Лидар
-
История и этимология
- Лидар был изобретен в 1961 году компанией Hughes Aircraft.
- Первоначально назывался «Colidar» и был производным от термина «радар».
- Первое практическое применение лидара было в метеорологии в 1971 году.
-
Принцип работы
- Лидар использует лазер для определения дальности до объекта.
- Лазерное излучение отражается от объекта и возвращается к приемнику.
- Лидар может работать в фиксированном направлении или сканировать в нескольких направлениях.
-
Применение
- Лидар используется для создания карт высокого разрешения в различных областях, таких как геодезия, геоматика, археология и геология.
- Применяется в системах управления и навигации автономных автомобилей и вертолетов.
- Используется для создания цифровых трехмерных изображений земной поверхности и океанского дна.
-
Технологии
- Лидар использует ультрафиолетовый, видимый или ближний инфракрасный свет.
- Свет отражается путем обратного рассеяния, что позволяет получать изображения с высоким разрешением.
- Лидарные системы состоят из лазера, фазированных решеток и микроэлектромеханических станков.
-
Компоненты
- Лазеры с длиной волны 600-1000 нм наиболее распространены.
- Фазированные решетки используются для освещения любого направления.
- Микроэлектромеханические станки обеспечивают миниатюрный форм-фактор и высокую скорость вращения.
-
Системы MEMS и их калибровка
- Системы MEMS могут выходить из строя из-за ударов и вибрации.
- Требуется повторная калибровка.
-
Сканер и оптика
- Скорость создания изображений зависит от скорости сканирования.
- Варианты сканирования включают плоские зеркала, многоугольные зеркала и двухкоординатные сканеры.
- Оптика влияет на угловое разрешение и дальность обнаружения.
-
Электроника фотоприемника и приемника
- Используются твердотельные фотоприемники и фотоумножители.
- Чувствительность приемника важна для разработки лидара.
-
Системы определения местоположения и навигации
- Лидарные датчики требуют контрольно-измерительных приборов для определения положения и ориентации.
- Включают приемник GPS и инерциальный измерительный блок.
-
Датчик
- Лидар использует активные датчики с собственным источником освещения.
- Расстояние определяется по времени между импульсами и скорости света.
- Лидар со вспышкой позволяет получать трехмерные изображения.
-
Трехмерные изображения
- Лидар может быть сканирующим или несканирующим.
- Используются импульсный лазер и быстродействующая камера со стробированием.
- Начались исследования по виртуальному управлению лучом.
-
Лидар когерентной визуализации
- Использует гетеродинное обнаружение с синтетической матрицей.
- Позволяет наблюдающему приемнику действовать как матрица визуализации.
-
Новые технологии
- В 2014 году анонсирован чип с 16 384 пикселями.
- Используется арсенид индия-галлия для высокой мощности и дальности.
- Новые технологии включают матрицы и камеры на полупроводниковых и сверхпроводниковых платформах.
-
Лидар со вспышкой
- Освещает все поле зрения за один импульс.
- Камера фиксирует время полета для сбора информации о местоположении и интенсивности.
- Лидар со вспышкой особенно выгоден при движении камеры, сцены или объектов.
-
Классификация лидаров
- Основан на ориентации, механизме сканирования и платформе.
- Бортовой лидар используется для создания цифровых моделей рельефа.
- Данные обрабатываются с помощью набора инструментов TIFFS.
-
Лидарные системы и их применение
- Лидарные системы используются для получения данных о растительности и других объектах.
- Лидарные показатели рассчитываются для моделирования и картографирования.
- Лидарные системы применяются в беспилотных летательных аппаратах для сканирования больших площадей.
-
Бортовая лидарная батиметрия
- Бортовая лидарная батиметрическая система измеряет время прохождения сигнала.
- Используется лазерный луч зеленого спектра для измерения глубины воды.
- Лидар может измерять глубину от 0,9 до 40 м с точностью 15 см.
- Лидар полезен для картографирования прибрежных районов.
-
Полномасштабный лидар
- Современные системы регистрируют и оцифровывают весь отраженный сигнал.
- Гауссовская декомпозиция сигналов используется для извлечения пиковых отражений.
- Вокселизация применяется для создания трехмерных изображений.
-
Наземное лидарное сканирование
- Наземное лидарное сканирование используется для топографии, мониторинга и документации.
- Мобильный лидар применяется для съемки улиц и создания трехмерных моделей.
- Лидарное картографирование включает создание сетчатой карты занятости.
-
Приложения лидара
- Лидар используется в сельском хозяйстве для определения мест внесения удобрений и наблюдения за насекомыми.
- Лидар применяется для классификации видов растений и в археологии для планирования полевых кампаний и создания цифровых моделей рельефа.
-
Применение лидара в археологии
- Лидар используется для обнаружения археологических особенностей, таких как осада форта в Форт-Боседжуре.
- В Гондурасе лидар помог найти легендарный город Ла-Сьюдад-Бланка.
- В Камбодже лидар выявил антропогенные изменения ландшафта Ангкора.
- В Мексике лидар показал, что в Пурепеча Ангамуко было столько же зданий, сколько на Манхэттене.
- В Гватемале лидар обнаружил 17 надземных дорог майя.
- В 2018 году лидар обнаружил более 60 000 сооружений в биосферном заповеднике майя.
-
Лидар в автономных транспортных средствах
- Лидар используется для обнаружения препятствий и их объезда.
- Лидарные системы помогают в разработке адаптивных систем круиз-контроля.
- Лидарные данные используются для определения дорожной обстановки и разметки.
-
Лидар в экологии и охране природы
- Лидар применяется для картографирования природных ландшафтов.
- Лидар используется для оценки биоразнообразия растений, грибов и животных.
- Лидар помогает в управлении лесным хозяйством и оценке лесных пожаров.
-
Лидар в геологии и почвоведении
- Лидарные карты высот высокого разрешения используются в геоморфологии.
- Лидар помогает обнаруживать тонкие топографические особенности и изменения высоты.
- Лидар используется в структурной геологии и геофизике для обнаружения разломов и измерения высоты.
-
Спутниковая система NASA ICESat
- Включает подсистему лидара для мониторинга ледников и анализа изменений береговой линии
- Используется почвоведами для детального моделирования рельефа
-
Лидарные системы в метеорологии
- Основаны на рубиновых лазерах, используются для профилирования облаков, измерения ветра и изучения аэрозолей
- Измеряют приземное давление, выбросы парниковых газов, фотосинтез, пожары и влажность
- Могут быть наземными, бортовыми или спутниковыми
-
Доплеровские лидары
- Измеряют температуру и скорость ветра
- Используются для измерения полей ветра на Олимпийских играх и в возобновляемых источниках энергии
- Применяются в секторе возобновляемых источников энергии для получения данных о скорости ветра, турбулентности и направлении
-
Лидары с дифференциальным поглощением
- Используют две или более длин волн для учета отражательной способности поверхности и других потерь при пропускании
- Применяются для дистанционного зондирования углекислого газа и метана
-
Лидары с синтетической матрицей
- Позволяют получать изображения с допплеровской велосиметрией и сверхбыстрой частотой кадров
- Уменьшают спеклы в когерентном лидаре
-
Лидары в правоохранительных органах
- Используются полицией для измерения скорости транспортных средств и в криминалистике
- Применяются для сканирования мест происшествий и определения траектории полета пули
-
Военные применения лидаров
- Используются для измерения скорости ядерных крылатых ракет и идентификации целей
- Примеры: бортовая лазерная система обнаружения мин и система обнаружения биологического противостояния дальнего действия
-
Лидары в добыче полезных ископаемых
- Используются для расчета объемов добычи руды и обнаружения препятствий роботизированными горнодобывающими машинами
-
Лидары в физике и астрономии
- Применяются для измерения расстояния до отражателей на Луне и проведения тестов общей теории относительности
- Используются для создания глобальных моделей рельефа Марса и других планет
-
Лидары в механике горных пород
- Определяют характеристики массива горных пород и изменение уклона
- Используются для оценки геомеханического качества массива и изучения изменений на склонах
-
Применение лидара в робототехнике
- Лидар используется для восприятия окружающей среды и классификации объектов
- Создает трехмерные карты рельефа местности и высокоточное расстояние до земли
- Применяется для безопасной посадки роботизированных транспортных средств
-
Применение лидара в космическом полете
- Используется для определения дальности и расчета относительной скорости элементов орбиты
- Изучает атмосферу из космоса, измеряя время лидарного эхо-сигнала
- Применяется для составления цифровых карт высот планет
-
Применение лидара в геодезии
- Используется для создания DTM и DEM
- Применяется в гидрографической съемке для измерения глубины воды
-
Применение лидара в транспорте
- Используется в железнодорожной отрасли для создания отчетов о состоянии активов
- Применяется в системах адаптивного круиз-контроля для автомобилей
- Используется в аэропортах для измерения высоты облаков
-
Применение лидара в ветроэнергетике
- Используется для увеличения выработки энергии ветряными электростанциями
- Применяется для определения характеристик падающего ветрового потока
-
Применение лидара в солнечной фотоэлектрической системе
- Используется для оптимизации солнечных фотоэлектрических систем
- Применяется для оценки потерь на затенение и определения подходящих верхушек крыш
-
Применение лидара в видеоиграх
- Используется для создания точных поверхностей в гоночных симуляторах
- Применяется в исследовательской игре Scanner Sombre
-
Другие применения лидара
- Используется в видеоклипе на песню Radiohead «House of Cards»
- Применяется в устройствах Apple для дополненной реальности
- Используется в Wheel of Fortune для отслеживания движений Ванны Уайт
-
Альтернативные технологии
- Компьютерное стереовидение как альтернатива лидару для близкого расстояния
-
Дополнительные ресурсы
- Центр координации лидарной информации и знаний Геологической службы США (CLICK)
-
Описание CLICK
- Центр координации лидарной информации и знаний Геологической службы США (CLICK)
- Веб-сайт для облегчения доступа к данным
- Координация действий пользователей
- Обучение лидарному дистанционному зондированию для научных нужд