; v nich okamžik otevření optického kanálu nastavuje výškoměr nosného letadla [47] .
V následujících letech Kaman rozvinul téma lidarů jak ve směru zvýšení dosahu a spolehlivosti rozpoznávání vzorů, tak části nových oblastí použití. Například v roce 1999 patentováno použití lidarů k vytvoření vysokorychlostní podvodní komunikace s bezpilotními podvodními prostředky (řízenými torpédy ) přes optický kanál [48] . V roce 1992 byly navrženy jednotlivé lidary pro potápěče a přístrojové potápěče [49] . Je pravděpodobné, že významná vrstva námořního vývoje zůstává široké veřejnosti neznámá.
Určování rychlosti vozidel . V Austrálii se k určování rychlosti aut používají ty nejjednodušší lidary – stejně jako policejní radary. Optický "radar" je mnohem kompaktnější než tradiční, ale méně spolehlivý při určování rychlosti moderních automobilů: odrazy od nakloněných rovin složitého tvaru "matou" lidar.
Aktivní bezpečnostní systémyBezpilotní vozidla . V letech 1987-1995, během projektu EUREKA Prometheus , který stál Evropskou unii více než 1 miliardu dolarů, byly vyvinuty první praktické vývojové prostředky bezpilotních prostředků . Nejslavnější prototyp VaMP (vývojář - Bundeswehr University v Mnichově ) nepoužíval lidary kvůli nedostatku výpočetního výkonu tehdejších procesorů . Jejich nejnovější vývoj, MuCAR-3 (2006), používá jeden 360stupňový lidar zvednutý vysoko nad střechu vozidla spolu se směrovou přední multifokální kamerou a inerciálním navigačním systémem [50] . MuCAR-3 lidar používá subsystém pro výběr optimální trajektorie na nerovném terénu, poskytuje úhlové rozlišení 0,01° s dynamickým rozsahem optického přijímače 1:10 6 , což poskytuje efektivní pozorovací rádius 120 m Pro dosažení přijatelné rychlosti skenování svazek 64 divergentních laserových paprsků, takže jeden kompletní „rámeček“ vyžaduje jediné otočení rotujícího zrcadla [50] .
Od roku 2003 vláda USA financuje vývoj a soutěž robotických vozidel prostřednictvím Agentury pro pokročilý rozvoj obrany ( DARPA ). Tam jsou každoroční závody DARPA Grand Challenge ; závod v roce 2005 vyhrál stroj ze Stanfordu , založený na systému vidění založeném na pěti směrových pohledech lidarech.
Zařízení od Applu nazvané Project Titan pro přenos funkce autopilota do jakéhokoli auta bylo vidět na ulicích v říjnu 2017. Apple si pro testování autopilota vybral vůz Lexus RX . Na jeho střeše bylo instalováno zařízení s radarem a 12 lidary, které pomáhají systému studovat prostředí.
Automatické dokovací systémy . Kanadská společnost Optech navrhuje a vyrábí systémy pro automatické dokování na oběžné dráze na bázi lidarů [51] .
Systémy strojového vidění na krátkou vzdálenost pro roboty založené na skenovacím lidaru IBM tvoří válcový záběr s úhlem pokrytí horizontu 360° a vertikálním pozorovacím úhlem až +30..-30°. Samotný dálkoměr, instalovaný uvnitř snímací optické hlavy, pracuje na nízkovýkonovém konstantním záření modulovaném nosnou frekvencí asi 10 MHz. Vzdálenost k cílům (s nosnou 10 MHz - ne více než 15 m) je úměrná fázovému posunu mezi referenčním oscilátorem modulujícím světelný zdroj a signálem odezvy. IBM lidar používá jednoduchý analogový spojitý fázový diskriminátor a má vysoké úhlové rozlišení, které je v praxi omezeno pouze rychlostí procesoru, který zpracovává trojrozměrný "obraz" lidaru, a systémem automatického řízení signálu úrovně na výstupu přijímače (rychlé AGC zavádějí fázové zkreslení do přijímaného signálu, pomalé zužují dynamický rozsah). V letech 1990–1994 byly takové lidary testovány v obslužných robotech Josephem Engelbergerem [52] , nicméně od použití lidaru v sériových výrobcích bylo poté upuštěno ve prospěch levných ultrazvukových senzorů.
Apple instaluje lidar na iPhony a iPady od roku 2020.
