Lidar nedir ve nasıl çalışır

1990'ların en büyük teknolojik fantezilerinden biri olan Sürücüsüz Arabalar (“The Love Bug” ve “Demolition Man” gibi daha önceki filmlerin tetiklediği), başta LIDAR olmak üzere çeşitli teknolojiler etrafında yapılan devasa ilerleme sayesinde bugün bir gerçek.

LiDAR nedir?

LIDAR (Light Detection and Ranging'in kısaltması), nesneye ışık demetleri ateşleyerek bir nesnenin mesafesini ölçen ve mesafeyi tahmin etmek için ve bazı uygulamalarda (Lazer) yansıyan ışık demetinin zamanını ve dalga boyunu kullanan kapsamlı bir teknolojidir (Lazer Görüntüleme), Nesnenin 3B temsilini oluşturun.

Lazerin arkasındaki fikir, 1930'daki EH Synge'nin çalışmasına kadar izlenebilse de, lazerin icadından sonra 1960'ların başlarına kadar bu bir şey değildi. Esasen lazer odaklı görüntülemenin uçuş zamanı tekniğini kullanarak mesafeleri hesaplama yeteneği ile bir kombinasyonu, ilk uygulamalarını bulutları ölçmek için kullanıldığı Meteoroloji'de ve haritalamak için bir lazer altimetrenin kullanıldığı Uzay'da buldu. Apollo 15 görevi sırasında ayın yüzeyi. O zamandan beri, teknoloji gelişti ve aşağıdakiler dahil çeşitli uygulamalarda kullanıldı; sismik faaliyetlerin tespiti, oşinografi, arkeoloji ve denizcilikten bahsetmek gerekirse.

LiDAR Nasıl Çalışır?

Teknoloji, her ikisi de nesne algılama ve mesafe için dalgaların yansıma prensibini kullanan RADAR (gemiler ve uçaklar tarafından kullanılan radyo dalgası navigasyonu) ve SONAR (özellikle denizaltılar tarafından kullanılan ses kullanarak su altı nesne algılama ve navigasyon) teknolojisine oldukça benzer. tahmin. Bununla birlikte, RADAR radyo dalgalarına ve SONAR seslere dayanırken, LIDAR Işık ışınlarına (Lazer) dayanır.

LIDAR, aşağıdakiler dahil olmak üzere farklı dalga boylarında ışık kullanır; görüntü nesnelerine ultraviyole, görünür veya yakın kızılötesi ışık ve bunun gibi her tür malzeme bileşimini tespit edebilir; metal olmayanlar, kayalar, yağmur, kimyasal bileşikler, aerosoller, bulutlar ve hatta tek moleküller. LIDAR sistemleri, saniyede 1.000.000'e kadar ışık darbesi ateşleyebilir ve darbelerin tarayıcıya geri yansıtılması için geçen süreyi, tarayıcının çevresindeki nesnelerin ve yüzeylerin bulunduğu mesafeyi belirlemek için kullanabilir. Mesafe tespiti için kullanılan teknik, uçuş zamanı olarak bilinir ve denklemi aşağıda verilmiştir.

Mesafe = (Işık Hızı x Uçuş Süresi) / 2

Çoğu uygulamada, sadece uzaktan ölçüm dışında, ışık demetinin ateşlendiği ortamın / nesnenin 3B haritası oluşturulur. Bu, lazer ışınının nesneye veya ortama sürekli ateşlenmesi yoluyla yapılır.

Düz aynalarda elde edilebilen speküler tip yansımanın aksine , LIDAR sistemlerinde yaşanan yansımanın, ışık dalgalarının geldikleri yönden geri yayılması nedeniyle geri saçılmış yansımadır. Uygulamaya bağlı olarak, LIDAR sistemleri Rayleigh ve Raman saçılımı dahil olmak üzere farklı geri saçılma varyasyonları kullanır,

Bir LIDAR Sisteminin Bileşenleri

Bir LIDAR sistemi tipik olarak, uygulamadan kaynaklanan değişikliklere bakılmaksızın mevcut olması beklenen 5 unsurdan oluşur. Bu ana bileşenler şunları içerir:

Lazer
Tarayıcılar ve Optik sistem
İşlemci
Doğru zamanlama elektroniği
Atalet Ölçüm Birimi ve GPS

1. Lazer

Lazer, ışık atımları için enerji kaynağı olarak hizmet eder. LIDAR sistemlerinde kullanılan lazerin dalga boyu, belirli uygulamaların özel gereksinimleri nedeniyle bir uygulamadan diğerine farklılık gösterir. Örneğin, Havadan LiDAR sistemleri, 1064 nm diyot pompalı YAG lazerleri kullanırken, Batimetrik sistemler, havadaki 1064nm versiyonundan çok daha az zayıflama ile suya (40 metreye kadar) nüfuz eden 532nm çift diyot pompalı YAG lazerleri kullanır. Ancak, uygulamalardan bağımsız olarak, kullanılan lazerler genellikle güvenliği sağlamak için düşük enerjiye sahiptir.

2. Tarayıcı ve Optik

Tarayıcılar, herhangi bir LIDAR sisteminin önemli bir parçasıdır. Lazer darbelerini yüzeylere yansıtmaktan ve yansıyan darbeleri yüzeyden geri almaktan sorumludurlar. Görüntülerin bir LIDAR sistemi tarafından geliştirilme hızı, tarayıcıların geri saçılan ışınları yakalama hızına bağlıdır. Uygulamadan bağımsız olarak, bir LIDAR sisteminde kullanılan optikler, özellikle haritalama için en iyi sonuçları elde etmek için yüksek hassasiyet ve kalitede olmalıdır. Lens tipi, özel cam seçimi ve kullanılan optik kaplamalar, LIDAR'ın çözünürlük ve menzil yeteneklerinin başlıca belirleyicileridir.

Uygulamaya bağlı olarak, farklı çözünürlükler için çeşitli tarama yöntemleri kullanılabilir. Azimut ve yükseklik taraması ve çift eksenli tarama, en popüler tarama yöntemlerinden bazılarıdır.

3. İşlemciler

Yüksek kapasiteli bir işlemci genellikle herhangi bir LIDAR sisteminin kalbinde yer alır. LIDAR sisteminin tüm bileşenlerinin faaliyetlerini senkronize etmek ve koordine etmek için kullanılır ve tüm bileşenlerin gerektiği zaman çalışmasını sağlar. İşlemci, LIDAR nokta verilerini üretmek için tarayıcıdan, zamanlayıcıdan (işlem alt sistemine entegre değilse), GPS ve IMU'dan gelen verileri entegre eder. Bu yükseklik noktası verileri daha sonra uygulamaya bağlı olarak haritalar oluşturmak için kullanılır. Sürücüsüz Otomobillerde nokta verileri, arabalara engellerden kaçınma ve genel navigasyon konusunda yardımcı olmak için gerçek zamanlı bir ortam haritası sağlamak için kullanılır.

Nanosaniye başına yaklaşık 0,3 metre hızla hareket eden ışık ve genellikle tarayıcıya geri yansıtılan binlerce ışınla, işlemcinin genellikle yüksek işleme kapasitesine sahip yüksek hızda olması gerekir. Bu nedenle, hesaplama elemanlarının işlem gücündeki gelişmeler, LIDAR teknolojisinin ana itici güçlerinden biri olmuştur.

4. Zamanlama Elektroniği

Tüm operasyon zamanında kurulduğundan, LIDAR sistemlerinde doğru zamanlama esastır. Zamanlama elektroniği, bir lazer darbesinin tam olarak ayrıldığı zamanı ve tarayıcıya tam olarak döndüğü zamanı kaydeden LIDAR alt sistemini temsil eder.

Hassasiyeti ve doğruluğu fazla vurgulanamaz. Dağınık yansıma nedeniyle, gönderilen darbelerin genellikle birden fazla dönüşü vardır ve verilerin doğruluğunu sağlamak için her birinin tam olarak zamanlanması gerekir.

5. Atalet Ölçüm Birimi ve GPS

Uydular, uçaklar veya otomobiller gibi mobil bir platforma bir LiDAR sensörü monte edildiğinde, kullanılabilir verileri tutmak için sensörün mutlak konumunu ve yönünü belirlemek gerekir. Bu, bir Atalet ölçüm sistemi (IMU) ve Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) kullanılarak elde edilir. IMU genellikle, tarayıcının yere göre açısal yönünü (Eğim, yuvarlanma ve Sapma) belirlemek için birlikte kullanılan hız, yönelim ve yerçekimi kuvvetlerini ölçmek için bir ivmeölçer, jiroskop ve bir manyetometreden oluşur. Öte yandan GPS, sensörün konumu ile ilgili doğru coğrafi bilgiler sağlar, böylece nesne noktalarının doğrudan coğrafi referansına izin verir.Bu iki bileşen, çeşitli sistemlerde kullanılmak üzere sensör verilerini statik noktalara çevirme yöntemi sağlar.

GPS ve IMU kullanılarak elde edilen ekstra bilgiler, elde edilen verilerin bütünlüğü için çok önemlidir ve özellikle Otonom araçlar ve Hava Uçağı tabanlı görüntü sistemleri gibi mobil LIDAR uygulamalarında yüzeylere olan mesafenin doğru şekilde tahmin edilmesine yardımcı olur.

LiDAR Türleri

LIDAR sistemleri çok sayıda faktöre göre türlere ayrılabilirken, üç genel tip LIDAR Sistemi vardır:

Mesafe bulucu LIDAR
Diferansiyel absorpsiyon LIDAR
Doppler LIDAR

1. Mesafe Bulucu LIDAR

Bunlar en basit LIDAR sistemleridir. LIDAR tarayıcıdan bir nesneye veya yüzeye olan mesafeyi belirlemek için kullanılırlar. "Nasıl çalışır" bölümünde açıklanan uçuş süresi prensibini kullanarak, yansıma ışınının tarayıcıya çarpması için geçen süre, LIDAR sistemi ile nesne arasındaki mesafeyi belirlemek için kullanılır.

2. Diferansiyel Absorpsiyon LIDAR

Diferansiyel absorpsiyon LIDAR sistemleri (bazen DIAL olarak anılır), genellikle belirli moleküllerin veya materyallerin varlığının araştırılmasında kullanılır. DIAL sistemleri genellikle, dalga boylarından biri ilgilenilen molekül tarafından absorbe edilirken diğer dalga boyu olmayacak şekilde seçilen iki dalga boyundaki lazer ışınlarını ateşler. Işınlardan birinin soğurulması, tarayıcı tarafından alınan dönüş ışınlarının yoğunluğunda bir farka (farklı soğurma) neden olur. Bu fark daha sonra araştırılan molekülün mevcudiyet seviyesini belirlemek için kullanılır. DIAL, atmosferdeki kimyasal konsantrasyonları (ozon, su buharı, kirleticiler gibi) ölçmek için kullanılmıştır.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR, bir hedefin hızını ölçmek için kullanılır. LIDAR'dan ateşlenen ışık ışınları, LIDAR'a doğru veya uzaklaşan bir hedefe çarptığında, hedeften yansıyan / saçılan ışığın dalga boyu biraz değişecektir. Bu, Doppler kayması olarak bilinir - sonuç olarak Doppler LiDAR. Hedef LiDAR'dan uzaklaşıyorsa, dönüş ışığı daha uzun bir dalga boyuna sahip olacaktır (bazen kırmızı kayma olarak adlandırılır), eğer LiDAR'a doğru hareket ederse, dönüş ışığı daha kısa bir dalga boyunda olacaktır (mavi kaymış).

LIDAR sistemlerinin türlere göre gruplandırıldığı diğer sınıflandırmalardan bazıları şunlardır:

Platform
Geri Saçılma Türü

Platforma dayalı LiDAR türleri

Platformu bir kriter olarak kullanarak, LIDAR sistemleri dört tipte gruplanabilir;

Zemin tabanlı LIDAR
Havadan LIDAR
Spaceborne LIDAR
Motion LIDAR

Bu LIDAR'lar inşaat, malzeme, dalga boyu, görünüm ve genellikle konuşlandırılacakları ortamda işe yarayan özelliklere uyacak şekilde seçilen diğer faktörlerde farklılık gösterir.

Geri Saçılma Türüne Göre LIDAR Türleri

LIDAR sistemlerinin nasıl çalıştığını anlatırken, LIDAR'daki yansımanın geri saçılma yoluyla olduğundan bahsetmiştim. Farklı tipte geri saçılma çıkışları ve bazen LIDAR tipini tanımlamak için kullanılır. Geri saçılma türleri arasında;

Mie
Rayleigh
Raman
Floresans

LiDAR Uygulamaları

Aşırı doğruluğu ve esnekliği nedeniyle LIDAR, özellikle yüksek çözünürlüklü haritaların üretimi olmak üzere çok sayıda uygulamaya sahiptir. Araştırmanın yanı sıra, LIDAR, şu anda otonom araç yarışının en önemli sağlayıcılarından biri olduğu için tarımda, arkeolojide ve robotlarda kullanılmıştır ve LIDAR sistemi ile çoğu araçta kullanılan ana sensör, araçlar için gözler.

LiDAR'ın 100'lerce başka uygulaması vardır ve aşağıda olabildiğince çoktan bahsetmeye çalışacağız.

Otonom Araçlar
3D Görüntüleme
Kadastro
Güç Hattı Muayenesi
Turizm ve Parklar Yönetimi
Ormanların korunması için Çevresel Değerlendirme
Taşkın Modelleme
Ekolojik ve Arazi Sınıflandırması
Kirlilik Modellemesi
Petrol ve Gaz Arama
Meteoroloji
Oşinografi
Her türlü askeri uygulama
Hücre Ağı Planlaması
Astronomi

LiDAR Sınırlamaları

Her teknoloji gibi LIDAR'ın da eksiklikleri vardır. LIDAR sistemleri yelpazesi ve doğruluğu kötü kötü hava koşullarında etkilenir. Örneğin, Sisli koşullarda, sisten yansıyan ışınlar nedeniyle önemli miktarda yanlış sinyal üretilir. Bu genellikle mie saçılma etkisine yol açar ve bu nedenle, ateşlenen ışının büyük bir kısmı tarayıcıya geri dönmez. Yağmur tanecikleri sahte geri dönüşlere neden olduğu için yağmurda da benzer bir olay yaşanır.

Hava durumu bir yana, LIDAR sistemleri bir nesnenin var olduğunu düşünmek için (kasıtlı veya kasıtlı olarak) “ışıklar” yanıp sönerek kandırılabilir. 2015 yılında yayınlanan bir makaleye göre, otonom araçlara monte edilen LIDAR sisteminde basit bir lazer işaretçinin yanıp sönmesi, aracın navigasyon sistemlerini şaşırtabilir ve ona hiç olmayan bir nesnenin varlığı izlenimi verebilir. Özellikle lazerlerin sürücüsüz araç uygulamalarındaki bu kusur, araba hırsızlarının saldırılarda kullanım ilkesini iyileştirmesi uzun sürmeyeceği için pek çok güvenlik endişesi yaratır. Ayrıca, başka bir araba veya bir yaya olduğuna inandıkları şeyi algıladıklarında , arabaların yolun ortasında aniden durmasıyla kazalara da yol açabilir.

LiDAR'ın Avantaj ve Dezavantajları

Bu makaleyi özetlemek için, muhtemelen LIDAR'ın projeniz için neden uygun olabileceğine ve muhtemelen bundan kaçınmanızın nedenlerine bakmalıyız.

Avantajlar

1. Yüksek Hız ve doğru veri toplama

2. Yüksek Penetrasyon

3. Çevresindeki ışık yoğunluğundan etkilenmez ve gece veya güneşte kullanılabilir.

4. Diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında Yüksek Çözünürlüklü Görüntüleme.

5. Geometrik Bozulma Yok

6. Diğer veri toplama yöntemleriyle kolayca bütünleşir.

7. LIDAR, insan hatasının verilerin güvenilirliğini etkileyebileceği bazı uygulamalarda iyi olan minimum insan bağımlılığına sahiptir.

Dezavantajları

1. LIDAR'ın maliyeti, belirli projeler için aşırıya kaçmasına neden olur. LIDAR en iyi nispeten pahalı olarak tanımlanır.

2. LIDAR sistemleri şiddetli yağmur, sis veya kar koşullarında kötü performans gösterir.

3. LIDAR sistemleri, işlemek için yüksek hesaplama kaynakları gerektiren büyük veri kümeleri üretir.

4. Türbülanslı su uygulamalarında güvenilmez.

5. Kabul edilen dalga boyuna bağlı olarak, belirli LIDAR türlerinde ateşlenen darbeler belirli rakımlarda etkisiz hale geldiğinden, LIDAR sistemlerinin performansı sınırlıdır.

Hobi ve Yaratıcılar için LIDAR

LIDAR'ların maliyeti nedeniyle, piyasadaki LIDAR sistemlerinin çoğu (velodyne LIDAR'lar gibi) endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadır (“hobisi olmayan” tüm uygulamaları bir araya getirmek için).

Şu anda mevcut olan "hobi sınıfına" en yakın LIDAR sistemi , Hybo tarafından tasarlanan iLidar Katı Hal LiDAR sensörleridir. Etkili maksimum 6 metrelik bir menzile sahip, 3D haritalama (sensörü döndürmeden) yapabilen küçük bir LiDAR sistemidir. Sensör, bir UART / SPI / i2C bağlantı noktasının yanında, sensör ve bir mikro denetleyici arasında iletişim kurulabilen bir USB bağlantı noktası ile donatılmıştır.

iLidar herkese uyacak şekilde tasarlanmıştır ve LiDAR ile ilişkili özellikler onu yapımcılar için çekici kılar.