Bevezetés a LiDAR-technológiába
A lézer alapú távérzékelés (LiDAR) a távoli érzékelés egyik bevett módszere, amelyben nagy lehetőség rejlik a térképezés, monitorozás és a felületek és tárgyak felmérésének tekintetében. A LiDAR-technológia lehetővé teszi a tudósok és szakemberek számára a természetes és ember alkotta környezetek pontos, precíz és rugalmas vizsgálatát.
Az utóbbi évtizedben a LiDAR-technológia hatványozott növekedésen ment át. Ez a technológia számos területen felváltotta a hagyományos vizsgálati technikákat. A LiDAR gyakran használatos a nagy felbontású térképek létrehozásában, a földméréssel, régészettel, földrajzzal, szeizmológiával, erdészettel és légköri fizikával kapcsolatos alkalmazásokban. Továbbá használják még az önvezető járművek és robotok vezérlésében és navigálásában is. Ez a cikk a LiDAR-technológia alapjaival foglalkozik, a LiDAR-érzékelők működési alapelveivel, majd tárgyal pár példát a LiDAR rutinszerű használatáról.
Mi az a LiDAR?
A LiDAR, más néven LADAR vagy lézeres távmérés, egy optikaiérzékelő-technológia, amely intenzív, fókuszált pulzáló lézerenergiát bocsát ki, majd méri annak az idejét, amíg a visszaverődő nyalábot az érzékelők észlelik. Ezt az információt a tárgyak távolságának mérésére használja. Ebben a tekintetben a LiDAR hasonlít a RADAR-hoz (rádióérzékelés és távmérés), azzal a kivétellel, hogy diszkrét lézerimpulzusokat bocsát ki rádióhullámok helyett. A LiDAR-rendszer precíz 2D vagy 3D térképet alkot a környező tárgyakról ezeknek a fényimpulzusoknak a kibocsátásával. A LiDAR egy másik aspektusa pedig az, hogy meg tudja állapítani egy tárgy optikai karakterisztikáját is, például fényvisszaverő vagy -elnyelő képességét. Ez alapvető adatokat szolgáltat egy tárgyról és annak távolságáról – ez teszi ezt a technológiát ideálissá a térképezéshez.
1. ábra: Lézeresen feltérképezett 3D modellek az UK National TreeMap (Bluesky adatok) LiDAR mérései alapján
A LiDAR-rendszerek aktívak, mivel fényimpulzusokat bocsátanak ki, és észlelik a visszaverődő fényt. Sok LiDAR-rendszer üzemel közel-infravörös hullámhosszon (pl.: 1064 nm) az elektromágneses spektrumban, habár néhány érzékelő a zöld sávban üzemel, hogy áthatoljon a vízen és észlelje a fenék jellemzőit. A LiDAR viszonylag rövid távú érzékelőtechnológia. A legtöbb forgalomban lévő LiDAR-érzékelő 100 méterig képes észlelni, míg a fejlettebbek hatékony távolsága elérheti a 200 métert is.
A LiDAR-technológia rendkívül pontos, következetes eredményeket nyújt. Ez a technológia sok másiknak vette át a helyét, amelyek nem elég precízek az észlelés és adatok egységbe zárásának tekintetében. Sok kihívás leküzdésére, például két tárgy közötti szkennelésre való tekintettel csak a LiDAR a járható út.Gyors, precíz és közvetlen térképezési módszert nyújt, miközben pontos és könnyen elemezhető adatokat generál.A mobilitási alkalmazásokban, ahol magas fokú pontosságra és megbízhatóságra van szükség, a LiDAR-technológia gyorsan egyre népszerűbbé válik. A LiDAR a robusztus teljesítménye, kibővített hatótávja és néhány centiméteren belüli pontossága miatt képes a tárgyakat gyorsan és extrém nagy felbontásban észlelni, és hatalmas területet egységesen lefedni.
Hogyan működik a LiDAR?
A LiDAR-rendszer magában foglal egy lézert, egy navigációs inerciális mérőegységet (IMU), egy rendkívül pontos légi globális helymeghatározó rendszert (GPS) és egy számítógép-felületet. A technológia ultraibolya, látható vagy közel-infravörös fényt használ a tárgyak leképzésére. A lézer fényimpulzusokat bocsát ki, és észleli a tárgyakról visszaverődő fénynyalábot. Az érzékelő méri a kibocsátás és a lézerimpulzus visszaérkezése között eltelt időt, majd ez alapján kiszámítja a nyaláb által megtett utat. A megtett utat ezután átkonvertálja magassággá. Ezeket a méréseket a LiDAR-rendszer fő komponensei végzik, ideértve a fényenergia X, Y és Z helyzetét felismerő GPS-t és az orientációt megadó IMU-t. Ezt a folyamatot a „repülési idő”(ToF) mérésének is hívják (2. ábra). A modern LiDAR-rendszerek elég erősek ahhoz, hogy másodpercenként 900 000 impulzust lőjenek ki.
A tárgy távolsága = fénysebesség x repülési idő / 2
2.a ábra: A LiDAR-technológia blokkdiagramja
A LiDAR ezt a folyamatot másodpercenként milliószor megismétli, majd az eredményeket egy nagy felbontású 3D térképben foglalja össze. Ez a 3D térkép könnyen elemezhető adatokat tartalmaz, amelyeket a rendszerek döntéshozatalra használnak.A LiDAR-rendszer méri, emnnyi idő telik el, amíg a kibocsátott fény elér a talajig, majd a talajtól vissza.
2.b ábra: Távolságmérés LiDAR-rendszerrel
A LiDAR alkalmazásai
A LiDAR-t a történelem során mind földön, mind a levegőben alkalmazták. A felhasználás tekintetében háromféle fő LiDAR-rendszert különböztetünk meg – légi, földi és szatellit LiDAR-t.A légi LiDAR-ral a helikopterek és drónok gyűjtenek adatokat.A földi LiDAR-t mozgó járművekre és mozdulatlan állványokra szerelik fel. Az efféle LiDAR-rendszerek tökéletesek a modellezésre és a statikus topográfia megfigyelésére. A szatellit vagy űrbeli LiDAR-platformokat a Föld körül keringő szatellitekre szerelik fel, és bár óriási területek fednek le, sokkal kevésbé részletes képeket alkotnak.
A LiDAR-technológiát számos iparágban és alkalmazásban használják, mert képes megbízhatóan észlelni és távolságot mérni nagy felbontásban és precízen. A technológiát számos sikeres földmérési, régészeti, erdészeti, tengermélység-méréstani, biológiai és természetvédelmi, légköri, bányászati, földrajzi és szélerőműtelep-optimalizálási esettanulmányban használták. A LiDAR alkalmazási területei a tudomány és technológia más ágainak fejlődésének hála bővültek, és ma már számos fejlesztési cél elérésére használják, többek közt:
LiDAR a kiterjesztett valóságban:
A LiDAR-szkenner ultra részletes 3D térképet készít, így lehetővé teszi a kiterjesztettvalóság-rendszerek számára, hogy adatokat terítsenek egy precíz és megbízható térképre. Egy LiDAR által létrehozott pontfelhő-beolvasás javítja a kiterjesztettvalóság-élmények pontosságát.
LiDAR az űrből:
A LiDAR-rendszereket jó néhány űrbéli alkalmazásra is felszerelik, ahol szükség van a képalkotásra a járművek dokkolásához, vezetéséhez és azok számára leszállási zónák azonosításához. A LiDAR-technológiás szatelliteket használják a Föld és más égitestek felmérésére, térképezésére és klíma-előrejelző modellek készítésére.
LiDAR az önvezető járművekben:
A LiDAR-technológia egy kényelmes megoldást nyújt az akadályok felismerésére és elkerülésére, és lehetővé teszi a biztonságos navigációt különböző környezetben többféle jármű számára. a technológia megtalálható több alapvető gépjárműipari és mobilitási alkalmazásban, beleértve a fejlett vezetéstámogató-rendszereket (ADAS) és az önálló vezetést.
A LiDAR és az IoT:
Egyes tulajdonságai különösen hasznossá teszik a LiDAR-t a dolgok internetében (IoT) történő alkalmazásra. A LiDAR-megoldások kulcsszerepet játszanak az IoT ígéreteinek teljesítésében – számos alkalmazás biztonságát, termelékenységét és hatékonyságát növelik az okos városok, infrastruktúra, mezőgazdaság, orvostechnológia, kiskereskedelem és még sok más területén.
LiDAR a 3D nyomtatásban:
Már eddig is lehetséges volt 3D nyomtatott tárgyakat alkotni fotografikus modellezéssel. A LiDAR azonban sokkal részletesebb modelladatokat képes leképezni, így sokkal érdekesebb 3D projekteket lehet kinyomtatni.
Az ON Semiconductors bemutatott egy egypontos közvetlen repülési időt (dToF) használó lézer alapú távérzékelőt (LiDAR): a SECO-RANGEFINDER-GEVK fejlesztőkészlet-megoldást szilícium fotoelektron-sokszorozó (SiPM) technológiával szerelték fel. Az eszközben használt SiPM-technológia segít gyors reakcióidőt és magas észlelési hatásfokot nyújtani; ezzel leküzdhetők a hagyományos fotodióda-alapú megoldások kihívásai.
3. ábra: Az ON Semiconductor dTOF lézer alapú távérzékelési fejlesztőkészlete
Az eszköz NIR lézerdiódát, SiPM érzékelőket, optikákat és az észlelt jelek eltelt idővé, majd az eltelt időt távolsággá konvertálásához szükséges digitális feldolgozást alkalmaz. A létrehozott hisztogram az eszközt alkalmassá teszi különböző alkalmazásokra: például távolságmérésre, ütközésmegelőzésre és 3D térképezésre. A SiPM dToF LiDAR-platform képes a tárgyakat a 10 cm–23 m tartományban észlelni, összeszerelést nem igényel és dedikált grafikus felhasználói felülettel (GUI) üzemeltethető.
Számos előnyének hála a LiDAR-technológia és annak piaca továbbra is gyorsan fejlődik. A LiDAR bebizonyította, hogy pótolhatatlan, és a különböző területeken megfigyelhető növekedése az elkövetkező években sokkal hozzáférhetőbbé teszi majd ezeket az erőteljes érzékelőket. Más technológiákhoz képest figyelemre méltó teljesítményük előnyeinek hála csak idő kérdése, hogy a LiDAR a legtöbb iparág alapvető érzékelőjévé váljon.
