Lidar (translitteration LIDAR eller LiDAR - engelsk Light Detection and Ranging "detection and range with the help of light") er en teknologi til at måle afstande ved at udsende lys ( laser ) og måle den tid det tager for dette reflekterede lys at vende tilbage til modtageren .
Lidar som enhed er som minimum en aktiv optisk afstandsmåler .
Den veletablerede oversættelse af LIDAR som " laserradar " er ikke helt korrekt, da i systemer med kort rækkevidde (for eksempel designet til at arbejde indendørs), er laserens hovedegenskaber : sammenhæng , høj tæthed og øjeblikkelig strålingseffekt - ikke efterspurgt; Almindelige lysemitterende dioder kan tjene som lysgivere i sådanne systemer . I de vigtigste anvendelser af teknologien ( meteorologi , geodæsi og kartografi ), med rækkevidde fra hundredvis af meter til hundredvis af kilometer , bruges kun lasere.
Akronymet LIDAR dukkede første gang op i værket "Meteorological Instruments" fra 1953 af Middleton og Speelhouse , længe før laserne blev opfundet [1] . De første lidarer brugte almindelige lamper eller blitzlamper med højhastighedsskodder, der dannede en kort puls som lyskilder [2] .
I 1963 begyndte felttest af den bærbare laserafstandsmåler XM-23 med en strålingseffekt på 2,5 W og en række målte afstande på 200-9995 m i USA [3] . XM-23 var oprindeligt uklassificeret og blev det bedste instrument for civile forskere i 1960'erne [4] . I slutningen af 1960'erne blev laserafstandsmålere standardudstyr på nye amerikanske kampvogne (den første model designet med laserafstandsmålere var M551 Sheridan , lanceret i 1967). Civile anvendelser af laserafstandsmålere var kun begrænset af de høje omkostninger ved integrerede kredsløb på det tidspunkt.
Samtidig begyndte man i første halvdel af 1960'erne at bruge en lidar med laseremittere til at studere atmosfæren [5] .
I 1969 blev en laserafstandsmåler og mål monteret på Apollo 11 brugt til at måle afstanden fra Jorden til Månen. Fire mål leveret til Månen af tre Apolloer og Lunokhod 2 bruges stadig til at observere Månens kredsløb [6] [7] .
I løbet af 1970'erne blev på den ene side teknologien til laserafstandsmålere og kompakte halvlederlasere fejlrettet, og på den anden side begyndte undersøgelser af laserstrålespredning i atmosfæren. I begyndelsen af 1980'erne var disse undersøgelser blevet så berømte i amerikanske akademiske kredse, at forkortelsen LIDAR blev et kendt navn - lidar , som blev optaget af Websters 1985 Dictionary [2] . I de samme år nåede laserafstandsmålere stadiet af moden teknologi (i det mindste i militære applikationer) og skilte sig ud som en teknologigren adskilt fra lidarer [8] .
Eksperimenter med laserplacering af Månen i USSR begyndte i 1963, og siden 1973 har systematiske observationer af alle fem hjørnereflektorer placeret på det tidspunkt på Månen (" Lunokhod-1 ", " Lunokhod-2 ", " Apollo-11 ", " Apollo -14 ", " Apollo 15 ") [9] :263,267,272 . Til laserdistancemåling af jordens kunstige satellitter blev satellitter med hjørnereflektorer om bord opsendt i USSR : Interkosmos-17 (1977), Interkosmos-Bulgaria-1300 (sovjetisk-bulgarsk, 1981), Meteor-3 (1985), brugt udviklet af sovjetiske videnskabsmænd laserafstandsmåler "Krim" [10] : 321.323 .
I USSR var der to familier af lidar meteorologiske instrumenter beregnet til brug på flyvepladser (i begge familier blev flashlamper brugt som en kilde til den sonderende lysflux):
I modsætning til radiobølger , der effektivt kun reflekteres fra ret store metalmål, er lysbølger udsat for spredning i ethvert miljø, inklusive luft, så det er muligt ikke kun at bestemme afstanden til uigennemsigtige (lysreflekterende) diskrete mål, men også at fikse intensiteten af lysspredning i gennemsigtige miljøer. Det tilbagevendende reflekterede signal passerer gennem det samme spredningsmedium som strålen fra kilden og udsættes for sekundær spredning; derfor er gendannelse af de faktiske parametre for et distribueret optisk medium en ret vanskelig opgave, der kan løses ved både analytiske og heuristiske metoder.
De vigtigste forskelle i design og principper for drift af moderne lidarer ligger i modulerne til generering af scanningen. Scanningen kan dannes både ved mekaniske metoder (ved at bruge roterende spejle eller ved at bruge mikroelektromekaniske systemers bevægelser ) og ved hjælp af et fasedelt antennearray [11] .
I langt de fleste designs er emitteren en laser, der genererer korte lysimpulser med høj øjeblikkelig effekt. Pulsgentagelseshastigheden eller moduleringsfrekvensen vælges således, at pausen mellem to på hinanden følgende impulser ikke er mindre end responstiden fra detekterbare mål (som kan være fysisk længere end anordningens estimerede rækkevidde). Valget af bølgelængde afhænger af laserens funktion og kravene til sikkerhed og stealth af instrumentet; de mest almindeligt anvendte Nd:YAG-lasere og bølgelængder (i nanometer ):
Det er også muligt at bruge (se industri- og servicerobotter ) i stedet for korte impulser med kontinuerlig amplitudemodulation af stråling ved vekselspænding.
De fleste moderne lidarer bruger en cylindrisk sweep. Denne type sweep er den mest enkle at forme og let at viderebearbejde. Det har dog ulemper. For eksempel, når du bruger en cylindrisk sweep, er det muligt at gå glip af smalle vandrette genstande (såsom en barriere). Oftest løses dette problem ved at bruge en ekstra lidar med en cylindrisk scanning, men orienteret vinkelret på den første lidar.
Ud over den cylindriske scanning er der lidarer med et "roset" scanningsmønster. Dannelsen af dette sweep er mere kompliceret end dannelsen af et cylindrisk sweep, dog oplever lidarer med et roset-sweep ikke de ovenfor beskrevne problemer.
ScanningsoptikDe enkleste atmosfæriske lidarsystemer har ingen vejledning og er rettet lodret til zenit .
For at scanne horisonten i ét plan bruges simple scanningshoveder. I dem er den faste sender og modtager også rettet til zenit; i en vinkel på 45° i forhold til horisonten og strålingslinjen er der installeret et spejl, der roterer rundt om strålingsaksen. I luftfartsinstallationer, hvor det er nødvendigt at scanne en strimmel vinkelret på flyveretningen for luftfartøjet, er strålingsaksen vandret. For at synkronisere motoren, der roterer spejlet, og midlerne til at behandle det modtagne signal, bruges præcise rotorpositionssensorer , såvel som faste referencemærker, der er påført det gennemsigtige hus af scanningshovedet.
Scanning i to planer tilføjer til dette skema en mekanisme, der roterer spejlet i en fast vinkel med hver drejning af hovedet - det er sådan en cylindrisk scanning af den omgivende verden dannes. Hvis du har nok computerkraft, kan du bruge et stift fast spejl og en stråle af divergerende stråler - i dette design dannes en "ramme" pr. hovedomdrejning.
Scanning med MEMSScanning kan også udføres ved hjælp af mikroelektromekaniske systemer. Sådanne systemer kan reducere størrelsen betydeligt og øge produkternes pålidelighed.
Active phased array antenneEt aktivt fasedelt antennearray danner en laserstråle med en flerhed af sendemoduler, som hver genererer stråling med sine egne parametre. På denne måde kan stråleretningen styres. Brugen af PAR i lidarer giver dig mulighed for at slippe af med bevægelige dele og dermed forlænge produktets levetid.
En vigtig rolle spilles af det dynamiske område af modtagestien. For eksempel giver modtagestien for det seneste (2006) MuCAR-3 maskinsynsundersystem med et dynamisk område på 1:10 6 et effektivt område fra 2 til 120 m (1:60 i alt). For at undgå at overbelaste modtageren med intens belysning fra spredning i den "nære zone", bruger langrækkende systemer højhastigheds mekaniske lukkere, der fysisk blokerer den modtagende optiske kanal. I nærliggende enheder med en responstid på mindre end et mikrosekund er dette ikke muligt.
Atmosfærisk forskning med stationære lidarer er den mest udbredte anvendelse af teknologien. Der er adskillige permanente forskningsnetværk (interstate og universitet) udstationeret rundt om i verden, som overvåger atmosfæriske fænomener.
Måling af højden af bunden af skyerne . Lyslocatorer DVO-2 [12] (med en blitzlampe som lyskilde), laserlyslocatorer DOL-2 [13] og et laserceilometer til måling af højden af den nedre grænse af skyer og lodret sigtbarhed [14] er også produceret i Rusland Laserlyslokaliseringsanordninger CL31 fra den finske produktion [15] .
Sigtbarhedsmåling . _ FI-3 transmissometre [16] er produceret i Rusland, og finske LT31 transmissometre [17] bruges også . I begge enheder er strålingskilden en halvleder-LED.
Måling af hastighed og retning af luftstrømme . Den teoretiske begrundelse for brugen af en jordbaseret Doppler lidar til sådanne målinger blev givet tilbage i 1980'erne [18] . De første praktiske udviklinger brugte faste optiske systemer med strålen rettet lodret i zenit ; i 1990'erne blev teknologier foreslået for at tillade Doppler-lidarer at scanne et bredt synsfelt [19] . I 2001 foreslog Alcatel at placere lidarer om bord på satellitter , således at en "konstellation" af satellitter i kredsløb er i stand til at spore luftmassernes bevægelse inden for et helt kontinent og potentielt på Jorden som helhed [20] . Lidarer bruges aktivt til at observere atmosfærisk forurening . En særlig klasse af differentialabsorptionslidarer (differentialabsorptionslidar, DIAL ), der samtidigt udsender lys med forskellige bølgelængder, er i stand til effektivt at bestemme koncentrationen af individuelle gasser, hvis optiske parametre afhænger af bølgelængden.
Måling af atmosfærens temperatur . Adskillige grundlæggende metoder til måling af temperaturprofiler er blevet udviklet og omsat i praksis.
Den første metode bruger resonansspredning af alkalimetalatomer, især natrium, kalium og også jern [21] [22] [23] . Skyer af metalatomer er placeret i en højde af 85-100 km. Temperaturen måles ud fra Doppler-udvidelsen af resonanslinjerne ved sondering med en smalbåndet afstembar laser (der anvendes flydende lasere med et aktivt stof i form af en organisk farveopløsning). De første målinger blev foretaget ved hjælp af kunstige natriumskyer kastet ud i atmosfæren af raketter. På trods af at metoden er begrænset af det område af højder, hvor metalatomer er til stede, viser det spredte signal sig at være relativt stort, og det gør det muligt at måle temperaturen med en nøjagtighed på op til 1,5 ˚K [24] ] .
Den anden metode er Rayleigh-spredningsmetoden (Rayleigh lidar), baseret på ikke-resonant lysspredning af luftmolekyler [22] [25] [26] . Den blev første gang brugt i 1953 i eksperimenter med projektorlyd af atmosfæren [27] . Essensen af metoden er som følger. Hvis der ikke er aerosolspredning, så er kraften af det tilbagespredte signal direkte proportional med luftens tæthed, hvorfra temperaturen kan beregnes. Den sjældne luft med højde gør det muligt at bruge Rayleigh-spredningsmetoden i højder, der ikke overstiger 90 km. Den nedre grænse for målehøjden (ca. 20-30 km) skyldes tilstedeværelsen af en stor mængde aerosol i grænselaget, hvilket øger spredningen markant, men praktisk talt ikke påvirker lufttætheden.
Den tredje metode er baseret på roterende Raman (Raman) spredning af luftmolekyler (Raman lidar) [22] [25] . Når temperaturen stiger, øges intensiteten af overgange med store kvantetal, mens intensiteten af linjerne i det roterende Raman-spektrum svarende til små kvantetal falder. Overgange med store kvantetal svarer til linjer i Raman-spektret , der er længere væk fra centerfrekvensen. Temperaturen bestemmes ved hjælp af målinger i to områder af spektret med forskellige temperaturafhængigheder. Den maksimale lydhøjde er omkring 30 km, målefejlen er mindre end 1 ˚K op til en højde på 10 km [28] . Da den elastiske spredningslinje er undertrykt i modtageren, kan målinger også udføres i nærværelse af betydelige koncentrationer af aerosoler.
Temperaturmåling kan også udføres ved hjælp af DIAL lidar [22] , men denne metode er ikke udbredt.
Ud over videnskabelige formål og meteorologiske observationer afprøves integrerede systemer til overvågning af luftstrømme i lufthavnsområder aktivt. Blandt de seneste års praktiske forslag er automatiske styresystemer til vindmøller , der bruger lidarer til at bestemme vindens styrke og retning [29] .
Tidlig advarsel om skovbrand . En lidar placeret på en bakke (på en bakke eller på en mast) og scanner horisonten er i stand til at skelne uregelmæssigheder i luften genereret af brande. I modsætning til passive infrarøde systemer, der kun genkender termiske anomalier, registrerer lidar røg ved anomalier genereret af forbrændingspartikler, ændringer i luftens kemiske sammensætning og gennemsigtighed osv. Teknologien med en røgdetektionsradius på 20 km blev først annonceret i 1990 [30 ] , Aktive søgninger efter optimale systemkonfigurationer er stadig i gang [31] .
I stedet for at installere lidaren på jorden, hvor det modtagne reflekterede lys vil være støjende på grund af spredning i den forurenede, lavere atmosfære, kan den "atmosfæriske" lidar løftes op i luften eller i kredsløb, hvilket væsentligt forbedrer signal-til- støjforhold og systemets effektive rækkevidde. Den første fuldgyldige orbitale lidar blev sendt i kredsløb af NASA i december 1994 som en del af LITE-programmet (Lidar In-Space Technology Experiment) [32] [33] . En to-tons LITE lidar med et meter langt reflekterende teleskop , hævet til en højde på 260 km, "tegner" et sløret sted på jorden med en diameter på 300 m, hvilket tydeligvis ikke var nok til effektivt at vise relieffet, og var udelukkende "atmosfærisk".
Erfaringen med at verificere satellitbillededata ved hjælp af synkrone data fra mere end 60 jordbaserede lidarer rundt om i verden viste sig at være særligt værdifulde [34] .
Den første europæiske orbitale lidar (projekt ALADIN) er planlagt til at blive opsendt i 2014 [35] .
Space Geodesy . Moderne rumprojekter er opdelt i to områder - forbedring af "atmosfæriske" systemer (se det førnævnte Alcatel-projekt) og geodætiske lidarer, der er i stand til at scanne jordens overflade med acceptabel opløsning. Lidarer kan bruges både i kredsløb om Jorden og i kredsløb om andre planeter, et praktisk eksempel på dette er den indbyggede lidar AMS Mars Global Surveyor .
Luftfartsgeodæsi, topografi og arkæologi . US National Oceanographic Service (NOAA) bruger systematisk luftlidarer til topografiske undersøgelser af havkysten. NOAAs scanningslidar har en lodret opløsning på 15 cm og en scanningsbåndbredde (ved en nominel flyvehøjde) på 300 m. Der henvises til absolut højde "fra havoverfladen" (justeret for tidevand), til geografiske koordinater - ifølge GPS -signaler [36] . United States Geographic Service (USGS) udfører lignende topografiske undersøgelser i Antarktis , USGS undersøgelsesdata er offentligt tilgængelige [37] . I 2007 startede USGS et program til at indlejre lidar-data i US National Topographic Database [38] .
En særlig retning, der anvendes i praksis i seismiske områder i USA, er differentiel måling af højder for at identificere lokale bevægelser af jordmasser i forkastningsområdet . Tilbage i 1996 blev en hidtil ukendt forkastningszone nær Seattle opdaget ved hjælp af lidar [39] .
Overvågning af skove og biomasse . Rum (for eksempel GLAS - Geoscience Laser Altimeter System) og luftfartslidarer gør det muligt at bestemme højden af vegetation, især skove. Således bliver det muligt at afklare fordelingen af skovene, beregne deres parametre (fytomasse, træbestand) og overvåge dynamikken i skovdække (for eksempel skovrydning i troperne ).
Luftlaserskanning af terrænet gør det muligt at indhente data om jordens virkelige overflade, undtagen forvrængninger fra skove, bygninger osv., og gør det også muligt at identificere lavvandede arkæologiske objekter i kulturlaget [40] [41] [42] . For eksempel blev ruinerne af de tidligere store boligområder i junglen omkring templet i Angkor Wat opdaget på denne måde , og de besatte mere end 1.000 km² [43] .
Lidarer, der scanner faste objekter (bygninger, bylandskab, åbne minedrift) er relativt billige: da objektet er ubevægeligt, kræves der ingen speciel hastighed fra signalbehandlingssystemet, og selve målecyklussen kan tage ret lang tid (minutter) . Ligesom prisen på laserafstandsmålere og niveauer brugt i byggeriet faldt på én gang, bør vi forvente et yderligere fald i priserne på bygge- og minedriftslidarer - prisfaldet begrænses kun af omkostningerne ved præcisionsscanningsoptik. Typiske anvendelser:
Mineopmåling - målinger af åben minedrift, konstruktion af tredimensionelle modeller af underjordiske klippeformationer (inklusive i forbindelse med seismografiske værktøjer).
Konstruktion - målinger af bygninger, kontrol af afvigelsen af væggenes og bærende søjlers planer fra lodret (inklusive i dynamik), analyse af vibrationer af vægge og ruder. Grubemålinger, oprettelse af tredimensionelle modeller af byggepladser for at vurdere mængden af jordarbejde.
Arkitektur er opførelsen af tredimensionelle modeller af bymiljøet for at vurdere virkningen af de foreslåede nye bygninger på byens udseende.
Måling af havets dybde . Til denne opgave bruges en luftbåren differentiallidar. Røde bølger reflekteres næsten fuldstændigt af havoverfladen, mens grønne bølger delvist trænger ind i vandet, forsvinder i det og reflekteres fra havbunden. Teknologien er endnu ikke brugt i civil hydrografi på grund af den høje målefejl og den lille række af målte dybder.
Søg efter fisk . Lignende midler kan opdage tegn på fiskestimer i de nærliggende lag af vand. Specialister fra det amerikanske statslaboratorium ESRL hævder, at eftersøgning af fisk med lette fly udstyret med lidarer er mindst en størrelsesorden billigere end fra skibe udstyret med ekkolod [44] .
Redning af mennesker til søs . I 1999 patenterede den amerikanske flåde et flylidar-design, der var anvendeligt til at søge efter mennesker og menneskekroppe på havets overflade; [45] , den grundlæggende nyhed i denne udvikling er brugen af optisk maskering af det reflekterede signal, som reducerer virkningen af interferens.
Klarering . Minedetektering er mulig ved hjælp af lidarer direkte nedsænket i vand (for eksempel fra en bøje trukket af en båd eller helikopter), men har ingen særlige fordele sammenlignet med aktive akustiske systemer ( ekkolod ). Midler til at detektere miner i lag nær overfladen af vand ved hjælp af luftbårne lidarer er blevet patenteret, effektiviteten af sådanne lidarer kendes ikke.
Undervandssynssystemer . I begyndelsen af undervandsanvendelsen af lidarer til søs var Kaman Corporation , som patenterede en brugbar teknologi i 1989 [46] . Intens (sammenlignet med luft) spredning af lys i vand i lang tid begrænsede virkningen af undervandslidarer til snesevis af meter. Laserpulsen er i stand til at "bryde igennem" selv lange afstande, men det nyttige reflekterede signal kan ikke skelnes på baggrund af parasitisk belysning. Kaman overvandt dette problem ved at bruge elektroniske lukkere, der kun åbnede den optiske vej til CCD -modtageren i en kort periode med forventet respons. Derudover blev selve målbilledet dannet af "skyggesubtraktion"-metoden, hvilket øgede systemets rækkevidde betydeligt. Kaman anvender også korttidsvinduemetoden på flysystemer; i dem indstilles tidspunktet for åbning af den optiske kanal af højdemåleren på luftfartøjet [47] .
I de efterfølgende år udviklede Kaman emnet lidarer både i retning af at øge rækkevidden og pålideligheden af mønstergenkendelse og en del af nye anvendelsesområder. For eksempel patenterede i 1999 brugen af lidarer til at etablere højhastighedskommunikation under vand med ubemandede undervandsfartøjer (styrede torpedoer ) via en optisk kanal [48] . I 1992 blev individuelle lidarer foreslået til dykkere og dykkere [49] . Det er sandsynligt, at et betydeligt lag af flådeudviklinger forbliver ukendt for den brede offentlighed.
Bestemmelse af køretøjers hastighed . I Australien bruges de simpleste lidarer til at bestemme bilers hastighed – ligesom politiets radarer. Den optiske "radar" er meget mere kompakt end den traditionelle, men mindre pålidelig til at bestemme hastigheden af moderne biler: refleksioner fra skråplan med kompleks form "forvirrer" lidaren.
Aktive sikkerhedssystemerUbemandede køretøjer . I 1987-1995, under EUREKA Prometheus -projektet , som kostede EU mere end 1 milliard dollars, blev den første praktiske udvikling af ubemandede køretøjer udviklet . Den mest berømte prototype, VaMP (udvikler - Bundeswehr University i München ) brugte ikke lidarer på grund af de daværende processorers manglende computerkraft . Deres seneste udvikling, MuCAR-3 (2006), bruger en enkelt 360-graders lidar hævet højt over køretøjets tag, sammen med et retningsbestemt fremadrettet multifokalkamera og et inerti-navigationssystem [50] . MuCAR-3 lidar bruges af undersystemet til at vælge den optimale bane på ujævnt terræn, den giver en vinkelopløsning på 0,01° med et dynamisk område for den optiske modtager på 1:10 6 , hvilket giver en effektiv synsradius på 120 m For at opnå en acceptabel scanningshastighed kræver en stråle med 64 divergerende laserstråler, så en komplet "ramme" en enkelt drejning af det roterende spejl [50] .
Siden 2003 har den amerikanske regering finansieret udviklingen og konkurrencen af robotkøretøjer gennem Defense Advanced Development Agency ( DARPA ). Der er årlige DARPA Grand Challenge- løb ; løbet i 2005 blev vundet af en maskine fra Stanford , baseret på et vision-system baseret på fem retningsbestemt visningslidarer.
En enhed fra Apple kaldet Project Titan til at overføre autopilotfunktionen til enhver bil blev set på gaden i oktober 2017. Apple valgte Lexus RX -bilen til at teste autopiloten . En enhed med en radar og 12 lidarer blev installeret på taget, som hjælper systemet med at studere miljøet.
Automatiske dockingsystemer . Det canadiske firma Optech designer og fremstiller systemer til automatisk docking i kredsløb baseret på lidarer [51] .
Close-range machine vision-systemer til robotter baseret på IBM scanning lidar danner et cylindrisk sweep med en horisontdækningsvinkel på 360° og en vertikal synsvinkel på op til +30..-30°. Selve afstandsmåleren, der er installeret inde i det optiske scanningshoved, fungerer på konstant laveffektstråling moduleret af en bærefrekvens på omkring 10 MHz. Afstanden til målene (med en bærebølge på 10 MHz - ikke mere end 15 m) er proportional med faseforskydningen mellem referenceoscillatoren, der modulerer lyskilden, og responssignalet. IBM lidaren bruger en simpel analog kontinuerlig fasediskriminator og har en høj vinkelopløsning, som i praksis kun er begrænset af hastigheden på processoren, der behandler det tredimensionelle "billede" af lidaren, og systemet til automatisk styring af signalet niveau ved modtagerudgangen (hurtige AGC'er introducerer faseforvrængning i det modtagne signal, langsomt indsnævrer det dynamiske område). I 1990-1994 blev sådanne lidarer testet i servicerobotter af Joseph Engelberger [52] , dog blev brugen af lidar i serielle produkter derefter opgivet til fordel for billige ultralydssensorer .
Apple installerer lidar på iPhones og iPads med start i 2020.
