Лидар ( / ˈ l aɪ d ɑːr / , также LIDAR , LiDAR или LADAR , аббревиатура от «обнаружение света и дальность» [1] или «лазерная визуализация, обнаружение и дальность» [2] ) — это метод определения дальности путем нацеливание на объект или поверхность с помощью лазера и измерение времени, в течение которого отраженный свет вернется в приемник. Лидар может работать в фиксированном направлении (например, вертикальном) или может сканировать в нескольких направлениях, и в этом случае он известен как лидарное сканирование или 3D-лазерное сканирование , особая комбинация 3-D сканирования и лазерного сканирования . [3] Лидар имеет наземные, воздушные и мобильные приложения. [4] [5]
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 , воздушном лазерном картировании полосы (ALSM) и лазерная альтиметрия . Он используется для создания цифровых трехмерных изображений областей на поверхности Земли и дна океана в приливной и прибрежной зонах путем изменения длины волны света. Он также все чаще используется в управлении и навигации для автономных автомобилей [7] и для вертолета Ingenuity во время его рекордных полетов над поверхностью Марса . [8]
Эволюция квантовых технологий привела к появлению Quantum LiDAR, демонстрирующего более высокую эффективность и чувствительность по сравнению с обычными системами LiDAR. [9]
Под руководством Малкольма Стича компания Hughes Aircraft Company представила первую систему, подобную лидару, в 1961 году [10] [11] вскоре после изобретения лазера. Эта система, предназначенная для спутникового слежения, сочетала в себе лазерно-фокусированную визуализацию с возможностью расчета расстояний путем измерения времени возвращения сигнала с помощью соответствующих датчиков и электроники сбора данных. Первоначально он назывался «Колидар», аббревиатура от «обнаружение и определение дальности когерентного света», [12] происходящая от термина « радар », который сам по себе является аббревиатурой от «радиообнаружение и определение дальности». Все лазерные дальномеры , лазерные высотомеры и лидарные устройства заимствованы из ранних колидарных систем.
Первым практическим наземным применением колидарной системы стал «Colidar Mark II», большой лазерный дальномер, похожий на винтовку, выпущенный в 1963 году, который имел дальность действия 11 км и точность 4,5 м и использовался для военного наведения. [13] [11] Первое упоминание лидара как отдельного слова в 1963 году предполагает, что оно возникло как сочетание слов « свет » и «радар»: «В конце концов, лазер может стать чрезвычайно чувствительным детектором определенных длин волн от далеких Между тем, он используется для изучения Луны с помощью «лидара» (светового радара) ...» [14] [15] Название « фотонный радар » иногда используется для обозначения определения дальности видимого спектра, такого как лидар. [16] [17]
Первые применения лидара были в метеорологии, где Национальный центр атмосферных исследований использовал его для измерения облаков и загрязнения. [18] Широкая общественность узнала о точности и полезности лидарных систем в 1971 году во время миссии «Аполлон-15» , когда астронавты использовали лазерный высотомер для составления карты поверхности Луны. Хотя в английском языке слово «радар» больше не рассматривается как аббревиатура (т. е. пишется без заглавной буквы), в некоторых публикациях, начиная с 1980-х годов, слово «лидар» писалось с заглавной буквы как «ЛИДАР» или «ЛиДАР». Единого мнения по поводу капитализации не существует. В различных публикациях лидар именуется «ЛИДАР», «ЛиДАР», «ЛИДаР» или «Лидар». Геологическая служба США использует и «ЛИДАР», и «лидар», иногда в одном документе; [19] The New York Times преимущественно использует «лидар» для статей, написанных сотрудниками, [20] хотя такие новостные ленты, как Reuters, могут использовать лидар. [21]
Лидар использует ультрафиолетовый , видимый или ближний инфракрасный свет для изображения объектов. Он может воздействовать на широкий спектр материалов, включая неметаллические объекты, камни, дождь, химические соединения, аэрозоли , облака и даже отдельные молекулы . [6] Узкий лазерный луч может отображать физические особенности с очень высоким разрешением ; например, самолет может отображать местность с разрешением 30 сантиметров (12 дюймов) или выше. [22]
Основная концепция лидара была предложена Э. Х. Синджем в 1930 году, который предполагал использование мощных прожекторов для исследования атмосферы. [23] [24] Действительно, с тех пор лидар широко используется для исследования атмосферы и метеорологии . Лидарные инструменты, установленные на самолетах и спутниках , выполняют съемку и картографирование – недавним примером является экспериментальный передовой воздушный исследовательский лидар Геологической службы США. [25] НАСА определило лидар как ключевую технологию, обеспечивающую автономную и точную безопасную посадку будущих роботизированных и пилотируемых лунных посадочных аппаратов. [26]
Длины волн варьируются в зависимости от цели: примерно от 10 микрометров ( инфракрасный ) до примерно 250 нанометров ( ультрафиолетовый ). Обычно свет отражается посредством обратного рассеяния , в отличие от чистого отражения, которое можно наблюдать в зеркале. Для разных приложений лидара используются разные типы рассеяния: чаще всего Рэлеевское рассеяние , рассеяние Ми , комбинационное рассеяние и флуоресценция . [6] Подходящие комбинации длин волн могут позволить удаленно картографировать состав атмосферы путем выявления зависящих от длины волны изменений интенсивности возвращенного сигнала. [27] Название «фотонный радар» иногда используется для обозначения определения дальности видимого спектра, такого как лидар, [16] [17], хотя фотонный радар в более строгом смысле относится к определению радиочастотного диапазона с использованием фотонных компонентов.
Лидар определяет расстояние до объекта или поверхности по формуле : [28]
где c — скорость света , d — расстояние между детектором и обнаруживаемым объектом или поверхностью, а t — время, затраченное лазерным лучом на то, чтобы добраться до обнаруживаемого объекта или поверхности, а затем вернуться обратно к детектору.
Двумя видами схем лидарного обнаружения являются «некогерентное» или прямое обнаружение энергии (которое в основном измеряет изменения амплитуды отраженного света) и когерентное обнаружение (лучше всего подходит для измерения доплеровских сдвигов или изменений фазы отраженного света). Когерентные системы обычно используют оптическое гетеродинное детектирование . [29] Это более чувствительно, чем прямое обнаружение, и позволяет им работать с гораздо меньшей мощностью, но требует более сложных приемопередатчиков.
Оба типа используют импульсные модели: микроимпульсные или 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 значительно меньше энергии в лазере, обычно порядка одного микроджоуля , и часто «безопасны для глаз», то есть их можно использовать без мер предосторожности. Системы большой мощности распространены в исследованиях атмосферы, где они широко используются для измерения параметров атмосферы: высоты, слоистости и плотности облаков, свойств облачных частиц ( коэффициент ослабления , коэффициент обратного рассеяния, деполяризация ), температуры, давления, ветра, влажности, и концентрация малых газов (озон, метан, закись азота и т. д.). [6]
Лидарные системы состоят из нескольких основных компонентов.
Лазеры с длиной волны 600–1000 нм наиболее распространены для ненаучных приложений. Максимальная мощность лазера ограничена или используется система автоматического отключения, которая отключает лазер на определенных высотах, 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. Однако компромисс заключается в том, что нынешняя технология детекторов менее совершенна, поэтому эти длины волн обычно используются на больших расстояниях с меньшей точностью. Они также используются в военных целях, поскольку длина волны 1550 нм не видна в очках ночного видения , в отличие от более короткого инфракрасного лазера с длиной волны 1000 нм.
В бортовых лидарах для топографического картографирования обычно используются YAG - лазеры с диодной накачкой на длине волны 1064 нм , а в батиметрических системах (исследования подводных глубин) обычно используются YAG-лазеры с удвоенной частотой 532 нм и диодной накачкой, поскольку длина волны 532 нм проникает в воду с гораздо меньшим затуханием , чем 1064 нм. Настройки лазера включают частоту повторения лазера (которая контролирует скорость сбора данных). Длина импульса обычно зависит от длины резонатора лазера, количества проходов, необходимых через материал усиления (YAG, YLF и т. д.), и скорости переключения добротности (импульсов). Лучшее разрешение цели достигается при использовании более коротких импульсов при условии, что детекторы и электроника лидарного приемника имеют достаточную полосу пропускания. [6]
Фазированная решетка может освещать любое направление, используя микроскопическую решетку отдельных антенн. Управление синхронизацией (фазой) каждой антенны направляет связный сигнал в определенном направлении.
Фазированные решетки используются в радарах с 1940-х годов. Тот же метод можно использовать и со светом. Чтобы увидеть диаграмму направленности определенного размера в определенном направлении, используется порядка миллиона оптических антенн. Система управляется путем точного синхронизации вспышки. Один чип (или несколько) заменяет электромеханическую систему стоимостью 75 000 долларов США, что резко снижает затраты. [30]
Несколько компаний работают над разработкой коммерческих твердотельных лидаров. [31]
Система управления может изменять форму линзы, чтобы обеспечить функции увеличения и уменьшения масштаба. Определенные подзоны могут быть нацелены с интервалом в доли секунды. [30]
Срок службы электромеханического лидара составляет от 1000 до 2000 часов. Напротив, твердотельный лидар может работать 100 000 часов. [30]
Микроэлектромеханические зеркала (МЭМС) не являются полностью твердотельными. Однако их миниатюрный форм-фактор обеспечивает многие из тех же преимуществ по стоимости. Одиночный лазер направляется на одно зеркало, которое можно переориентировать для просмотра любой части целевого поля. Зеркало вращается с большой скоростью. Однако системы MEMS обычно работают в одной плоскости (слева направо). Чтобы добавить второе измерение, обычно требуется второе зеркало, которое перемещается вверх и вниз. Альтернативно, другой лазер может поразить то же зеркало под другим углом. Системы МЭМС могут выйти из строя из-за ударов/вибрации и могут потребовать повторной калибровки. [30]
На скорость проявления изображений влияет скорость их сканирования. Варианты сканирования по азимуту и углу места включают двойные колеблющиеся плоские зеркала, комбинацию с многоугольным зеркалом и двухосный сканер . Выбор оптики влияет на угловое разрешение и дальность обнаружения. Для сбора отраженного сигнала можно использовать дырочное зеркало или светоделитель .
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.
Лидарные датчики, 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 блок инерциальных измерений (IMU).
Лидар использует активные датчики, которые обеспечивают собственный источник освещения. Источник энергии сталкивается с объектами, а отраженная энергия обнаруживается и измеряется датчиками. Расстояние до объекта определяется путем записи времени между переданными и обратными импульсами и использования скорости света для расчета пройденного расстояния. [32] Лидар со вспышкой позволяет получать трехмерные изображения благодаря способности камеры излучать вспышку большего размера и определять пространственные отношения и размеры интересующей области с помощью возвращаемой энергии. Это обеспечивает более точную визуализацию, поскольку снятые кадры не нужно сшивать вместе, а система не чувствительна к движению платформы. Это приводит к меньшим искажениям. [33]
Трехмерное изображение может быть получено с использованием как сканирующих, так и несканирующих систем. «Лазерный радар с трехмерным обзором» представляет собой систему лазерной локации без сканирования, в которой применяется импульсный лазер и камера с быстрым стробированием. Начались исследования виртуального управления лучом с использованием технологии цифровой обработки света (DLP).
Лидарное изображение также может быть выполнено с использованием матриц высокоскоростных детекторов и матриц детекторов, чувствительных к модуляции, обычно построенных на одиночных чипах 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, преобразуя сигналы с понижением частоты в видеоскорость, чтобы массив можно было считывать как камеру. Используя этот метод, можно одновременно получить многие тысячи пикселей/каналов. [34] В 3-D лидарных камерах высокого разрешения используется гомодинное обнаружение с электронным ПЗС- или КМОП- затвором . [35]
Лидар когерентной визуализации использует гетеродинное обнаружение с синтетической решеткой , чтобы позволить одноэлементному приемнику действовать так, как если бы он был матрицей изображений. [36]
В 2014 году лаборатория Линкольна анонсировала новый чип обработки изображений с более чем 16 384 пикселями, каждый из которых способен отображать один фотон, что позволяет захватывать большую область в одном изображении. Более раннее поколение технологии с вчетверо меньшим количеством пикселей было использовано военными США после землетрясения на Гаити в январе 2010 года. Один пролет бизнес-джета на высоте 3000 м (10 000 футов) над Порт-о-Пренсом позволил сделать мгновенные снимки городских площадей площадью 600 м (2 000 футов) с разрешением 30 см (1 фут), отображающие точная высота обломков, разбросанных по улицам города. [37] Новая система в десять раз лучше и позволяет быстрее создавать карты гораздо большего размера. В чипе используется арсенид индия-галлия (InGaAs), который работает в инфракрасном спектре на относительно длинной волне, что обеспечивает более высокую мощность и большую дальность действия. Во многих приложениях, таких как беспилотные автомобили, новая система снизит затраты, поскольку для наведения чипа не требуется механический компонент. InGaAs использует менее опасные длины волн, чем обычные кремниевые детекторы, которые работают на видимых длинах волн. [38] Новые технологии для инфракрасного подсчета одиночных фотонов LIDAR быстро развиваются, включая матрицы и камеры на различных полупроводниковых и сверхпроводниковых платформах. [39]
Во флэш-лидаре все поле зрения освещается широким расходящимся лазерным лучом за один импульс. В этом отличие от обычного сканирующего лидара, в котором используется коллимированный лазерный луч , освещающий одну точку за раз, а луч сканируется растровым способом для освещения поля зрения точка за точкой. Этот метод освещения также требует другой схемы обнаружения. И в сканирующем, и в флэш-лидаре времяпролетная камера используется для сбора информации как о трехмерном местоположении, так и об интенсивности падающего на нее света в каждом кадре. Однако при сканирующем лидаре эта камера содержит только точечный датчик, тогда как при флэш-лидаре камера содержит либо одномерную, либо двухмерную матрицу датчиков , каждый пиксель которой собирает трехмерную информацию о местоположении и интенсивности. В обоих случаях информация о глубине собирается с использованием времени прохождения лазерного импульса (т. е. времени, которое требуется каждому лазерному импульсу для попадания в цель и возврата к датчику), что требует подачи импульса лазера и сбора данных с помощью камеру, которую необходимо синхронизировать. [40] В результате появилась камера, которая снимает на расстоянии, а не в цвете. [30] Флэш-лидар особенно выгоден по сравнению со сканирующим лидаром, когда камера, сцена или и то, и другое движутся, поскольку вся сцена освещается одновременно. При использовании сканирующего лидара движение может вызвать «дрожание» из-за промежутка времени, когда лазер растрирует сцену.
Как и во всех формах лидара, встроенный источник освещения делает флэш-лидар активным датчиком. Возвращаемый сигнал обрабатывается встроенными алгоритмами для создания практически мгновенной трехмерной визуализации объектов и особенностей местности в поле зрения датчика. [41] Частота повторения лазерных импульсов достаточна для создания 3D-видео с высоким разрешением и точностью. [40] [42] Высокая частота кадров датчика делает его полезным инструментом для различных приложений, в которых используется визуализация в реальном времени, например, для высокоточных операций удаленной посадки. [43] Немедленно возвращая трехмерную сетку высот целевых ландшафтов, датчик вспышки можно использовать для определения оптимальных зон приземления в сценариях посадки автономного космического корабля. [44]
Чтобы увидеть на расстоянии, необходима мощная вспышка света. Мощность ограничена уровнями, которые не повреждают сетчатку глаза человека. Длины волн не должны влиять на глаза человека. Однако недорогие кремниевые имидж-сканеры не считывают свет в безопасном для глаз спектре. Вместо этого потребуются сканеры из арсенида галлия , что может увеличить затраты до 200 000 долларов. [30] Арсенид галлия — это то же самое соединение, которое используется для производства дорогостоящих и высокоэффективных солнечных панелей, обычно используемых в космической технике.
Лидар может быть ориентирован по надиру , зениту или по горизонтали. Например, лидарные высотомеры смотрят вниз, атмосферные лидары смотрят вверх, а системы предотвращения столкновений на основе лидаров смотрят сбоку.
Лазерными проекциями лидаров можно манипулировать с помощью различных методов и механизмов для создания эффекта сканирования: стандартного шпиндельного типа, который вращается, обеспечивая обзор на 360 градусов; твердотельный лидар, который имеет фиксированное поле зрения, но не имеет движущихся частей и может использовать МЭМС или оптические фазированные решетки для управления лучами; и лидар со вспышкой, который рассеивает вспышку света по большому полю зрения, прежде чем сигнал возвращается обратно к детектору. [45]
Приложения лидара можно разделить на воздушные и наземные. [46] Для этих двух типов требуются сканеры с различными характеристиками в зависимости от цели сбора данных, размера области захвата, желаемого диапазона измерений, стоимости оборудования и многого другого. Возможны также космические платформы, см. спутниковую лазерную альтиметрию .
Воздушный лидар (также бортовое лазерное сканирование ) — это когда лазерный сканер, прикрепленный к самолету во время полета, создает трехмерную модель ландшафта из облака точек. На данный момент это наиболее подробный и точный метод создания цифровых моделей рельефа , заменяющий фотограмметрию . Одним из основных преимуществ по сравнению с фотограмметрией является возможность фильтровать отражения от растительности из модели облака точек для создания цифровой модели местности , которая представляет поверхности земли, такие как реки, тропы, объекты культурного наследия и т. д., которые скрыты деревьями. В категории бортовых лидаров иногда проводят различие между приложениями на больших и малых высотах, но основное различие заключается в снижении как точности, так и плотности точек данных, полученных на больших высотах. Воздушный лидар также можно использовать для создания батиметрических моделей на мелководье. [47]
Основными компонентами воздушного лидара являются цифровые модели рельефа (DEM) и цифровые модели поверхности (DSM). Точки и наземные точки представляют собой векторы дискретных точек, тогда как DEM и DSM представляют собой интерполированные растровые сетки дискретных точек. Этот процесс также включает в себя получение цифровых аэрофотоснимков. Для интерпретации глубинных оползней, например, под покровом растительности, уступов, трещин растяжения или опрокинутых деревьев используется воздушный лидар. Цифровые модели рельефа с помощью воздушного лидара позволяют видеть сквозь полог лесного покрова, выполнять детальные измерения уступов, эрозии и наклона электрических столбов. [48]
Данные воздушного лидара обрабатываются с использованием набора инструментов Toolbox for Lidar Data Filtering and Forest Studies (TIFFS) [49] для фильтрации лидарных данных и программного обеспечения для изучения местности. Данные интерполируются в цифровые модели местности с помощью программного обеспечения. Лазер направляется на область, которую необходимо нанести на карту, и высота каждой точки над землей рассчитывается путем вычитания исходной координаты z из соответствующей высоты цифровой модели местности. На основе этой высоты над землей получаются 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 картографирования. В рамках каждого из этих графиков метрики лидара рассчитываются путем расчета таких статистических данных, как среднее значение, стандартное отклонение, асимметрия, процентили, среднее квадратичное и т. д. [49]
В настоящее время на рынке представлено множество коммерческих лидарных систем для беспилотных летательных аппаратов . Эти платформы могут систематически сканировать большие территории или служить более дешевой альтернативой пилотируемым самолетам для небольших операций сканирования. [50]
Батиметрический технологический комплекс бортового лидара предполагает измерение времени прохождения сигнала от источника до его возврата на датчик. Методика сбора данных включает в себя компонент картирования морского дна и компонент наземных данных, который включает в себя видеоразрезы и отбор проб. Он работает с использованием лазерного луча зеленого спектра (532 нм). [51] Два луча проецируются на быстро вращающееся зеркало, которое создает массив точек. Один из лучей проникает в воду, а также при благоприятных условиях обнаруживает придонную поверхность воды.
Глубина воды, измеряемая лидаром, зависит от прозрачности воды и поглощения используемой длины волны. Вода наиболее прозрачна для зеленого и синего света, поэтому в чистой воде они проникают глубже всего. [52] Сине-зеленый свет с длиной волны 532 нм, создаваемый твердотельным ИК-лазером с удвоенной частотой, является стандартом для воздушной батиметрии. Этот свет может проникать через воду, но сила импульса экспоненциально затухает с расстоянием, пройденным через воду. [51] Лидар может измерять глубины от 0,9 до 40 м (от 3 до 131 фута) с вертикальной точностью порядка 15 см (6 дюймов). Отражение от поверхности затрудняет разрешение воды на глубине менее 0,9 м (3 фута), а поглощение ограничивает максимальную глубину. Мутность вызывает рассеяние и играет важную роль в определении максимальной глубины, которую можно разрешить в большинстве ситуаций, а растворенные пигменты могут увеличивать поглощение в зависимости от длины волны. [52] Другие отчеты показывают, что проникновение воды обычно в два-три раза превышает глубину Секки. Батиметрический лидар наиболее полезен при картографировании побережья в диапазоне глубин 0–10 м (0–33 фута). [51]
В среднем в достаточно прозрачной прибрежной морской воде лидар может проникать примерно на глубину около 7 м (23 фута), а в мутной воде — примерно на 3 м (10 футов). Среднее значение, найденное Сапутрой и др. в 2021 году, заключается в том, что зеленый лазерный свет проникает в воду примерно в полтора-два раза глубже глубины Секки в водах Индонезии. Температура и соленость воды влияют на показатель преломления, что мало влияет на расчет глубины. [53]
Полученные данные показывают полную протяженность поверхности суши, выступающей над морским дном. Этот метод чрезвычайно полезен, поскольку он будет играть важную роль в основной программе картографирования морского дна. Картирование дает топографию суши, а также подводные возвышенности. Получение изображений отражения морского дна — еще одно решение этой системы, которое может помочь в картировании подводной среды обитания. Этот метод использовался для трехмерного картирования вод Калифорнии с помощью гидрографического лидара. [54]
Бортовые лидарные системы традиционно могли регистрировать лишь несколько пиковых значений отраженного сигнала, в то время как более поздние системы регистрируют и оцифровывают весь отраженный сигнал. [55] Ученые проанализировали форму сигнала для извлечения пиковой доходности с помощью разложения по Гауссу. [56] Чжуан и др., 2017 г. использовали этот подход для оценки надземной биомассы. [57] Обработка огромных объемов полноволновых данных затруднена. Таким образом, разложение сигналов по Гауссу эффективно, поскольку оно уменьшает объем данных и поддерживается существующими рабочими процессами, которые поддерживают интерпретацию трехмерных облаков точек . Недавние исследования изучали вокселизацию . Интенсивность образцов сигналов вставляется в вокселизированное пространство (3-D изображение в оттенках серого), создавая трехмерное представление сканируемой области. [55] Затем из этого вокселизированного пространства можно извлечь соответствующие показатели и информацию. Структурную информацию можно извлечь с использованием трехмерных показателей локальных территорий, и существует тематическое исследование, в котором использовался подход вокселизации для обнаружения мертвых стоящих эвкалиптовых деревьев в Австралии. [58]
Наземные применения лидара (также наземного лазерного сканирования ) происходят на поверхности Земли и могут быть стационарными или мобильными. Стационарное наземное сканирование наиболее распространено в качестве метода исследования, например, в традиционной топографии, мониторинге, документации культурного наследия и криминалистике. [46] Трехмерные облака точек , полученные с помощью этих типов сканеров, можно сопоставить с цифровыми изображениями, полученными из области сканирования с места расположения сканера, для создания реалистично выглядящих трехмерных моделей за относительно короткое время по сравнению с другими технологиями. Каждой точке в облаке точек присваивается цвет пикселя изображения, снятого в том же месте и направлении, 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 маршруту. 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, окаймляющие деревья и т. д. Вместо того, чтобы собирать каждое из этих измерений индивидуально в полевых условиях с помощью тахиметра , можно создать трехмерную модель из облака точек, в которой можно выполнить все необходимые измерения, в зависимости от качества собранных данных. Это устраняет проблему забывания провести измерение, если модель доступна, надежна и имеет соответствующий уровень точности.
Наземное лидарное картографирование включает в себя процесс создания сетки сетки занятости . Этот процесс включает в себя массив ячеек, разделенных на сетки, в которых используется процесс сохранения значений высоты, когда лидарные данные 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 координат z от каждого сканирования, чтобы определить, какие трехмерные точки соответствуют каждой указанной ячейке сетки, что приводит к процессу формирования данных. [59]
Помимо приложений, перечисленных ниже, существует множество приложений для лидаров, которые часто упоминаются в программах национальных наборов лидарных данных . Эти приложения во многом определяются дальностью эффективного обнаружения объектов; разрешение, которое показывает, насколько точно лидар идентифицирует и классифицирует объекты; и путаница из-за отражения, означающая, насколько хорошо лидар может видеть что-либо в присутствии ярких объектов, таких как отражающие знаки или яркое солнце. [45]
Компании работают над снижением стоимости лидарных датчиков, которая в настоящее время составляет от 1200 до более чем 12 000 долларов США. Более низкие цены сделают лидар более привлекательным для новых рынков. [60]
Сельскохозяйственные роботы использовались для самых разных целей: от разбрасывания семян и удобрений, сенсорных методов до разведки посевов для борьбы с сорняками.
Лидар может помочь определить, где вносить дорогостоящие удобрения. Он может создать топографическую карту полей и выявить склоны и солнечное освещение сельскохозяйственных угодий. Исследователи из Службы сельскохозяйственных исследований использовали эти топографические данные с результатами урожайности сельскохозяйственных угодий за предыдущие годы, чтобы разделить земли на зоны высокой, средней и низкой урожайности. [61] Это указывает на то, где вносить удобрения, чтобы максимизировать урожайность.
Лидар теперь используется для наблюдения за насекомыми в полевых условиях. Использование лидара позволяет обнаруживать движение и поведение отдельных летающих насекомых с идентификацией вплоть до пола и вида. [62] В 2017 году была опубликована заявка на патент на эту технологию в США, Европе и Китае. [63]
Другое применение — картирование посевов 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, где отсутствует GNSS , например, в ореховых и фруктовых садах, где листва создает помехи для сельскохозяйственного оборудования, которое в противном случае использовало бы точную фиксацию GNSS. Лидарные датчики могут обнаруживать и отслеживать относительное положение рядов, растений и других маркеров, чтобы сельскохозяйственное оборудование могло продолжать работать до тех пор, пока не будет восстановлено положение GNSS.
Борьба с сорняками требует определения видов растений. Это можно сделать с помощью 3D-лидара и машинного обучения. [64] Лидар создает контуры растений в виде «облака точек» со значениями дальности и отражательной способности. Эти данные преобразуются, и из них извлекаются признаки. Если вид известен, признаки добавляются как новые данные. Вид маркируется, и его характеристики изначально сохраняются в качестве примера для идентификации вида в реальной среде. Этот метод эффективен, поскольку использует лидар низкого разрешения и контролируемое обучение. Он включает в себя простой в расчете набор функций с общими статистическими характеристиками, которые не зависят от размера предприятия. [64]
Лидар имеет множество применений в археологии, включая планирование полевых кампаний, картографирование объектов под пологом леса и обзор широких непрерывных объектов, неотличимых от земли. [65] Лидар может быстро и дешево создавать наборы данных высокого разрешения. Продукты, полученные с помощью лидара, можно легко интегрировать в географическую информационную систему (ГИС) для анализа и интерпретации.
Лидар также может помочь в создании цифровых моделей рельефа (ЦМР) высокого разрешения археологических памятников, которые могут выявить микротопографию, которая в противном случае скрыта растительностью. Интенсивность возвращенного лидарного сигнала можно использовать для обнаружения объектов, скрытых под плоскими поверхностями с растительностью, такими как поля, особенно при картировании с использованием инфракрасного спектра. Наличие этих особенностей влияет на рост растений и, следовательно, на количество отраженного инфракрасного света. [66] Например, в Форте Босежур – Национальном историческом памятнике Форт Камберленд, Канада, с помощью лидара были обнаружены археологические объекты, связанные с осадой форта в 1755 году. Детали, которые нельзя было различить на земле или с помощью аэрофотосъемки, были идентифицированы путем наложения холма. оттенки ЦМР, созданные при искусственном освещении под разными углами. Другой пример — работа в Караколе Арлена Чейза и его жены Дайаны Зайно Чейз . [67] В 2012 году лидар использовался для поиска легендарного города Ла-Сьюдад-Бланка или «Города обезьяньего бога» в регионе Ла-Москития в джунглях Гондураса. В течение семидневного периода картирования были обнаружены свидетельства существования искусственных сооружений. [68] [69] В июне 2013 года было объявлено о повторном открытии города Махендрапарвата . [70] На юге Новой Англии лидар использовался для выявления каменных стен, фундаментов зданий, заброшенных дорог и других особенностей ландшафта, скрытых на аэрофотоснимках густым лесным пологом региона. [71] [72] [73] В Камбодже данные лидара использовались Дамианом Эвансом и Роландом Флетчером для выявления антропогенных изменений ландшафта Ангкора. [74]
В 2012 году лидар показал, что в поселении Пурепеча в Ангамуко в Мичоакане , Мексика, было примерно столько же зданий, сколько сегодня на Манхэттене; [75] , а в 2016 году его использование при картировании древних дорог майя на севере Гватемалы выявило 17 надземных дорог, связывающих древний город Эль-Мирадор с другими местами. [76] [77] В 2018 году археологи с помощью лидара обнаружили более 60 000 искусственных сооружений в биосферном заповеднике майя , что стало «крупным прорывом», который показал, что цивилизация майя была намного крупнее, чем считалось ранее. [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] В 2024 году археологи с помощью лидара обнаружили стоянки долины Упано . [89] [90]
Автономные транспортные средства могут использовать лидар для обнаружения и обхода препятствий, чтобы безопасно перемещаться по окружающей среде. [7] [91] Внедрение лидара стало поворотным событием, которое стало ключевым моментом в создании Stanley , первого автономного транспортного средства, успешно выполнившего Grand Challenge DARPA . [92] Облако точек, выводимые лидарным датчиком, предоставляет необходимые данные для программного обеспечения робота, чтобы определить, где в окружающей среде существуют потенциальные препятствия и где находится робот по отношению к этим потенциальным препятствиям. Сингапурский альянс исследований и технологий Сингапур-MIT (SMART) активно разрабатывает технологии для автономных лидарных транспортных средств. [93]
Самые первые поколения автомобильных адаптивных круиз-контролей использовали только лидарные датчики.
В транспортных системах для обеспечения безопасности транспортных средств и пассажиров, а также для разработки электронных систем помощи водителю крайне важно понимать транспортное средство и окружающую его среду. Лидарные системы играют важную роль в безопасности транспортных систем. Многие электронные системы, которые повышают помощь водителю и безопасность автомобиля, такие как адаптивный круиз-контроль (ACC), система экстренного торможения и антиблокировочная система тормозов (ABS), зависят от определения окружающей среды автомобиля и действуют автономно или полуавтономно. Это достигается с помощью лидарного картирования и оценки.
Обзор основ: современные лидарные системы используют вращающиеся шестиугольные зеркала, которые разделяют лазерный луч. Три верхних луча используются для обнаружения транспортных средств и препятствий впереди, а нижние лучи используются для обнаружения разметки полосы движения и особенностей дороги. [94] Основное преимущество использования лидара заключается в том, что получается пространственная структура, и эти данные можно объединить 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. присутствует в окружающей среде. И наоборот, серьезной проблемой лидара 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 «эхо». [95]
Ниже упомянуты различные подходы к обработке лидарных данных и их использованию вместе с данными от других датчиков посредством объединения датчиков для определения условий окружающей среды транспортного средства.
Этот метод предложен Kun Zhou et al. [96] не только фокусируется на обнаружении и отслеживании объектов, но также распознает разметку полосы движения и особенности дороги. Как упоминалось ранее, в лидарных системах используются вращающиеся шестиугольные зеркала, которые разделяют лазерный луч на шесть лучей. Три верхних уровня используются для обнаружения движущихся впереди объектов, таких как транспортные средства и придорожные объекты. Датчик изготовлен из атмосферостойкого материала. Данные, обнаруженные лидаром, группируются в несколько сегментов и отслеживаются фильтром Калмана . Кластеризация данных здесь осуществляется на основе характеристик каждого сегмента на основе объектной модели, которые различают различные объекты, такие как транспортные средства, вывески и т. д. Эти характеристики включают размеры объекта и т. д. Отражатели на задних краях транспортных средств используются для отличать транспортные средства от других объектов. Отслеживание объектов осуществляется с помощью двухступенчатого фильтра Калмана с учетом стабильности отслеживания и ускоренного движения объектов. [94] Данные об интенсивности отражения лидара также используются для обнаружения бордюров с использованием устойчивой регрессии для борьбы с окклюзиями. Дорожная разметка распознается модифицированным методом Оцу путем распознавания шероховатых и блестящих поверхностей. [97]
Придорожные отражатели, обозначающие границу полосы движения, иногда по разным причинам скрыты. Поэтому для распознавания границы дороги необходима другая информация. Лидар, используемый в этом методе, может измерять отражательную способность объекта. Следовательно, с помощью этих данных также можно распознать границу дороги. Также использование датчика с устойчивой к атмосферным воздействиям головкой помогает обнаруживать объекты даже в плохих погодных условиях. Модель высоты навеса до и после наводнения является хорошим примером. Лидар может обнаруживать очень подробные данные о высоте навеса, а также границу дороги.
Лидарные измерения помогают определить пространственную структуру препятствия. Это помогает различать объекты по размеру и оценивать последствия наезда на них. [98]
Лидарные системы обеспечивают лучшую дальность и большое поле зрения, что помогает обнаруживать препятствия на поворотах. Это одно из основных преимуществ перед системами RADAR, которые имеют более узкое поле зрения. Сочетание лидарных измерений с различными датчиками делает систему надежной и полезной в приложениях реального времени, поскольку системы, зависящие от лидара, не могут оценивать динамическую информацию об обнаруженном объекте. [98]
Было показано, что лидаром можно манипулировать, например, заставить беспилотные автомобили уклоняться. [99]
Лидар также нашел множество применений для картирования природных и управляемых ландшафтов, таких как леса, водно-болотные угодья [100] и луга. Высоту кроны , измерения биомассы и площадь листьев можно изучить с помощью бортовых лидарных систем. [101] [102] [103] [104] Точно так же лидар также используется во многих отраслях, в том числе в энергетике и железных дорогах, а также в Министерстве транспорта как более быстрый способ съемки. Топографические карты также можно легко создавать с помощью лидара, в том числе для развлекательного использования, например, при создании карт для ориентирования . [105] Лидар также применялся для оценки биоразнообразия растений, грибов и животных. [106] [107] [108] Используя южные бычьи водоросли в Новой Зеландии, данные прибрежного лидарного картирования были сопоставлены с геномными данными популяции , чтобы сформировать гипотезы относительно возникновения и времени доисторических землетрясений. [109]
Лидарные системы также применяются для улучшения управления лесным хозяйством. [111] Измерения используются для инвентаризации лесных участков, а также расчета высоты отдельных деревьев, ширины и диаметра кроны. В другом статистическом анализе данные лидара используются для оценки общей информации о участке, такой как объем растительного покрова, средняя, минимальная и максимальная высота, растительный покров, биомасса и плотность углерода. [110] Для картирования лесных пожаров в Австралии в начале 2020 года использовался воздушный лидар. Данные обрабатывались для просмотра голой земли и выявления здоровой и сгоревшей растительности. [112]
Цифровые карты рельефа высокого разрешения , созданные с помощью бортовых и стационарных лидаров, привели к значительному прогрессу в геоморфологии (отрасли геонаук, изучающей происхождение и эволюцию топографии поверхности Земли). Возможности лидара обнаруживать тонкие топографические особенности, такие как речные террасы и берега речных каналов, ледниковые формы рельефа, [113] измерять высоту поверхности земли под растительным покровом, лучше определять пространственные производные высоты и обнаруживать изменения высоты между повторениями. исследования позволили провести множество новых исследований физических и химических процессов, формирующих ландшафты. [114] В 2005 году Тур Ронд в массиве Монблан стал первой высокогорной горой , на которой был использован лидар для мониторинга участившихся сильных камнепадов на больших скалах, предположительно вызванных изменением климата и деградацией вечной мерзлоты на большой высоте. . [115]
Лидар также используется в структурной геологии и геофизике как комбинация воздушного лидара и ГНСС для обнаружения и изучения разломов , а также для измерения поднятия . [116] Результаты этих двух технологий могут создавать чрезвычайно точные модели рельефа местности – модели, которые могут даже измерять высоту земли через деревья. Эта комбинация наиболее широко использовалась для определения местоположения Сиэтлского разлома в Вашингтоне , США. [117] Эта комбинация также измеряет подъем на горе Сент-Хеленс , используя данные до и после подъема 2004 года. [118] Воздушные лидарные системы контролируют ледники и способны обнаруживать незначительные темпы роста или снижения ледников. Для этой цели спутниковая система NASA ICESat включает в себя лидарную подсистему. Воздушный топографический картограф НАСА [119] также широко используется для мониторинга ледников и анализа изменений прибрежной зоны. Эту комбинацию также используют почвоведы при обследовании почвы . Детальное моделирование местности позволяет почвоведам видеть изменения склонов и изменения рельефа, которые указывают на закономерности в пространственных отношениях почвы.
Первоначально на основе рубиновых лазеров лидар для метеорологических применений был построен вскоре после изобретения лазера и представляет 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 количественную оценку различных компонентов атмосферы. 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 ( окись углерода ) и влажность ( водяной пар ). . Атмосферные лидары могут быть наземными, воздушными или спутниковыми в зависимости от типа измерений.
Дистанционное зондирование атмосферы лидаром работает двумя способами:
Обратное рассеяние из атмосферы непосредственно дает измерение облаков и аэрозолей. Другие производные измерения обратного рассеяния, такие как ветер или кристаллы перистого льда, требуют тщательного выбора обнаруженной длины волны и/или поляризации. Доплеровский лидар и доплеровский лидар Рэлея используются для измерения температуры и скорости ветра вдоль луча путем измерения частоты обратно рассеянного света. Доплеровское уширение движущихся газов позволяет определять свойства по результирующему сдвигу частоты. [120] Сканирующие лидары, такие как HARLIE с коническим сканированием НАСА , использовались для измерения скорости атмосферного ветра. [121] Ветровая миссия ЕКА ADM-Aeolus будет оснащена доплеровской лидарной системой для обеспечения глобальных измерений вертикальных профилей ветра. [122] Доплеровская лидарная система использовалась на летних Олимпийских играх 2008 года для измерения полей ветра во время соревнований на яхтах. [123]
Доплеровские лидарные системы в настоящее время также начинают успешно применяться в секторе возобновляемых источников энергии для сбора данных о скорости ветра, турбулентности, повороте ветра и сдвиге ветра. Используются как импульсные, так и непрерывные системы. Импульсные системы используют синхронизацию сигнала для получения разрешения по вертикальному расстоянию, тогда как системы непрерывного действия полагаются на фокусировку детектора.
Термин « эолика» был предложен для описания совместного и междисциплинарного изучения ветра с использованием вычислительного моделирования гидромеханики и доплеровских лидарных измерений. [124]
Отражение от земли воздушного 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. В измерениях «лидара дифференциального поглощения» (DIAL) используются две или более близко расположенные (менее 1 нм) длины волн для учета отражательной способности поверхности, а также других потерь передачи, поскольку эти факторы относительно нечувствительны к длине волны. При настройке на соответствующие линии поглощения конкретного газа измерения DIAL можно использовать для определения концентрации (коэффициента смешивания) этого конкретного газа в атмосфере. Это называется подходом интегрированного дифференциального поглощения на пути (IPDA), поскольку он является мерой интегрированного поглощения по всему пути лидара. Лидары IPDA могут быть импульсными [125] [126] или постоянными [127] и обычно используют две или более длины волны. [128] Лидары IPDA использовались для дистанционного зондирования углекислого газа [125] [126] [127] и метана. [129]
Лидар с синтетической решеткой позволяет получать лидарные изображения без необходимости использования детектора с решеткой. Его можно использовать для визуализации доплеровской скорости, визуализации со сверхбыстрой частотой кадров (миллионы кадров в секунду), а также для уменьшения спеклов в когерентном лидаре. [36] Обширную библиографию лидаров для атмосферных и гидросферных применений предоставил Грант. [130]
Лидарные датчики скорости используются полицией для измерения скорости транспортных средств в целях обеспечения соблюдения ограничения скорости . [131] Кроме того, он используется в криминалистике для помощи в расследовании мест преступлений. Сканирование места происшествия делается для записи точных деталей размещения объектов, крови и другой важной информации для последующего просмотра. Эти сканирования также можно использовать для определения траектории пули в случае стрельбы. [132]
Известно, что лишь немногие военные применения существуют и засекречены (например, измерение скорости малозаметной ядерной крылатой ракеты AGM-129 ACM с помощью лидара ), но ведется значительный объем исследований по их использованию для построения изображений. Системы более высокого разрешения собирают достаточно деталей, чтобы идентифицировать цели, например танки . Примеры военного применения лидара включают бортовую лазерную систему обнаружения мин (ALMDS) для борьбы с минами компании Areté Associates. [133]
В отчете НАТО (RTO-TR-SET-098) оценивались потенциальные технологии, позволяющие осуществлять дистанционное обнаружение и распознавание боевых биологических агентов. Оценивались потенциальные технологии: длинноволновое инфракрасное излучение (LWIR), дифференциальное рассеяние (DISC) и флуоресценция, индуцированная ультрафиолетовым лазером (UV-LIF). В отчете делается вывод, что: Основываясь на результатах испытаний лидарных систем и обсужденных выше, Целевая группа рекомендует, что лучшим вариантом для краткосрочного (2008–2010 гг.) применения систем автономного обнаружения является UV-LIF , [134 ] однако в долгосрочной перспективе другие методы, такие как рамановская спектроскопия, могут оказаться полезными для идентификации боевых биологических агентов.
Компактный спектрометрический лидар ближнего действия, основанный на лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF), позволит устранить наличие биологических угроз в аэрозольной форме на важных закрытых, полузакрытых и открытых объектах, таких как стадионы, метро и аэропорты. Эта возможность, работающая почти в режиме реального времени, позволит быстро обнаружить выброс биоаэрозоля и позволит своевременно принять меры по защите пассажиров и минимизировать степень загрязнения. [135]
Система обнаружения биологического оружия дальнего действия (LR-BSDS) была разработана для армии США для обеспечения как можно более раннего предупреждения о биологической атаке. Это бортовая система, устанавливаемая 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 принят на вооружение в июне 1997 года. [136] Пять лидаров, произведенных немецкой компанией Sick AG, использовались для обнаружения на коротких дистанциях на Stanley , автономном автомобиле , выигравшем конкурс 2005 года. Грандиозный вызов DARPA .
Роботизированный Boeing AH-6 в июне 2010 года совершил полностью автономный полет, в том числе обогнав препятствия с помощью лидара. [137] [138]
Для подсчета объемов руды осуществляется периодическое (ежемесячное) сканирование участков выноса руды с последующим сравнением поверхностных данных с предыдущим сканированием. [139]
Лидарные датчики также могут использоваться для обнаружения и обхода препятствий в роботизированных горнодобывающих машинах, например, в автономной системе транспортировки Komatsu (AHS) [140] , используемой в «Шахте будущего» компании Rio Tinto.
Всемирная сеть обсерваторий использует лидары для измерения расстояния до отражателей, расположенных на Луне , что позволяет измерять положение Луны с точностью до миллиметра и проводить тесты общей теории относительности . MOLA , лазерный альтиметр на орбите Марса , использовал лидар на спутнике, находящемся на орбите Марса (NASA Mars Global Surveyor ), чтобы произвести невероятно точную глобальную топографическую съемку Красной планеты. Лазерные высотомеры создали глобальные модели рельефа Марса, Луны (лазерный высотомер лунного орбитального аппарата (LOLA)), Меркурия (лазерный высотомер ртути (MLA)), лазерного дальномера NEAR – Shoemaker (NLR). [141] Будущие миссии также будут включать в себя эксперименты с лазерным высотомером, такие как лазерный высотомер Ганимеда (GALA) в рамках миссии «Исследователь ледяных лун Юпитера» (JUICE). [141]
В сентябре 2008 года посадочный модуль НАСА «Феникс» использовал лидар для обнаружения снега в атмосфере Марса. [142]
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 можно использовать для измерения скорости ветра и предоставления информации о вертикальном распределении аэрозольных частиц . [143]
В исследовательском центре ядерного синтеза JET , расположенном в Великобритании недалеко от Абингдона, Оксфордшир , лидар Томсоновского рассеяния используется для определения профилей электронной плотности и температуры плазмы . [144]
Лидар широко используется в механике горных пород для определения характеристик горных пород и обнаружения изменений откосов. Некоторые важные геомеханические свойства массива горных пород можно извлечь из трехмерных облаков точек, полученных с помощью лидара. Некоторые из этих свойств:
Некоторые из этих свойств использовались для оценки геомеханического качества массива горных пород с помощью индекса RMR . Более того, поскольку ориентацию разрывов можно определить с помощью существующих методологий, можно оценить геомеханическое качество откоса породы с помощью индекса SMR . [151] Кроме того, сравнение различных трехмерных облаков точек со склона, полученных в разное время, позволяет исследователям изучать изменения, произошедшие на месте происшествия за этот временной интервал в результате камнепадов или любых других оползневых процессов. [152] [153] [154]
THOR — это лазер, предназначенный для измерения атмосферных условий Земли. Лазер входит в облачный покров [155] и измеряет толщину возвратного гало. Датчик имеет оптоволоконную апертуру шириной 7+1 ⁄ дюйма (19 см), который используется для измерения отраженного света.
Лидарная технология используется в робототехнике для восприятия окружающей среды, а также классификации объектов. [156] Способность лидарной технологии обеспечивать трехмерные карты высот местности, высокую точность определения расстояния до земли и скорости приближения может обеспечить безопасную посадку роботизированных и пилотируемых транспортных средств с высокой степенью точности. [26] Лидары также широко используются в робототехнике для одновременной локализации и картографирования и хорошо интегрируются в симуляторы роботов. [157] Дополнительные примеры см. выше в разделе «Военные».
Лидар все чаще используется для определения дальности и расчета относительной скорости орбитального элемента в операциях сближения и удержании космического корабля . Лидар также использовался для исследования атмосферы из космоса. Короткие импульсы лазерного света, излучаемого космическим кораблем, могут отражаться от мельчайших частиц в атмосфере и возвращаться в телескоп, совмещенный с лазером космического корабля. Точно синхронизируя эхо лидара и измеряя количество лазерного света, принимаемого телескопом, ученые могут точно определить местоположение, распределение и природу частиц. Результатом стал революционно новый инструмент для изучения компонентов атмосферы, от облачных капель до промышленных загрязнителей, которые трудно обнаружить другими способами». [158] [159]
Лазерная альтиметрия используется для создания цифровых карт рельефа планет, включая картирование Марса с помощью Марсианского орбитального лазерного альтиметра (MOLA), [160] Лунного орбитального лазерного альтиметра (LOLA) [161] и Лунного высотомера (LALT) для карт Луны. и картографирование Меркурия с помощью ртутного лазерного альтиметра (MLA). [162] Он также используется для помощи в навигации вертолета Ingenuity в его рекордных полетах над поверхностью Марса . [8]
Бортовые лидарные датчики используются компаниями в области дистанционного зондирования. Их можно использовать для создания ЦМР (цифровой модели местности) или ЦМР ( цифровой модели рельефа ); это вполне обычная практика для больших территорий, поскольку самолет может преодолеть расстояние 3–4 км ( 2–2+Полоса шириной 1 ⁄ мили за одну эстакаду. Более высокая вертикальная точность менее 50 мм (2 дюйма) может быть достигнута при более низкой эстакаде даже в лесу, где она способна определить высоту кроны, а также высоту земли. Обычно для связи данных с WGS ( Всемирной геодезической системой ) требуется приемник GNSS, настроенный на контрольную точку с географической привязкой. [163]
Лидар также используется в гидрографических съемках . В зависимости от прозрачности воды лидар может измерять глубину от 0,9 до 40 м (от 3 до 131 фута) с точностью по вертикали 15 см (6 дюймов) и точностью по горизонтали 2,5 м (8 футов). [164]
Лидар использовался в железнодорожной отрасли для создания отчетов о состоянии активов для управления активами, а также в департаментах транспорта для оценки состояния дорог. CivilMaps.com — ведущая компания в этой области. [165] Лидар использовался в системах адаптивного круиз-контроля (ACC) для автомобилей. Такие системы, как системы Siemens, Hella, Ouster и Cepton, используют лидарное устройство, установленное на передней части автомобиля, например, на бампере, для контроля расстояния между автомобилем и любым транспортным средством перед ним. [166] Если идущий впереди автомобиль замедляет движение или приближается слишком близко, ACC задействует тормоза, чтобы замедлить автомобиль. Когда дорога впереди свободна, ACC позволяет автомобилю разогнаться до скорости, заданной водителем. Дополнительные примеры см. в разделе «Военные» выше. Устройство на основе лидара Ceilometer используется в аэропортах по всему миру для измерения высоты облаков на траекториях захода на посадку на взлетно-посадочной полосе. [167] [ нужна ссылка ]
Лидар можно использовать для увеличения выработки энергии ветряными электростанциями за счет точного измерения скорости ветра и турбулентности ветра. [168] [169] Экспериментальные лидарные системы [170] [171] могут быть установлены на гондоле [172] ветряной турбины или интегрированы во вращающуюся вращающуюся головку [173] для измерения встречного горизонтального ветра, [174] ветра в следе ветротурбины [175] и заранее отрегулируйте лопасти, чтобы защитить компоненты и увеличить мощность. Лидар также используется для характеристики падающего ветрового ресурса для сравнения с выработкой энергии ветряной турбиной для проверки производительности ветряной турбины [176] путем измерения кривой мощности ветряной турбины. [177] Оптимизацию ветряных электростанций можно считать темой прикладной политики . Другим аспектом лидара в ветроэнергетике является использование вычислительной гидродинамики на поверхностях, сканируемых лидаром, для оценки ветрового потенциала, [178] который можно использовать для оптимального размещения ветряных электростанций.
Лидар также может использоваться для помощи проектировщикам и разработчикам в оптимизации солнечных фотоэлектрических систем на уровне города путем определения соответствующих крыш [179] [180] и для определения потерь затенения . [181] Недавние усилия по воздушному лазерному сканированию были сосредоточены на способах оценки количества солнечного света, попадающего на вертикальные фасады зданий, [182] или на более детальном учете потерь затенения путем учета влияния растительности и более крупной окружающей местности. [183]
В последних гоночных играх-симуляторах, таких как rFactor Pro , iRacing , Assetto Corsa и Project CARS, гоночные трассы все чаще воспроизводятся из трехмерных облаков точек, полученных с помощью лидарных исследований, в результате чего поверхности воспроизводятся с точностью до сантиметра или миллиметра в игровой трехмерной среде. . [184] [185] [186]
Исследовательская игра Scanner Sombre 2017 года от Introversion Software использует лидар в качестве фундаментальной игровой механики.
В Build the Earth лидар используется для создания точных изображений местности в Minecraft для учета любых ошибок (в основном, касающихся высоты) при генерации по умолчанию. Процесс рендеринга ландшафта в Build the Earth ограничен объемом данных, доступных в регионе, а также скоростью, необходимой для преобразования файла в блочные данные.
Клип на песню Radiohead « House of Cards » 2007 года считался первым использованием 3D-лазерного сканирования в реальном времени для записи музыкального видео. Данные о дальности на видео не полностью получены с лидара, так как также используется структурированное световое сканирование. [187]
В 2020 году Apple представила iPad Pro четвертого поколения с лидарным датчиком, встроенным в модуль задней камеры , специально разработанным для работы с дополненной реальностью (AR). [188] Позже эта функция была включена в линейку iPhone 12 Pro и последующие модели Pro. [189] На устройствах Apple лидар позволяет делать снимки в портретном режиме с ночным режимом, ускоряет автофокусировку и повышает точность в приложении «Измерение» .
В 2022 году «Колесо фортуны» начало использовать лидарную технологию, чтобы отслеживать, когда Ванна Уайт проводит рукой по доске-головоломке, открывая буквы. Первый эпизод, в котором использовалась эта технология, был в премьере 40-го сезона. [190]
Недавняя разработка технологий Structure From Motion (SFM) позволяет создавать трехмерные изображения и карты на основе данных, полученных из визуальных и ИК-фотографий. Данные о высоте или трехмерные данные извлекаются с помощью нескольких параллельных проходов по картографированной области, что дает как визуальные световые изображения, так и трехмерную структуру с одного и того же датчика, который часто представляет собой специально выбранную и откалиброванную цифровую камеру . [ нужна цитата ]
Компьютерное стереовидение оказалось многообещающим в качестве альтернативы лидару для приложений ближнего радиуса действия. [191]
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )