Лидар

Снимок группы Marching Bears Mound, Национальный памятник Effigy Mounds, полученный с помощью лидаров .

Fasor используется в Starfire оптического диапазоне для лидарных и звезды лазерных направляющих экспериментов настроен на D2a натрия линию и используются для возбуждения натрия атомов в верхних слоях атмосферы .

Этот лидар можно использовать для сканирования зданий, горных пород и т. Д. Для создания трехмерной модели. Лидар может наводить лазерный луч в широком диапазоне: его голова вращается по горизонтали; зеркало наклоняется вертикально. Лазерный луч используется для измерения расстояния до первого объекта на его пути.

Воспроизвести медиа

На этом изображении зритель летит вниз к пологу тропического леса и летит сквозь виртуальные листья.

На этой визуализации показан самолет, собирающий 50-километровую полосу лидарных данных над тропическим лесом Бразилии. Для объектов на уровне земли цвета варьируются от темно-коричневого до коричневого. Высота растительности изображена оттенками зеленого, где темно-зеленый ближе всего к земле, а светло-зеленый - выше всего.

Лидарный ( / л aɪ д ɑːr / , также ЛИДАР и LADAR ) представляет собой способ измерения расстояний ( в диапазоне ) путем освещения цели с лазерным светом и измерения времени отражения света требуется , чтобы вернуться к датчику. Различия во времени возврата лазера и длине волны затем можно использовать для создания цифровых трехмерных представлений цели. Он имеет наземные, бортовые и мобильные приложения.

Термин лидарный было первоначально портманто от света и радара . ^{[1] [2]} Теперь он также используется как аббревиатура словосочетаний «обнаружение света и дальность» ^[3] и «лазерная визуализация, обнаружение и дальность» . ^{[4] [5]} Лидар иногда называют трехмерным лазерным сканированием , это особая комбинация трехмерного сканирования и лазерного сканирования .

Лидар обычно используется для создания карт высокого разрешения с приложениями в геодезии , геодезии , геоматике , археологии , географии , геологии , геоморфологии , сейсмологии , лесном хозяйстве , физике атмосферы , ^[6] лазерном наведении , бортовом лазерном картографировании полосы обзора (ALSM) и лазерная альтиметрия . Эта технология также используется в управлении и навигации для некоторых автономных автомобилей . ^{[7] [8]}

История и этимология [ править ]

Под руководством Малкольма Стича компания Hughes Aircraft Company представила первую систему типа лидар в 1961 году ^{[9] [10]} вскоре после изобретения лазера . Эта система, предназначенная для слежения за спутниками, сочетает лазерно-сфокусированное изображение с возможностью расчета расстояний путем измерения времени возврата сигнала с помощью соответствующих датчиков и электроники сбора данных. Первоначально он назывался «Колидар» (сокращение от «Обнаружение и определение дальности когерентного света» ^[11]), происходящее от термина « радар », который сам по себе является аббревиатурой «Радиообнаружение и определение дальности». Все лазерные дальномеры, лазерные высотомеры и лидары произошли от ранних колидарных систем. Первым практическим наземным применением колидарной системы был «Колидар Марк II», большой лазерный дальномер, похожий на винтовку, произведенный в 1963 году, который имел дальность действия 7 миль и точность 15 футов, предназначенный для использования в военных целях. ^{[12] [10]} Первое упоминание о лидар как об отдельном слове в 1963 году предполагает, что он возник как сочетание слов « свет » и «радар»: «В конечном итоге лазер может стать чрезвычайно чувствительным детектором определенных длин волн от удаленных объектов. . в то же время, он используется для изучения луны «лидара» (свет РЛС) ...» ^[2] Оксфордский словарь английского языка поддерживает эту этимологию.^[1]

Первые приложения Lidar появились в метеорологии, где Национальный центр атмосферных исследований использовал его для измерения облаков и загрязнения. ^[13] Широкая общественность узнала о точности и полезности лидарных систем в 1971 году во время Аполлона-15.миссии, когда астронавты использовали лазерный высотомер, чтобы нанести на карту поверхность Луны. Хотя английский язык больше не рассматривает «радар» как аббревиатуру, а в печатных текстах повсеместно используется слово без заглавной буквы, слово «лидар» стало заглавным как «LIDAR» или «LiDAR» в некоторых публикациях, начиная с 1980-х годов. В настоящее время не существует единого мнения по поводу использования заглавных букв, что отражает неуверенность в том, является ли «лидар» аббревиатурой, и если это акроним, следует ли использовать его в нижнем регистре, например «радар» и « сонар ». В различных публикациях лидар именуется «LIDAR», «LiDAR», «LIDaR» или «Lidar». ЮСГС использует как «ЛИДАР» и «лидара», иногда в том же документе;^[14] New York Timesпреимущественно использует «лидар» для статей, написанных сотрудниками ^[15], хотя авторы новостных лент, такие как Reuters, могут использовать лидар. ^[16]

Общее описание [ править ]

Лидар использует ультрафиолетовый , видимый или ближний инфракрасный свет для изображения объектов. Он может нацеливаться на широкий спектр материалов, включая неметаллические объекты, камни, дождь, химические соединения, аэрозоли , облака и даже отдельные молекулы . ^[6] Узкий лазерный луч может отображать физические объекты с очень высоким разрешением ; например, самолет может отображать местность с разрешением 30 сантиметров (12 дюймов) или лучше. ^[17]

Основная концепция лидара была разработана Э. Х. Синджем в 1930 году, который предусмотрел использование мощных прожекторов для исследования атмосферы. ^{[18] [19]} Действительно, лидар с тех пор широко используется для атмосферных исследований и метеорологии . Лидарные инструменты, установленные на самолетах и спутниках, позволяют выполнять съемку и картографирование - недавним примером является лидар передовых исследований с воздуха в рамках экспериментальной службы геологической службы США. ^[20] НАСА определило лидар в качестве ключевой технологии для обеспечения автономной высокоточной безопасной посадки будущих роботов и летательных аппаратов с экипажем на Луну. ^[21]

Длины волн варьируются в зависимости от цели: примерно от 10 микрометров ( инфракрасный ) до примерно 250 нм ( УФ ). Обычно свет отражается за счет обратного рассеяния , в отличие от чистого отражения, которое можно найти с помощью зеркала. Для различных приложений лидара используются разные типы рассеяния: чаще всего рэлеевское рассеяние , рассеяние Ми , комбинационное рассеяние и флуоресценция . ^[6] Подходящие комбинации длин волн могут позволить дистанционное картирование атмосферного содержимого путем определения зависимых от длины волны изменений интенсивности возвращаемого сигнала. ^[22]

Дизайн [ править ]

Двумя видами схем лидарного обнаружения являются «некогерентное» или прямое обнаружение энергии (которое в основном измеряет изменения амплитуды отраженного света) и когерентное обнаружение (лучше всего для измерения доплеровских сдвигов или изменений фазы отраженного света). Когерентные системы обычно используют оптическое гетеродинное обнаружение . ^[23] Это более чувствительно, чем прямое обнаружение, и позволяет им работать с гораздо меньшей мощностью, но требует более сложных приемопередатчиков.

Оба типа используют импульсные модели: либо микроимпульсы, либо высокоэнергетические . Микроимпульсные системы используют прерывистые всплески энергии. Они возникли в результате постоянно растущей мощности компьютеров в сочетании с достижениями в области лазерных технологий. Они потребляют в лазере значительно меньше энергии, обычно порядка одного микроджоулей , и часто «безопасны для глаз», то есть их можно использовать без мер предосторожности. Системы большой мощности широко используются в исследованиях атмосферы, где они широко используются для измерения параметров атмосферы: высоты, слоистости и плотности облаков, свойств частиц облаков ( коэффициента экстинкции, коэффициента обратного рассеяния, деполяризации).), температуры, давления, ветра, влажности и концентрации газовых примесей (озон, метан, закись азота и т. д.). ^[24]

Компоненты [ править ]

Лидарные системы состоят из нескольких основных компонентов.

Лазер [ править ]

Лазеры 600–1000 нм чаще всего используются в ненаучных приложениях. Максимальная мощность лазера ограничена, или используется система автоматического отключения, которая отключает лазер на определенной высоте, чтобы сделать его безопасным для глаз людей на земле.

Одна из распространенных альтернатив, лазеры с длиной волны 1550 нм, безопасны для глаз при относительно высоких уровнях мощности, поскольку эта длина волны не сильно поглощается глазом, но технология детекторов менее развита, и поэтому эти длины волн обычно используются на больших расстояниях с более низкой точностью. Они также используются в военных целях, потому что 1550 нм не виден в очках ночного видения , в отличие от более короткого инфракрасного лазера на 1000 нм.

Лидары для топографического картографирования с воздуха обычно используют YAG- лазеры с диодной накачкой 1064 нм , в то время как батиметрические (подводные исследования глубины) системы обычно используют YAG-лазеры с удвоенной частотой 532 нм, потому что 532 нм проникает в воду с гораздо меньшим затуханием, чем 1064 нм. Настройки лазера включают частоту следования лазера (которая контролирует скорость сбора данных). Длина импульса обычно является атрибутом длины лазерного резонатора, количества проходов, необходимых для усиления материала (YAG, YLF и т. Д.), И скорости модуляции добротности (импульсной). Лучшее разрешение цели достигается с помощью более коротких импульсов при условии, что приемные детекторы лидара и электроника имеют достаточную полосу пропускания. ^[24]

Фазированные решетки [ править ]

Фазированная антенная решетка может освещать любое направление, используя микроскопическую матрицу отдельных антенн. Управление синхронизацией (фазой) каждой антенны направляет связный сигнал в определенном направлении.

Фазированные решетки используются в радарах с 1950-х годов. Эту же технику можно использовать и со светом. Чтобы увидеть диаграмму направленности определенного размера в определенном направлении, используется порядка миллиона оптических антенн. Система управляется точной синхронизацией вспышки. Одна микросхема (или несколько) заменяет электромеханическую систему стоимостью 75 000 долларов США, резко сокращая расходы. ^[25]

Несколько компаний работают над разработкой коммерческих твердотельных лидаров, в том числе компания Quanergy, которая разрабатывает твердотельное устройство 905 нм, хотя, похоже, у них есть некоторые проблемы в разработке. ^[26]

Система управления может изменять форму линзы для включения функций увеличения / уменьшения. Конкретные подзоны могут быть выбраны с интервалом менее секунды. ^[25]

Электромеханический лидар работает от 1000 до 2000 часов. Напротив, твердотельный лидар может работать до 100 000 часов. ^[25]

Микроэлектромеханические машины [ править ]

Микроэлектромеханические зеркала (МЭМС) не являются полностью твердотельными. Однако их крошечный форм-фактор обеспечивает многие из тех же преимуществ по стоимости. Один лазер направлен на одно зеркало, которое можно переориентировать для просмотра любой части поля цели. Зеркало быстро вращается. Однако системы MEMS обычно работают в одной плоскости (слева направо). Для добавления второго измерения обычно требуется второе зеркало, которое перемещается вверх и вниз. В качестве альтернативы другой лазер может попасть в то же зеркало под другим углом. Системы MEMS могут быть повреждены ударами / вибрацией и могут потребовать повторной калибровки. Цель состоит в том, чтобы создать небольшой микрочип для улучшения инноваций и дальнейшего технического прогресса. ^[25]

Сканер и оптика [ править ]

На скорость проявления изображений влияет скорость их сканирования. Опции для сканирования азимута и возвышения включают двойные качающиеся плоские зеркала, комбинацию с многоугольным зеркалом и двухосевой сканер . Выбор оптики влияет на угловое разрешение и дальность обнаружения. Дырчатое зеркало или светоделитель - это варианты для сбора обратного сигнала.

Электроника фотоприемника и приемника [ править ]

В лидаре используются две основные технологии фотодетекторов : твердотельные фотодетекторы, такие как кремниевые лавинные фотодиоды или фотоумножители . Чувствительность приемника - еще один параметр, который необходимо сбалансировать в конструкции лидара.

Системы позиционирования и навигации [ править ]

Датчики лидара, установленные на мобильных платформах, таких как самолеты или спутники, требуют приборов для определения абсолютного положения и ориентации датчика. Такие устройства обычно включают в себя приемник глобальной системы позиционирования и инерциальный измерительный блок (IMU).

Датчик [ править ]

Лидар использует активные датчики, которые обеспечивают собственный источник освещения. Источник энергии ударяет по объектам, и отраженная энергия обнаруживается и измеряется датчиками. Расстояние до объекта определяется путем записи времени между переданными и отраженными импульсами и использованием скорости света для расчета пройденного расстояния. ^[27] Flash LIDAR позволяет создавать трехмерные изображения из-за способности камеры излучать более крупную вспышку и определять пространственные отношения и размеры интересующей области с помощью возвращенной энергии. Это позволяет получить более точное изображение, поскольку захваченные кадры не нужно сшивать вместе, а система нечувствительна к движению платформы, что приводит к меньшим искажениям. ^[28]

Трехмерное изображение может быть достигнуто с использованием как сканирующих, так и несканирующих систем. «Лазерный радар с трехмерным стробированием» - это несканирующая лазерная локационная система, в которой применяется импульсный лазер и камера с быстрым стробированием. Начались исследования виртуального управления лучом с использованием технологии цифровой обработки света (DLP).

Лидар формирования изображения также может быть выполнен с использованием массивов высокоскоростных детекторов и матриц чувствительных к модуляции детекторов, обычно построенных на отдельных микросхемах с использованием дополнительных технологий изготовления металл-оксид-полупроводник (КМОП) и гибридных КМОП / устройств с зарядовой связью (ПЗС). В этих устройствах каждый пиксель выполняет некоторую локальную обработку, такую ​​как демодуляция или стробирование, на высокой скорости, преобразовывая сигналы с понижением частоты до скорости видео, чтобы массив можно было читать как камеру. Используя этот метод, можно одновременно получить много тысяч пикселей / каналов. ^{[29] В} трехмерных лидарных камерах высокого разрешения используется гомодинное обнаружение с электронным ПЗС- или КМОП- затвором . ^[30]

Лидар с когерентным формированием изображений использует гетеродинное обнаружение с синтетической решеткой, чтобы одноэлементный приемник мог работать так, как если бы он был массивом изображений. ^[31]

В 2014 году лаборатория Линкольна анонсировала новый чип обработки изображений с более чем 16 384 пикселями, каждый из которых может отображать один фотон, что позволяет им захватывать большую площадь на одном изображении. Более раннее поколение технологии с числом пикселей в четверть от этого числа было отправлено военными США после землетрясения на Гаити в январе 2010 года; за один проход бизнес-джета на высоте 3000 метров (10000 футов) над Порт-о-Пренс можно было мгновенно сделать снимки 600-метровых площадей города с разрешением 30 сантиметров (12 дюймов), отображая точную высоту заваленных обломками городских улиц. ^[32] Система Линкольна в 10 раз быстрее. В чипе используется арсенид индия-галлия.(InGaAs), который работает в инфракрасном спектре на относительно длинной длине волны, что позволяет использовать более высокую мощность и более длинные диапазоны. Во многих приложениях, таких как беспилотные автомобили, новая система снизит затраты, поскольку не требует наличия механического компонента для наведения чипа. InGaAs использует менее опасные длины волн, чем обычные кремниевые детекторы, которые работают на видимых длинах волн. ^[33]

Типы [ править ]

Flash LiDAR [ править ]

В лидаре со вспышкой все поле зрения освещается широким расходящимся лазерным лучом за один импульс. Это контрастирует с обычным сканирующим лидаром, в котором используется коллимированный лазерный луч, который освещает одну точку за раз, а луч сканируется в растровом формате, чтобы осветить поле зрения точка за точкой. Этот метод освещения также требует другой схемы обнаружения. И в сканирующем лидаре, и в лидаре со вспышкой времяпролетная камера используется для сбора информации как о трехмерном местоположении, так и об интенсивности падающего на нее света в каждом кадре. Однако в сканирующем лидаре эта камера содержит только точечный датчик, тогда как в лидаре со вспышкой камера содержит либо одномерный, либо двумерный массив датчиков., каждый пиксель которого собирает трехмерную информацию о местоположении и интенсивности. В обоих случаях информация о глубине собирается с использованием времени пролета лазерного импульса (т. Е. Времени, которое требуется каждому лазерному импульсу, чтобы поразить цель и вернуться к датчику), что требует импульса лазера и сбора данных с помощью синхронизируемая камера. ^[34] В результате камера снимает не цвета, а расстояние. ^[25] Вспышка LiDAR особенно выгодна по сравнению со сканированием LiDAR, когда камера, сцена или и то, и другое движутся, поскольку вся сцена освещается одновременно. При сканировании LiDAR движение может вызывать "дрожание" из-за промежутка времени, когда лазер проецируется на сцену.

Как и во всех лидарах, встроенный источник освещения делает лидар вспышкой активным датчиком. ^[35] Возвращаемый сигнал обрабатывается встроенными алгоритмами для создания почти мгновенного трехмерного рендеринга объектов и особенностей местности в поле зрения датчика. ^[36] Частота повторения лазерных импульсов достаточна для создания трехмерного видео с высоким разрешением и точностью. ^{[34] [37]} Высокая частота кадров датчика делает его полезным инструментом для множества приложений, которые выигрывают от визуализации в реальном времени, таких как высокоточные операции удаленной посадки. ^[38]Путем немедленного возврата трехмерной сетки высот целевых ландшафтов датчик вспышки можно использовать для определения оптимальных зон посадки в сценариях автономной посадки космического корабля. ^[39]

Чтобы видеть на расстоянии, нужна мощная вспышка света. Мощность ограничена уровнями, которые не повреждают сетчатку человека. Длины волн не должны влиять на глаза человека. Однако недорогие кремниевые формирователи изображения не воспринимают свет в безопасном для глаз спектре. Вместо этого требуются тепловизоры на арсениде галлия , что может увеличить затраты до 200000 долларов. ^[25] Арсенид галлия - это то же соединение, которое используется для производства дорогих и высокоэффективных солнечных панелей, обычно используемых в космических приложениях.

На основании ориентации [ править ]

Лидар может быть ориентирован на надир , зенит или горизонтально. Например, лидарные высотомеры смотрят вниз, атмосферные лидары смотрят вверх, а системы предотвращения столкновений на основе лидаров смотрят сбоку.

На основе механизма сканирования [ править ]

Лазерными проекциями лидаров можно управлять, используя различные методы и механизмы для создания эффекта сканирования: стандартный веретенообразный, который вращается для обеспечения обзора на 360 градусов; твердотельный лидар, который имеет фиксированное поле зрения, но не имеет движущихся частей, и может использовать либо МЭМС, либо оптические фазированные решетки для управления лучами; и лидар со вспышкой, который распространяет вспышку света на большое поле зрения до того, как сигнал возвращается к детектору. ^[40]

На основе платформы [ править ]

Лидарные приложения можно разделить на бортовые и наземные. ^[41] Для этих двух типов требуются сканеры с различными характеристиками в зависимости от назначения данных, размера области захвата, желаемого диапазона измерений, стоимости оборудования и т. Д. Возможны также космические платформы, см. Спутниковую лазерную альтиметрию .

В воздухе [ править ]

Воздушный лидар (также воздушное лазерное сканирование ) - это когда лазерный сканер, будучи прикрепленным к летательному аппарату во время полета, создает трехмерную модель облака точек ландшафта. В настоящее время это наиболее подробный и точный метод создания цифровых моделей рельефа , заменяющий фотограмметрию . Одним из основных преимуществ по сравнению с фотограмметрией является возможность отфильтровывать отражения от растительности из модели облака точек для создания цифровой модели местности.который представляет собой поверхности земли, такие как реки, тропы, объекты культурного наследия и т. д., которые скрыты деревьями. В категории бортовых лидаров иногда проводится различие между высотными и низковысотными приложениями, но основное различие заключается в снижении как точности, так и плотности точек данных, полученных на больших высотах. Воздушный лидар также может использоваться для создания батиметрических моделей на мелководье. ^[42]

Основными составляющими бортового лидара являются цифровые модели рельефа (DEM) и цифровые модели поверхности (DSM). Точки и наземные точки являются векторами дискретных точек, а ЦМР и ЦМР - интерполированными растровыми сетками дискретных точек. Процесс также включает в себя получение цифровых аэрофотоснимков. Для интерпретации глубинных оползней, например, под покровом растительности, уступами, трещинами растяжения или опрокидывающимися деревьями используется лидар с воздуха. С помощью цифровых лазерных моделей рельефа можно видеть сквозь лесной покров, выполнять подробные измерения уступов, эрозии и наклона электрических столбов. ^[43]

Лидарные данные, полученные с воздуха, обрабатываются с помощью набора инструментов под названием Toolbox for Lidar Data Filtering and Forest Studies (TIFFS) ^[44]для лидарной фильтрации данных и программного обеспечения для изучения местности. Данные интерполируются в цифровые модели местности с помощью программного обеспечения. Лазер направлен на область, которая должна быть нанесена на карту, и высота каждой точки над землей вычисляется путем вычитания исходной координаты z из соответствующей отметки цифровой модели местности. На основе этой высоты над землей получают данные, не относящиеся к растительности, которые могут включать такие объекты, как здания, линии электропередач, летающие птицы, насекомые и т. Д. Остальные точки рассматриваются как растительность и используются для моделирования и картирования. На каждом из этих графиков лидарные показатели рассчитываются путем вычисления таких статистических данных, как среднее значение, стандартное отклонение, асимметрия, процентили, среднее квадратичное и т. Д. ^[44]

Батиметрия с помощью лидаров [ править ]

Батиметрическая технологическая система с бортовым лидаром предусматривает измерение времени пролета сигнала от источника до его возврата к датчику. Методика сбора данных включает компонент картирования морского дна и компонент наземной достоверности, который включает в себя трансекты видео и отбор проб. Он работает с использованием лазерного луча зеленого спектра (532 нм). ^[45] Два луча проецируются на быстро вращающееся зеркало, которое создает массив точек. Один из лучей проникает в воду, а также обнаруживает нижнюю поверхность воды при благоприятных условиях.

Полученные данные показывают полную площадь поверхности суши, выступающей над морским дном. Этот метод чрезвычайно полезен, поскольку он будет играть важную роль в основной программе картирования морского дна. Картирование дает топографию суши, а также подводные возвышенности. Отражательная визуализация морского дна - еще одно решение этой системы, которое может помочь при картировании подводных местообитаний. Этот метод использовался для составления трехмерных изображений вод Калифорнии с помощью гидрографического лидара. ^[46]

В настоящее время дроны используются с лазерными сканерами, а также с другими удаленными датчиками, как более экономичный метод сканирования небольших участков. ^[47] Возможность дистанционного зондирования с помощью беспилотных летательных аппаратов также исключает любую опасность, которой могут подвергнуться экипажи пилотируемых самолетов в труднопроходимой местности или отдаленных районах.

Наземный [ править ]

Наземные применения лидаров (также наземное лазерное сканирование ) происходят на поверхности Земли и могут быть стационарными или мобильными. Стационарное наземное сканирование является наиболее распространенным методом исследования, например, при традиционной топографии, мониторинге, документации культурного наследия и судебной экспертизе. ^[41] В облаке точек 3-D , полученное из этих типов сканеров может быть сопоставлено с цифровыми изображениями , взятых из отсканированных области от места расположения сканера для создания реалистичных перспективных моделей 3-D в относительно короткий промежутка времени по сравнению с другими технологиями. Каждой точке в облаке точек присваивается цвет пикселя из полученного изображения, расположенного под тем же углом, что и лазерный луч, создавший точку.

Мобильный лидар (также мобильное лазерное сканирование ) - это когда два или более сканера прикрепляются к движущемуся транспортному средству для сбора данных по пути. Эти сканеры почти всегда работают в паре с другим оборудованием, включая приемники GNSS и IMU . Одним из примеров применения является съемка улиц, где необходимо учитывать линии электропередач, точную высоту мостов, прилегающие деревья и т. Д. - все это необходимо учитывать. Вместо того, чтобы собирать каждое из этих измерений индивидуально в полевых условиях с помощью тахометраможно создать трехмерную модель из облака точек, в которой могут быть выполнены все необходимые измерения, в зависимости от качества собранных данных. Это устраняет проблему забывания о проведении измерения, если модель доступна, надежна и имеет соответствующий уровень точности.

Картографирование наземных лидаров включает в себя процесс создания карты сетки занятости. Процесс включает в себя массив ячеек, разделенных на сетки, которые используют процесс для хранения значений высоты, когда данные лидара попадают в соответствующую ячейку сетки. Затем создается двоичная карта путем применения определенного порога к значениям ячеек для дальнейшей обработки. Следующим шагом является обработка радиального расстояния и z-координат от каждого сканирования, чтобы определить, какие трехмерные точки соответствуют каждой из указанных ячеек сетки, ведущих к процессу формирования данных. ^[48]

Полная форма волны LiDAR

Бортовые системы LiDAR традиционно могли регистрировать только несколько пиковых возвратов, в то время как более современные системы собирают и оцифровывают весь отраженный сигнал. ^[49] Ученый проанализировал сигнал формы сигнала для извлечения пиковых возвратов с помощью разложения по Гауссу. ^[50] Zhuang et al, 2017 использовали этот подход для оценки надземной биомассы. ^[51]Обработка огромных объемов данных полной формы сигнала затруднена. Следовательно, гауссовское разложение сигналов является эффективным, поскольку оно уменьшает данные и поддерживается существующими рабочими процессами, которые поддерживают интерпретацию трехмерных облаков точек. Недавние исследования изучали вокселизацию. Интенсивности образцов сигналов вставляются в вокселизированное пространство (то есть трехмерное изображение в градациях серого), формируя трехмерное представление сканируемой области. ^[49] Связанные показатели и информация затем могут быть извлечены из этого вокселизированного пространства. Структурная информация может быть извлечена с использованием трехмерных метрик из локальных областей, и есть тематическое исследование, в котором использовался подход вокселизации для обнаружения мертвых деревьев эвкалипта в Австралии. ^[52]

Приложения [ править ]

В дополнение к перечисленным ниже приложениям существует множество приложений для лидара, которые часто упоминаются в национальных программах набора данных для лидара . Эти приложения во многом определяются диапазоном эффективного обнаружения объектов; разрешение, то есть насколько точно лидар идентифицирует и классифицирует объекты; и путаница в отражении, означающая, насколько хорошо лидар может что-то видеть в присутствии ярких объектов, таких как светоотражающие знаки или яркое солнце. ^[40]

Сельское хозяйство [ править ]

Сельскохозяйственные роботы использовались для различных целей, начиная от разбрасывания семян и удобрений, сенсорных методов, а также для разведки урожая с целью борьбы с сорняками.

Лидар может помочь определить, где вносить дорогостоящие удобрения. С его помощью можно создать топографическую карту полей и выявить склоны и солнечное освещение сельскохозяйственных угодий. Исследователи Службы сельскохозяйственных исследований использовали эти топографические данные с результатами урожайности сельскохозяйственных угодий за предыдущие годы, чтобы разделить земли на зоны с высокой, средней и низкой урожайностью. ^[53] Это указывает, где вносить удобрения, чтобы максимизировать урожай.

Лидар теперь используется для наблюдения за насекомыми в полевых условиях. Использование лидара позволяет обнаруживать движение и поведение отдельных летающих насекомых с идентификацией до пола и вида. ^[54] В 2017 году была опубликована патентная заявка на эту технологию в Соединенных Штатах Америки, Европе и Китае. ^[55]

Другое приложение - картографирование урожая в садах и виноградниках для обнаружения роста листвы и необходимости обрезки или другого ухода, обнаружения изменений в урожайности фруктов или подсчета растений.

Лидар полезен в ситуациях, когда не используется GNSS , например, в ореховых и фруктовых садах, где листва блокирует спутниковые сигналы для точного сельскохозяйственного оборудования или трактора без водителя . Лидарные датчики могут обнаруживать края рядов, так что сельскохозяйственное оборудование может продолжать движение до восстановления сигнала GNSS.

Классификация видов растений [ править ]

Борьба с сорняками требует определения видов растений. Это можно сделать с помощью трехмерного лидара и машинного обучения. ^[56] Лидар создает контуры растений в виде «облака точек» со значениями дальности и отражения. Эти данные преобразуются, и из них извлекаются функции. Если вид известен, признаки добавляются как новые данные. Виды помечаются, и их характеристики изначально сохраняются в качестве примера для идентификации вида в реальной среде. Этот метод эффективен, поскольку он использует лидар с низким разрешением и контролируемое обучение. Он включает простой в вычислении набор функций с общими статистическими характеристиками, которые не зависят от размера предприятия. ^[56]

Археология [ править ]

Лидар находит множество применений в археологии, включая планирование полевых кампаний, картографирование объектов под пологом леса и обзор обширных непрерывных объектов, неотличимых от земли. ^[57] Lidar позволяет быстро и дешево создавать наборы данных с высоким разрешением. Продукты, полученные на основе лидаров, могут быть легко интегрированы в географическую информационную систему (ГИС) для анализа и интерпретации.

Лидар также может помочь в создании цифровых моделей рельефа (ЦМР) с высоким разрешением археологических памятников, которые могут выявить микротопографию, которая в противном случае скрыта растительностью. Интенсивность возвращенного лидарного сигнала может использоваться для обнаружения объектов, скрытых под плоскими покрытыми растительностью поверхностями, такими как поля, особенно при картировании с использованием инфракрасного спектра. Наличие этих свойств влияет на рост растений и, следовательно, на количество отраженного инфракрасного света. ^[58] Например, в форте Босежур- Национальный исторический памятник Форт Камберленд, Канада, лидар обнаружил археологические объекты, связанные с осадой форта в 1755 году. Объекты, которые нельзя было различить на земле или с помощью аэрофотосъемки, были идентифицированы по наложенным теням холмов на ЦМР, созданной с помощью искусственного освещения от различные углы. Другим примером может служить работа в Каракол по Арлен Чейз и его жена Диана Zaino Чейз . ^[59] В 2012 году лидар использовался для поиска легендарного города Ла-Сьюдад-Бланка или «города бога обезьян» в районе Ла Москития в джунглях Гондураса. Во время семидневного картирования были обнаружены свидетельства искусственных построек. ^{[60] [61]}В июне 2013 года было объявлено о повторном открытии города Махендрапарвата . ^[62] На юге Новой Англии лидар использовался для выявления каменных стен, фундаментов зданий, заброшенных дорог и других элементов ландшафта, скрытых при аэрофотосъемке густым пологом леса. ^{[63] [64] [65]} В Камбодже лидарные данные использовались Дамианом Эвансом и Роландом Флетчером для выявления антропогенных изменений ландшафта Ангкора ^[66]

В 2012 году Lidar показал, что в поселении Пурепеча в Ангамуко в Мичоакане , Мексика, было примерно столько же зданий, сколько и на сегодняшнем Манхэттене; ^{[67] в} то время как в 2016 году его использование для картирования древних дорог майя в северной Гватемале выявило 17 эстакад, соединяющих древний город Эль-Мирадор с другими достопримечательностями. ^{[68] [69]} В 2018 году археологи с помощью лидаров обнаружили более 60 000 искусственных сооружений в биосферном заповеднике майя , что стало «крупным прорывом», показавшим, что цивилизация майя была намного крупнее, чем считалось ранее. ^{[70] [71] [72] [73] [74] [75][76] [77] [78] [79] [80]}

Автономные транспортные средства [ править ]

Автономные транспортные средства могут использовать лидар для обнаружения и обхода препятствий, чтобы безопасно перемещаться по окружающей среде. ^{[7] [81]} Внедрение лидара стало поворотным событием, которое стало ключевым фактором для создания Стэнли , первого автономного транспортного средства, успешно прошедшего DARPA Grand Challenge . ^[82] Выходные данные облака точек от лидарного датчика предоставляют необходимые данные для программного обеспечения робота, чтобы определить, где существуют потенциальные препятствия в окружающей среде и где робот находится по отношению к этим потенциальным препятствиям. Сингапурский альянс исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART) активно разрабатывает технологии для автономных лидарных аппаратов. ^[83]Примерами компаний, производящих лидарные датчики, обычно используемые в автоматизации транспортных средств, являются Ouster ^[84] и Velodyne . ^[85] Примерами продуктов для обнаружения и предотвращения препятствий, в которых используются лидарные датчики, являются трехмерная лазерная система прогнозирования Autonomous Solution, Inc. ^[86] и Velodyne HDL-64E. ^[87] Лидарные имитационные модели также представлены в симуляторах автономных автомобилей. ^[88]

В самых первых поколениях автомобильных систем адаптивного круиз-контроля использовались только лидарные датчики.

Обнаружение объектов для транспортных систем [ править ]

В транспортных системах для обеспечения безопасности транспортных средств и пассажиров, а также для разработки электронных систем, обеспечивающих помощь водителю, важно понимать транспортное средство и окружающую его среду. Лидарные системы играют важную роль в безопасности транспортных систем. Многие электронные системы, которые добавляют к помощи водителю и безопасности транспортного средства, такие как адаптивный круиз-контроль (ACC), система экстренного торможения и антиблокировочная тормозная система (ABS), зависят от обнаружения окружающей среды транспортного средства, чтобы действовать автономно или полуавтономно. Лидарное картирование и оценка достигают этого.

Краткий обзор: современные лидарные системы используют вращающиеся шестиугольные зеркала, которые разделяют лазерный луч. Три верхних луча используются для обозначения транспортных средств и препятствий впереди, а нижние лучи используются для обнаружения разметки полос и дорожных элементов. ^[89] Основным преимуществом использования лидара является получение пространственной структуры, и эти данные могут быть объединены с другими датчиками, такими как радар.и т. д., чтобы получить лучшее представление об окружающей среде транспортного средства с точки зрения статических и динамических свойств объектов, присутствующих в окружающей среде. И наоборот, серьезной проблемой с лидаром является сложность восстановления данных облака точек в плохих погодных условиях. Например, во время сильного дождя световые импульсы, излучаемые лидарной системой, частично отражаются от капель дождя, что добавляет к данным шум, называемый «эхом». ^[90]

Ниже упомянуты различные подходы к обработке данных лидара и их использованию вместе с данными от других датчиков посредством объединения датчиков для определения условий окружающей среды транспортного средства.

Обработка на основе GRID с использованием трехмерного лидара и слияние с радиолокационными измерениями [ править ]

В этом методе, предложенном Филиппом Линднером и Гердом Ваниликом, данные лазера обрабатываются с использованием многомерной сетки занятости. ^[91] Данные четырехслойного лазера предварительно обрабатываются на уровне сигнала, а затем обрабатываются на более высоком уровне, чтобы выделить особенности препятствий. Используется комбинированная двух- и трехмерная сеточная структура, а пространство в этих структурах мозаично.на несколько дискретных ячеек. Этот метод позволяет эффективно обрабатывать огромное количество необработанных данных измерений, собирая их в пространственные контейнеры, ячейки сетки доказательств. Каждая ячейка связана с вероятностной мерой, которая определяет занятость ячейки. Эта вероятность рассчитывается с использованием измерения дальности лидарного датчика, полученного с течением времени, и нового измерения дальности, которые связаны с помощью теоремы Байеса.. Двумерная сетка может наблюдать препятствие перед собой, но не может наблюдать пространство за препятствием. Чтобы решить эту проблему, неизвестному состоянию за препятствием присваивается вероятность 0,5. Путем введения третьего измерения или, другими словами, использования многослойного лазера, пространственная конфигурация объекта может быть отображена в структуре сетки с определенной степенью сложности. Это достигается путем переноса точек измерения в трехмерную сетку. Занятые ячейки сетки будут иметь вероятность больше 0,5, и отображение будет закодировано цветом на основе вероятности. Ячейки, которые не заняты, будут иметь вероятность менее 0,5, и эта область обычно будет пустым пространством.Затем это измерение преобразуется в сеточную систему координат с использованием положения датчика на транспортном средстве и положения транспортного средства в мировой системе координат. Координаты датчика зависят от его местоположения на транспортном средстве, и координаты транспортного средства вычисляются с использованиемоценка движения , которая оценивает движение транспортного средства относительно жесткой сцены. Для этого метода необходимо определить профиль сетки. Ячейки сетки, которых касается переданный лазерный луч, рассчитываются с применением линейного алгоритма Брезенхема . Для получения пространственно протяженной структуры проводится компонентный анализ этих ячеек. Затем эта информация передается алгоритму вращающегося штангенциркуля для получения пространственных характеристик объекта. В дополнение к обнаружению лидара, данные RADAR, полученные с помощью двух радаров ближнего действия, объединяются для получения дополнительных динамических свойств объекта, таких как его скорость. Измерения назначаются объекту с помощью функции потенциального расстояния.

Преимущества и недостатки

Геометрические характеристики объектов эффективно извлекаются из измерений, полученных с помощью трехмерной сетки занятости, с использованием алгоритма вращающегося штангенциркуля. Объединение данных радара с лидарными измерениями дает информацию о динамических свойствах препятствия, таких как скорость и местоположение препятствия для местоположения датчика, что помогает транспортному средству или водителю решить, какое действие необходимо выполнить для обеспечения безопасности. Единственная проблема - вычислительные требования для реализации этого метода обработки данных. Его можно реализовать в режиме реального времени, и он доказал свою эффективность, если размер трехмерной сетки занятости значительно ограничен. Но это можно улучшить до еще более широкого диапазона, используя специальные структуры пространственных данных, которые более эффективно управляют пространственными данными для представления трехмерной сетки.

Слияние трехмерного лидара и цветной камеры для обнаружения и отслеживания нескольких объектов [ править ]

Структура, предложенная в этом методе Soonmin Hwang et al., ^[92]делится на четыре этапа. Сначала в систему вводятся данные с камеры и трехмерного лидара. Оба входных сигнала от лидара и камеры получаются параллельно, а цветное изображение с камеры калибруется с помощью лидара. Для повышения эффективности в качестве предварительной обработки применяется горизонтальная трехмерная точечная выборка. Во-вторых, на этапе сегментации все трехмерные точки делятся на несколько групп по расстоянию от датчика, и последовательно оцениваются локальные плоскости от ближней плоскости до дальней плоскости. Местные плоскости оцениваются с помощью статистического анализа. Группа точек ближе к датчику используется для расчета начальной плоскости. Используя текущую локальную плоскость, следующая локальная плоскость оценивается посредством итеративного обновления. Предложения объектов на двумерном изображении используются для отделения объектов переднего плана от фона.Для более быстрого и точного обнаружения и отслеживания используются бинаризованные нормированные градиенты (BING) для оценки объектности со скоростью 300 кадров в секунду.^[93] BING - это комбинация нормированного градиента и его бинаризованной версии, которая ускоряет процесс извлечения признаков и тестирования для оценки объектности окна изображения. Таким образом разделяются объекты переднего и заднего плана. Чтобы сформировать объекты после оценки объектности изображения с помощью BING, трехмерные точки группируются или группируются. Кластеризация выполняется с помощью DBSCAN.(Пространственная кластеризация приложений с шумом на основе плотности), который может быть устойчивым из-за его менее параметрических характеристик. Используя сгруппированные трехмерные точки, то есть трехмерный сегмент, более точные области интересов (RoI) генерируются путем проецирования трехмерных точек на двухмерное изображение. Третий шаг - это обнаружение, которое в общих чертах делится на две части. Во-первых, это обнаружение объекта на двумерном изображении, которое достигается с помощью Fast R-CNN ^[94], поскольку этот метод не требует обучения, а также учитывает изображение и несколько областей интереса. Во-вторых, это обнаружение объекта в трехмерном пространстве, которое осуществляется методом вращения изображения. ^[95]Этот метод извлекает локальные и глобальные гистограммы для представления определенного объекта. Чтобы объединить результаты обнаружения двухмерного изображения и трехмерного космического объекта, рассматривается одна и та же трехмерная область, и к рассматриваемой области применяются два независимых классификатора из двухмерного изображения и трехмерного пространства. Калибровка результатов ^[96]выполняется для получения единой оценки достоверности от обоих детекторов. Эта единственная оценка получается в форме вероятности. Последний шаг - отслеживание. Это делается путем связывания движущихся объектов в настоящем и прошлом кадре. Для отслеживания объекта принято совпадение сегментов. Вычисляются такие характеристики, как среднее значение, стандартное отклонение, квантованные цветовые гистограммы, размер объема и количество трехмерных точек сегмента. Евклидово расстояние используется для измерения различий между сегментами. Чтобы судить о появлении и исчезновении объекта, берутся похожие сегменты (полученные на основе евклидова расстояния) из двух разных кадров и вычисляются оценки физического расстояния и несходства. Если оценки выходят за пределы диапазона для каждого сегмента в предыдущем кадре, отслеживаемый объект считается исчезнувшим.

Преимущества и недостатки

Преимущества этого метода заключаются в использовании двухмерного изображения и трехмерных данных вместе, F l-score (который дает меру точности теста), средняя точность (AP) выше, чем при использовании только трехмерных данных с лидара. использовал. Эти оценки являются обычными измерениями, по которым оценивается структура. Недостатком этого метода является использование BING для оценки предложения объекта, поскольку BING предсказывает небольшой набор ограничивающих рамок объекта.

Обнаружение препятствий и распознавание дорожной обстановки с помощью лидара [ править ]

Этот метод, предложенный Kun Zhou et al. ^[97] не только фокусируется на обнаружении и отслеживании объектов, но также распознает разметку полос и особенности дороги. Как упоминалось ранее, в лидарных системах используются вращающиеся шестиугольные зеркала, которые разделяют лазерный луч на шесть лучей. Три верхних слоя используются для обнаружения движущихся вперед объектов, таких как автомобили и придорожные объекты. Датчик изготовлен из атмосферостойкого материала. Данные, обнаруженные лидаром, группируются в несколько сегментов и отслеживаются фильтром Калмана.. Кластеризация данных здесь выполняется на основе характеристик каждого сегмента на основе модели объекта, которая различает различные объекты, такие как автомобили, вывески и т. Д. Эти характеристики включают размеры объекта и т. Д. Отражатели на задних краях транспортных средств используются для отличать автомобили от других объектов. Отслеживание объектов выполняется с использованием 2-ступенчатого фильтра Калмана с учетом стабильности отслеживания и ускоренного движения объектов ^[89]. Данные об интенсивности отражения лидара также используются для обнаружения обочин за счет использования надежной регрессии для работы с окклюзиями. Дорожная разметка обнаруживается с помощью модифицированного метода Оцу путем различения шероховатых и блестящих поверхностей. ^[98]

Преимущества

Придорожные отражатели, обозначающие границу полосы движения, иногда по разным причинам скрываются. Следовательно, для распознавания дорожной границы необходима другая информация. Лидар, используемый в этом методе, может измерять отражательную способность от объекта. Следовательно, с помощью этих данных можно также распознать границу дороги. Кроме того, использование датчика с устойчивой к погодным условиям головкой помогает обнаруживать объекты даже в плохих погодных условиях. Модель высоты навеса до и после наводнения является хорошим примером. Лидар может обнаруживать подробные данные о высоте купола, а также его границы дороги.

Лидарные измерения помогают определить пространственную структуру препятствия. Это помогает различать объекты по размеру и оценивать влияние наезда на них. ^[91]

Лидарные системы обеспечивают лучшую дальность и большое поле обзора, что помогает обнаруживать препятствия на поворотах. Это одно из основных преимуществ перед радиолокационными системами, которые имеют более узкое поле зрения. Сочетание лидарных измерений с различными датчиками делает систему надежной и полезной в приложениях реального времени, поскольку лидарные системы не могут оценивать динамическую информацию об обнаруженном объекте. ^[91]

Было показано, что лидаром можно манипулировать, так что беспилотные автомобили заставляют их уклоняться. ^[99]

Биология и охрана [ править ]

Лидар также нашел множество применений в лесном хозяйстве . Высота растительного покрова , измерения биомассы и площадь листьев могут быть изучены с помощью бортовых лидарных систем. Точно так же лидар также используется во многих отраслях промышленности, включая энергетику и железную дорогу, а также министерство транспорта как более быстрый способ съемки. Топографические карты также могут быть легко созданы с помощью лидара, в том числе для использования в развлекательных целях, например, при создании карт для спортивного ориентирования . ^[100] Лидар также применялся для оценки и оценки биоразнообразия растений, грибов и животных. ^{[101] [102] [103]}

Кроме того, Лига спасения секвойи предприняла проект по нанесению на карту высоких секвойи на побережье Северной Калифорнии. Лидар позволяет ученым-исследователям не только измерять высоту ранее не нанесенных на карту деревьев, но и определять биоразнообразие леса секвойи. Стивен Силлетт , который работает с Лигой над лидарным проектом Северного побережья, утверждает, что эта технология будет полезна в будущих усилиях по сохранению и защите древних красных деревьев. ^{[104] [ требуется полная ссылка ]}

Геология и почвоведение [ править ]

Цифровые карты высот с высоким разрешением, созданные с помощью бортовых и стационарных лидаров, привели к значительному прогрессу в геоморфологии (отрасли наук о Земле, занимающейся происхождением и эволюцией топографии земной поверхности). Способность лидара обнаруживать тонкие топографические особенности, такие как речные террасы и берега речных каналов, измерять высоту поверхности земли под растительным покровом, лучше разрешать пространственные производные высоты и обнаруживать изменения высоты между повторными съемками, позволили провести множество новых исследований. физических и химических процессов, которые формируют ландшафты. ^[105] В 2005 году Тур Ронд в массиве Монблан стал первой высокогорной альпийской горой.на котором лидар использовался для наблюдения за учащающимися обвалами крупных скальных пород, предположительно вызванными изменением климата и деградацией вечной мерзлоты на большой высоте. ^[106]

Лидар также используется в структурной геологии и геофизике как комбинация бортового лидара и GNSS для обнаружения и изучения разломов , для измерения подъема . ^[107] Благодаря двум технологиям можно получить чрезвычайно точные модели рельефа местности - модели, которые могут даже измерять высоту земли сквозь деревья. Эта комбинация наиболее широко использовалась для определения местоположения Сиэтлского разлома в Вашингтоне , США. ^[108] Эта комбинация также измеряет поднятие на горе Сент-Хеленс с использованием данных до и после подъема 2004 года. ^[109] Монитор бортовых лидарных систем.ледники и способны обнаруживать незначительное увеличение или уменьшение. Спутниковая система NASA ICESat включает для этой цели лидарную подсистему . Авиационный топографический картограф НАСА ^[110] также широко используется для мониторинга ледников и выполнения анализа изменений прибрежной зоны. Комбинация также используется почвоведами при проведении исследования почвы . Детальное моделирование ландшафта позволяет почвоведам видеть изменения склонов и изломы рельефа, которые указывают закономерности в пространственных отношениях почвы.

Атмосфера [ править ]

Первоначально на основе рубиновых лазеров лидары для метеорологии были созданы вскоре после изобретения лазера и представляют собой одно из первых применений лазерной технологии. С тех пор возможности лидарной технологии значительно расширились, и лидарные системы используются для выполнения ряда измерений, включая профилирование облаков, измерение ветра, изучение аэрозолей и количественное определение различных атмосферных компонентов. Компоненты атмосферы, в свою очередь, могут предоставить полезную информацию, включая приземное давление (путем измерения поглощения кислорода или азота), выбросы парниковых газов (диоксид углерода и метан), фотосинтез (диоксид углерода), пожары (оксид углерода) и влажность (водяной пар). . Атмосферные лидары могут быть наземными, бортовыми или спутниковыми, в зависимости от типа измерения.

Дистанционное зондирование атмосферы с помощью лидара работает двумя способами:

1. измеряя обратное рассеяние от атмосферы, и
2. путем измерения рассеянного отражения от земли (когда лидар находится в воздухе) или другой твердой поверхности.

Обратное рассеяние из атмосферы дает прямую оценку облаков и аэрозолей. Другие производные измерения на основе обратного рассеяния, такие как ветер или кристаллы перистого льда, требуют тщательного выбора длины волны и / или поляризации. Доплеровский лидар и доплеровский лидар Рэлея используются для измерения температуры и / или скорости ветра вдоль луча путем измерения частоты обратно рассеянного света. Доплеровское уширение газов в движении позволяет определять свойства через результирующий сдвиг частоты. ^[111] Сканирующие лидары, такие как HARLIE LIDAR NASA с коническим сканированием, использовались для измерения скорости атмосферного ветра. ^[112] ЕКАВетровая миссия ADM-Aeolus будет оснащена доплеровской лидарной системой для обеспечения глобальных измерений вертикальных профилей ветра. ^[113] Доплеровский лидар использовался на летних Олимпийских играх 2008 года для измерения полей ветра во время соревнований по яхтам. ^[114]

Доплеровские лидарные системы теперь также начинают успешно применяться в секторе возобновляемых источников энергии для получения данных о скорости ветра, турбулентности, отклонении ветра и сдвиге ветра. Используются как импульсные, так и непрерывные волновые системы. Импульсные системы используют синхронизацию сигнала для получения разрешения по вертикали, тогда как системы с непрерывной волной полагаются на фокусировку детектора.

Термин « эолика » был предложен для описания совместных и междисциплинарных исследований ветра с использованием компьютерного моделирования гидродинамики и измерений с помощью доплеровского лидара. ^[115]

Отражение от земли бортового лидара дает меру отражательной способности поверхности (при условии, что коэффициент пропускания атмосферы хорошо известен) на длине волны лидара, однако отражение от земли обычно используется для измерения поглощения атмосферы. При измерениях методом «лидара дифференциального поглощения» (DIAL) используются две или более близко расположенных (<1 нм) длин волн, чтобы вычесть отражательную способность поверхности, а также другие потери при передаче, поскольку эти факторы относительно нечувствительны к длине волны. При настройке на соответствующие линии поглощения определенного газа, измерения DIAL могут использоваться для определения концентрации (соотношения смешивания) этого конкретного газа в атмосфере. Это называется интегрированным дифференциальным поглощением на траектории.(IPDA), поскольку это мера интегрального поглощения по всей длине лидара. Лидары IPDA могут быть импульсными ^{[116] [117]} или непрерывными ^[118] и обычно используют две или более длин волн. ^[119] Лидары IPDA использовались для дистанционного зондирования углекислого газа ^{[116] [117] [118]} и метана. ^[120]

Синтетический массив лидар позволяет лидар изображений без необходимости детектора массива. Его можно использовать для визуализации доплеровской велосиметрии, визуализации со сверхбыстрой частотой кадров (МГц), а также дляуменьшения спеклов в когерентном лидаре. ^[31] Грант дает обширную библиографию по лидарам для атмосферных и гидросферных приложений. ^[121]

Принцип Шаймпфлюга [ править ]

Появился еще один лидарный метод дистанционного зондирования атмосферы. Он основан на принципе Шаймпфлюга , именуемого Шаймпфлюга лидара ( slidar ). ^[122]

" Смысл принципа Шаймпфлюга состоит в том, что, когда лазерный луч передается в атмосферу, отраженное эхо всего освещающего объема зонда все еще находится в фокусе одновременно без уменьшения апертуры, пока плоскость объекта, плоскость изображения и плоскость линзы пересекаются друг с другом ». ^[123] Двумерная камера CCD / CMOS используется для разрешения отраженного эха переданного лазерного луча.

Таким образом, как и в случае традиционных лидарных технологий, источники непрерывного излучения, такие как диодные лазеры, могут использоваться для дистанционного зондирования вместо использования сложных наносекундных импульсных источников света. ^[123] Система SLidar также является надежной и недорогой системой, основанной на компактных лазерных диодах и матричных детекторах. ^{[123] [124] [125]} Система непрерывной волны (CW) NO ₂ DIAL, основанная на принципе Шаймпфлюга, была разработана с использованием в качестве источника света компактного высокомощного многомодового лазерного диода CW с длиной волны 450 нм. Лазерное излучение на длинах волн NO ₂ в рабочем и автономном режимеспектры поглощения реализуются настройкой инжекционного тока лазерного диода. Лидарные сигналы обнаруживаются ПЗС-датчиком изображения с наклонной под углом 45 ° областью, удовлетворяющим принципу Шаймпфлюга. Диапазон-не решен NO ₂ концентраций на ближайшую горизонтальной траектории получается NO ₂ системы DIAL в диапазоне 0,3-3 км и показывает хорошее согласие с измеренным с помощью обычной станции мониторинга загрязнения воздуха. Чувствительность обнаружения ± 0,9 ppbv при уровне достоверности 95% в области 0,3–1 км достигается при 15-минутном усреднении и разрешении по дальности 700 м в темное время суток, что позволяет точно измерять концентрацию NO ₂ в окружающей среде . Недорогая и надежная система DIAL, продемонстрированная в этой работе, открывает много возможностей для поля NO _2.приложения дистанционного зондирования. ^[126]

Правоохранительные органы [ править ]

Лидарные пушки используются полицией для измерения скорости транспортных средств в целях обеспечения соблюдения ограничений скорости . ^[127] Кроме того, он используется в криминалистике для помощи при расследовании места преступления. Сканирование сцены выполняется для записи точных деталей размещения объекта, крови и другой важной информации для последующего просмотра. Эти сканы также могут использоваться для определения траектории пули в случае стрельбы. ^[128]

Военные [ править ]

Известно, что некоторые военные приложения используются и классифицируются (например, измерение скорости на основе лидаров малозаметной ядерной крылатой ракеты AGM-129 ACM ), но в настоящее время ведется значительный объем исследований по их использованию для получения изображений. Системы с более высоким разрешением собирают достаточно деталей, чтобы идентифицировать цели, например танки . Примеры использования лидаров в военных целях включают в себя систему обнаружения мин с воздуха (ALMDS) для борьбы с минной войной от Areté Associates. ^[129]

В отчете НАТО (RTO-TR-SET-098) оцениваются потенциальные технологии, позволяющие проводить дистанционное обнаружение для обнаружения боевых биологических агентов. Оценивались потенциальные технологии: длинноволновое инфракрасное излучение (LWIR), дифференциальное рассеяние (DISC) и флуоресценция, индуцированная ультрафиолетовым лазером (UV-LIF). В отчете сделан вывод, что: Основываясь на результатах испытанных и обсужденных выше лидарных систем, Целевая группа рекомендует, что наилучшим вариантом для краткосрочного (2008–2010 гг.) Применения систем обнаружения дистанции является UV-LIF , ^{[130 ]} однако, в долгосрочной перспективе, другие методы, такие как рамановская спектроскопия в режиме ожидания, могут оказаться полезными для идентификации боевых биологических агентов.

Компактный спектрометрический лидар малого радиуса действия, основанный на лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF), будет устранять присутствие биологических угроз в форме аэрозоля над критически важными внутренними, полузакрытыми и открытыми объектами, такими как стадионы, метро и аэропорты. Эта возможность работы в режиме, близком к реальному времени, позволит быстро обнаруживать выброс биоаэрозолей и своевременно принимать меры по защите пассажиров и минимизации степени загрязнения. ^[131]

Система обнаружения биологического противостояния на большом расстоянии (LR-BSDS) была разработана для армии США, чтобы обеспечить как можно более раннее предупреждение о биологической атаке. Это бортовая система на вертолете для обнаружения синтетических аэрозольных облаков, содержащих биологические и химические агенты, на большом расстоянии. LR-BSDS с дальностью обнаружения 30 км и более был запущен в эксплуатацию в июне 1997 года. ^[132] Пять лидарных единиц, произведенных немецкой компанией Sick AG, использовались для обнаружения ближнего радиуса действия на Stanley , автономном автомобиле , выигравшем в 2005 году. DARPA Grand Challenge .

Роботизированный Boeing AH-6 в июне 2010 года выполнил полностью автономный полет, в том числе избегая препятствий с помощью лидара. ^{[133] [134]}

Горное дело [ править ]

Для расчета объемов руды осуществляется периодическое (ежемесячное) сканирование участков удаления руды с последующим сравнением данных с поверхности с предыдущим сканированием. ^[135]

Лидарные датчики могут также использоваться для обнаружения и предотвращения препятствий для роботизированных горнодобывающих машин, например, в автономной транспортной системе Komatsu (AHS) ^[136], используемой в шахте будущего Rio Tinto.

Физика и астрономия [ править ]

Всемирная сеть обсерваторий использует лидары для измерения расстояния до отражателей, размещенных на Луне , что позволяет определять положение Луны с точностью до миллиметра и проводить тесты общей теории относительности . MOLA , лазерный высотомер на орбите Марса , использовал лидар на орбите спутника Марса (NASA Mars Global Surveyor ), чтобы произвести потрясающе точную глобальную топографическую съемку красной планеты. Лазерные высотомеры производили глобальные модели высоты Марса, Луны (Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA)), Меркурия (Mercury Laser Altimeter (MLA)), NEAR – Shoemaker Laser Rangefinder (NLR). ^[137]Будущие миссии также будут включать эксперименты с лазерными высотомерами, такими как лазерный высотомер Ганимеда (GALA), в рамках миссии Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE). ^[137]

В сентябре 2008 года космический аппарат NASA Phoenix Lander использовал лидар для обнаружения снега в атмосфере Марса. ^[138]

В физике атмосферы лидар используется в качестве инструмента дистанционного обнаружения для измерения плотности определенных компонентов средней и верхней атмосферы, таких как калий , натрий или молекулярный азот и кислород . Эти измерения можно использовать для расчета температуры. Лидар также может использоваться для измерения скорости ветра и получения информации о вертикальном распределении аэрозольных частиц. ^[139]

В исследовательском центре ядерного синтеза JET в Великобритании недалеко от Абингдона, Оксфордшир , лидар Thomson Scattering используется для определения профилей электронной плотности и температуры в плазме . ^[140]

Механика горных пород [ править ]

Лидар широко используется в механике горных пород для определения характеристик массива горных пород и обнаружения изменений уклона. Некоторые важные геомеханические свойства массива горных пород могут быть извлечены из трехмерных облаков точек, полученных с помощью лидара. Некоторые из этих свойств:

• Ориентация разрыва ^{[141] [142] [143]}
• Расстояние между разрывами и RQD ^{[143] [144] [145]}
• Апертура неоднородности
• Устойчивость разрыва ^{[143] [145] [146]}
• Шероховатость неоднородности ^[145]
• Проникновение воды

Некоторые из этих свойств использовались для оценки геомеханического качества массива горных пород с помощью индекса RMR . Более того, поскольку ориентации несплошностей могут быть извлечены с использованием существующих методологий, можно оценить геомеханическое качество склона породы с помощью индекса SMR . ^[147] В дополнение к этому, сравнение различных трехмерных облаков точек на склоне, полученное в разное время, позволяет исследователям изучить изменения, произведенные на сцене в течение этого временного интервала в результате камнепадов или любых других оползневых процессов. ^{[148] [149] [150]}

ТОР

THOR - это лазер, предназначенный для измерения атмосферных условий Земли. Лазер входит в облачный покров ^[151] и измеряет толщину отраженного гало. Датчик имеет оптоволоконную апертуру шириной 7,5 дюймов, которая используется для измерения отраженного света.

Робототехника [ править ]

Лидарная технология используется в робототехнике для восприятия окружающей среды, а также для классификации объектов. ^[152] Способность лидарной технологии предоставлять трехмерные карты высот местности, высокоточного расстояния до земли и скорости приближения может обеспечить безопасную посадку роботизированных и пилотируемых транспортных средств с высокой степенью точности. ^[21] Лидары также широко используются в робототехнике для одновременной локализации и картирования и хорошо интегрированы в симуляторы роботов. ^[153] Дополнительные примеры см. В разделе «Военные» выше.

Космический полет [ править ]

Лидарное все чаще используют для дальномера и орбитального элемент расчета относительной скорости в близости операциях и зависания из космических аппаратов . Лидар также использовался для атмосферныхисследования из космоса. Короткие импульсы лазерного света, излучаемого космическим кораблем, могут отражаться от крошечных частиц в атмосфере и возвращаться обратно в телескоп, совмещенный с лазером космического корабля. Точно синхронизируя «эхо» лидара и измеряя, сколько лазерного света принимает телескоп, ученые могут точно определить местоположение, распределение и природу частиц. Результатом стал революционно новый инструмент для изучения составляющих атмосферы, от облачных капель до промышленных загрязнителей, которые трудно обнаружить другими способами » ^{[154] [155].}

Лазерный РВИ используется для цифровых высот карты планет, включая Марс Орбитальный лазерный высотомер отображения (MOLA) Марса, ^[156] Лунный Орбитальный лазерный высотомер (LOLA) ^[157] и Lunar высотомер (LAlt) отображение Луны, и картирование Меркурия с помощью лазерного высотомера (MLA). ^[158]

Съемка [ править ]

Авиационные лидарные датчики используются компаниями в области дистанционного зондирования. Их можно использовать для создания ЦМР (цифровой модели местности) или ЦМР ( цифровой модели рельефа ); это довольно распространенная практика для больших площадей, поскольку самолет может преодолевать полосы шириной 3–4 км за один пролет. Более высокая точность по вертикали менее 50 мм может быть достигнута с более низкой эстакадой, даже в лесах, где она может дать высоту навеса, а также отметку земли. Обычно для связи данных с WGS ( Мировая геодезическая система ) требуется приемник GNSS, настроенный на контрольную точку с географической привязкой . ^[159]

LiDAR также используются при гидрографических съемках . В зависимости от прозрачности воды LiDAR может измерять глубины от 0,9 м до 40 м с точностью по вертикали 15 см и точностью по горизонтали 2,5 м. ^[160]

Лесное хозяйство

Лидарные системы также применялись для улучшения управления лесным хозяйством. ^[161] Измерения используются для инвентаризации лесных участков, а также для расчета высоты отдельных деревьев, ширины кроны и диаметра кроны. Другой статистический анализ использует лидарные данные для оценки общей информации о участке, такой как объем растительного покрова, средняя, ​​минимальная и максимальная высота, а также оценки растительного покрова. Аэрофотоснимок LiDAR использовался для картирования лесных пожаров в Австралии в начале 2020 года. Данные были обработаны для просмотра голой земли и выявления здоровой и сгоревшей растительности. ^[162]

Транспорт [ править ]

Лидар использовался в железнодорожной отрасли для создания отчетов о состоянии активов для управления активами и транспортными департаментами для оценки состояния дорог. CivilMaps.com - ведущая компания в этой области. ^[163] Лидар использовался в системах адаптивного круиз-контроля (АСС) для автомобилей. Такие системы, как Siemens, Hella, Ouster и Cepton, используют лидарное устройство, установленное на передней части транспортного средства, например на бампере, для отслеживания расстояния между транспортным средством и любым транспортным средством перед ним. ^[164]В случае, если впереди идущий автомобиль замедляется или приближается к нему, ACC задействует тормоза, чтобы замедлить автомобиль. Когда дорога впереди свободна, ACC позволяет автомобилю разгоняться до скорости, заданной водителем. Дополнительные примеры см. В разделе «Военные» выше. Устройство лидара на основе, то облакомер используется в аэропортах по всему миру , чтобы измерить высоту облаков на ВПП захода на посадку путей. ^{[165] [ необходима ссылка ]}

Оптимизация ветряных электростанций [ править ]

Лидар можно использовать для увеличения выработки энергии ветряными электростанциями путем точного измерения скорости ветра и турбулентности ветра. ^{[166] [167]} Экспериментальные лидарное системы ^{[168] [169]} могут быть установлены на гондоле ^[170] о наличии ветра турбины или интегрированные во вращающийся обтекатель втулки ^[171] для измерения встречного горизонтального ветра, ^[172] ветры вслед ветряной турбины, ^[173] и заранее отрегулируйте лопасти для защиты компонентов и увеличения мощности. Лидар также используется для характеристики падающего ветрового ресурса для сравнения с выработкой энергии ветряной турбиной для проверки рабочих характеристик ветряной турбины ^[174]путем измерения кривой мощности ветряной турбины. ^[175] Оптимизация ветряных электростанций может рассматриваться как тема прикладной эологии . Другим аспектом лидаров в ветроэнергетике является использование вычислительной гидродинамики над сканируемыми лидаром поверхностями для оценки потенциала ветра ^[176], который может быть использован для оптимального размещения ветряных электростанций.

Оптимизация солнечной фотоэлектрической установки [ править ]

Лидар также может использоваться для помощи проектировщикам и разработчикам в оптимизации солнечных фотоэлектрических систем на уровне города путем определения соответствующих крыш ^{[177] [178]} и для определения потерь затенения . ^[179] Недавние усилия по воздушному лазерному сканированию были сосредоточены на способах оценки количества солнечного света, попадающего на вертикальные фасады зданий, ^[180] или путем включения более подробных потерь затенения с учетом влияния растительности и более обширной окружающей местности. ^[181]

Видеоигры [ править ]

В последних гоночных играх-симуляторах, таких как rFactor Pro , iRacing , Assetto Corsa и Project CARS, все чаще используются гоночные треки, воспроизводимые из трехмерных облаков точек, полученных с помощью лидарных съемок, в результате чего поверхности воспроизводятся с сантиметровой или миллиметровой точностью в игровой трехмерной среде. . ^{[182] [183] [184]}

Исследовательская игра Scanner Sombre 2017 года от Introversion Software использует лидар в качестве фундаментальной игровой механики.

Другое использование [ править ]

Считается, что видео на песню " Карточный домик " от Radiohead было первым использованием трехмерного лазерного сканирования в реальном времени для записи музыкального видео. Данные о дальности в видео не полностью получены с лидара, так как также используется сканирование структурированного света. ^[185]

Альтернативные технологии [ править ]

Недавняя разработка технологии Structure From Motion (SFM) позволяет создавать трехмерные изображения и карты на основе данных, извлеченных из визуальной и инфракрасной фотографии. Высота или трехмерные данные извлекаются с использованием нескольких параллельных проходов по нанесенной на карту области, что дает как визуальные световые изображения, так и трехмерную структуру с одного и того же датчика, который часто представляет собой специально подобранную и откалиброванную цифровую камеру . ^{[ необходима цитата ]}

Компьютерное стереозрение показало себя многообещающим в качестве альтернативы LiDAR для приложений с близкого расстояния. ^[186]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Гил, Эмилио; Льоренс, Хорди; Ллоп, Хорди; Фабрегас, Ксавье; Галларт, Монтсеррат (2013). « Использование наземного датчика LIDAR для обнаружения сноса при опрыскивании виноградников ». Датчики . 13 (1): 516–534. DOI : 10.3390 / s130100516. ISSN  1424-8220. PMC  3574688. PMID  23282583.
• Наследие, Э. (2011). 3D-лазерное сканирование для наследия. Советы и рекомендации для пользователей по лазерному сканированию в археологии и архитектуре. Доступно на www.english-heritage.org.uk. 3D-лазерное сканирование для наследия | Историческая Англия
• Heritage, G., & Large, A. (ред.). (2009). Лазерное сканирование для наук об окружающей среде. Джон Вили и сыновья. ISBN 1-4051-5717-8 
• Мальтамо М., Нессет Э. и Ваухконен Дж. (2014). Применение воздушного лазерного сканирования в лесном хозяйстве: концепции и тематические исследования (том 27). Springer Science & Business Media. ISBN 94-017-8662-3 
• Шан, Дж., И Тот, К. К. (ред.). (2008). Топографическая лазерная локация и сканирование: принципы и обработка. CRC Press. ISBN 1-4200-5142-3 
• Фоссельман, Г., и Маас, Х.Г. (ред.). (2010). Воздушное и наземное лазерное сканирование. Издательство Whittles. ISBN 1-4398-2798-2 

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме LIDAR .

• Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) (15 апреля 2020 г.). "Что такое ЛИДАР?" . Национальная океаническая служба NOAA .
• Центр координации информации и знаний о лидарах (CLICK) Геологической службы США (USGS) - веб-сайт, предназначенный для «облегчения доступа к данным, координации действий пользователей и обучения использованию лидарного дистанционного зондирования для научных нужд».
• Бесплатная онлайн-программа для просмотра лидарных данных
• Новости индустрии лидаров и образование