Skaningowe dalmierze laserowe (LIDAR). Obwody lustrzane soczewek lidarowych Urządzenie Lidar

15.09.2023

Czy musisz dokumentować okoliczności nocnego wypadku drogowego? Projektujesz systemy nawadniające na terenach suchych? A może odkrywasz potencjalne stanowiska archeologiczne ukryte za lasem lub innymi obiektami? Tradycyjne metody pomiarów 3D i pozyskiwania danych geoprzestrzennych są czasochłonne i kosztowne. Ale teraz istnieją skuteczniejsze i szybsze rozwiązania do takich celów.

LiDAR (Light Detection and Ranging) to technologia teledetekcji, która wykorzystuje szybkie impulsy laserowe do stworzenia modelu terenu. LiDAR świetnie się sprawdza, gdy trzeba tworzyć cyfrowe mapy powierzchni Ziemi o wysokiej rozdzielczości do różnych celów. W przeszłości organizacje były zmuszone do stosowania oddzielnych systemów z własną charakterystyką dla każdego przypadku.

Mają teraz możliwość wykorzystania systemu LiDAR montowanego na dronach w celu stworzenia pojedynczego urządzenia do mapowania 3D. System ScanLook LiDAR serii A jest zainstalowany na platformie latającej DJI Matrice 600, zapewniając wydajne, wszechstronne i dokładne rozwiązanie do wykrywania 3D oparte na technologii bezzałogowej.

Przykłady praktycznego zastosowania LiDAR i dronów

Modelowanie krajobrazu

Najprostszym przykładem, gdzie nowe technologie mogą znacznie ułatwić i uczynić pracę jeszcze bardziej wydajną, jest sprzątanie śmieci i brudu. Wiadomo, że płatność jest zwykle dokonywana za metr kwadratowy, ale obliczenia nie zawsze są dokładne, zwłaszcza jeśli na terytorium rośnie duży rozrzut śmieci, liści, krzewów i drzew. LiDAR oferuje znaczne oszczędności w porównaniu z naziemnymi metodami badawczymi.

LiDAR znacząco zmniejsza różnego rodzaju koszty metod badań reliefowych. Wykorzystując teledetekcję różnych typów obiektów, w tym trawy, liści czy drzew, LiDAR może określić ich położenie, prędkość ruchu (w przypadku obiektów poruszających się) i inne cechy. W tym celu wykorzystuje się pulsującą wiązkę lasera, która odbija się od powierzchni obiektów. Wynikiem tego procesu jest model 3D konturów topograficznych krajobrazu, z którym użytkownicy mogą następnie pracować. Jeśli do procedury badawczej podłączysz drona Matrice 600 z funkcją ScanLock, skanowanie nastąpi z prędkością ponad 4 tysięcy metrów kwadratowych. m na minutę. A teraz wyobraź sobie, ile pracy można wykonać w ciągu 20 minut lotu?

Dokumentowanie sytuacji awaryjnych i wypadków

LiDAR to aktywny system wykorzystujący światło ultrafioletowe i bliską podczerwień do tworzenia obrazów pożądanych obiektów. Jest to ważne, jeśli okoliczności nie pozwalają na wykorzystanie oświetlenia zewnętrznego do mapowania wysokiej jakości. Na przykład metoda ta może być wymagana do sfilmowania okoliczności nocnego wypadku samochodowego. W tym celu najlepiej wykorzystać drona Matrice 600 z technologią ScanLook, który dosłownie przechwyci i przetworzy wszystkie niezbędne informacje wizualne już podczas jednego lotu nad miejscem wypadku.

Ponieważ proponowane rozwiązanie opiera się na technologii bezzałogowej, użytkownicy niemal natychmiast otrzymują dokładne informacje poparte szczegółami wizualnymi. Wszystko to można następnie wykorzystać jako dowód w postępowaniu sądowym. Dodatkowo duża prędkość inspekcji z wykorzystaniem skaningu lotniczego pozwala szybko rozpocząć proces ewakuacji rannych lub martwych osób, uszkodzonych pojazdów, a także szybko rozpocząć sprzątanie terenu. W ten sposób można w stosunkowo krótkim czasie oczyścić jezdnię z samochodów, co jest szczególnie ważne na ruchliwych drogach, a także zaoszczędzić znaczne pieniądze na wszystkich etapach prac.

Planowanie rolnictwa i krajobrazu

Kolejnym przykładem udanego zastosowania nowych technologii mapowania 3D są duże gospodarstwa rolne, w których konieczne jest stworzenie wydajnego systemu nawadniania. Na przykład na dużych plantacjach ryżu rolnicy muszą tworzyć wodoodporne wały. Wymaga to dokładnej znajomości topografii i charakterystyki gleby. W przeciwnym razie cały tworzony system może okazać się nieefektywny i bezużyteczny. I znowu optymalnym rozwiązaniem jest dron Matrice 600 z zainstalowaną na nim technologią ScanLock. Gromadzenie danych będzie odbywać się przy prędkości 183 metrów na przejazd. Proces pracy z jednym dużym polem nie zajmie dużo czasu. Jednocześnie nie trzeba, jak dotychczas, czekać, aż pola uprawne przeschną, aby można było na nich rozmieścić odpowiedni sprzęt do gromadzenia danych.

Archeologia

Tam, gdzie tradycyjne metody badania dużych, cennych historycznie krajobrazów wymagały lat pracy, technologię LiDAR można teraz wykorzystać do ukończenia procesu mapowania 3D w ciągu kilku minut. Po raz kolejny najlepszą opcją na taki zabieg byłoby zainstalowanie ScanLock na dronie Matrice 600. „Zagubione” miejsca i całe starożytne miasta zostaną odkryte w możliwie najkrótszym czasie.

Jeśli widziałeś autonomiczne samochody na zdjęciach lub osobiście, zauważyłeś, że mają one jakąś dziwną rzecz przyczepioną na dachu.

Czasem przypomina syrenę, jak ma to miejsce w przypadku prototypów Waymo firmy Google, nadając im wygląd uroczego radiowozu.

Ale częściej to coś przypomina wirującą puszkę zamontowaną na przekładkach.

Tym urządzeniem w samochodach autonomicznych jest lidar, czyli sprzęt zapewniający „wizję” samochodowi.

Słowo lidar (LIDAR) składa się z pierwszych liter czterech angielskich słów – Light Identification Detection and Ranging, co oznacza „wykrywanie, identyfikacja i określanie odległości za pomocą światła”.

Lidar samochodowy w samochodzie autonomicznym to najdroższa rzecz. Lidar kosztuje 75 000 dolarów więcej niż wiele samochodów. Tymczasem urządzenie to jest tylko jednym z wielu, które trzeba wyposażyć w pojazdy bezzałogowe.

Sytuacja ta może jednak zmienić się w tym roku dzięki pojawieniu się tzw. lidarów półprzewodnikowych, które charakteryzują się dużą rozdzielczością i kosztują zaledwie kilkaset dolarów. W rzeczywistości słowo solidny nie jest zbyt poprawne. Lidary nowej generacji różnią się od poprzednich bezruchem (statycznością).

Jednak ich wynalazek poważnie przybliża moment masowego pojawienia się na drogach pojazdów bezzałogowych. Dlatego warto zrozumieć, czym jest lidar samochodowy, a w szczególności lidar statyczny (półprzewodnikowy).

Słowo „lidar” oddaje istotę jego działania – jest to radar działający na falach świetlnych. Pamiętając szkolną fizykę, wiemy, że emitując fale radiowe, radar określa odległość do obiektu na podstawie czasu potrzebnego na odbicie fali radiowej od obiektu.

Lidar działa w podobny sposób, ale zamiast fal radiowych wykorzystuje krótkie impulsy światła o dużej mocy chwilowej. Aby uzyskać dokładniejsze informacje, lidary wykorzystują promieniowanie podczerwone i bliskie ultrafioletowe.

Ale pojazd bezzałogowy potrzebuje danych o dziesiątkach otaczających go obiektów. Dlatego obraca się wokół własnej osi, emitując wiele błysków światła, dzięki czemu z „chmury punktów” tworzy trójwymiarowy 360-stopniowy obraz otaczającego środowiska. I może to zrobić w każdym środowisku, warunkach pogodowych i niezależnie od pory dnia.

Teledysk Radiohead pokazuje, jak te „kropki” układają się w obraz.

Aby samochody autonomiczne mogły poruszać się w przestrzeni kosmicznej bez interwencji człowieka, potrzebne jest połączenie kamer, radarów i lidarów. A lidar pełni kluczową funkcję - daje samochodowi wyobrażenie nie tylko o własnej lokalizacji, ale także o lokalizacji otaczających obiektów.

GPS się w tym przypadku nie sprawdzi – wyznacza lokalizację, tworząc okrąg o średnicy około 5 m, a lidar robi to z dokładnością do 10 cm.

Poziom autonomii to międzynarodowe kryterium przyjęte w celu wyjaśnienia stopnia niezależności danego pojazdu.

Istnieje 6 poziomów autonomii

A lidar jest niezbędny do poziomu autonomii 4 i wyższego.

Co to jest statyczny lidar samochodowy

Obecnie większość lidarów to drogie urządzenia mobilne.

Oczywiście, jak wszystkie technologie, lidary z czasem stały się tańsze i mniejsze. Ale jak dotąd kosztują od 8 000 do 80 000 dolarów i szybko się psują.

Ale statyczne lidary to inna sprawa. Wykonane głównie z krzemu, nie mają ruchomych części i wykorzystują laser o zmiennej długości fali. Takie urządzenie jest lekkie, małe, zużywa mało energii (działa na baterii AA), jest szybkie i dokładne, działa w każdych warunkach pogodowych i kosztuje setki dolarów, a nie tysiące.

Technologia statycznych lidarów krzemowych została wynaleziona przez amerykańską firmę Quanergy. Kompletny zestaw ich skanera laserowego kosztuje teraz 900 dolarów, ale deweloper obiecuje stale obniżać ceny, podnosząc je do 100 dolarów.

Lidar półprzewodnikowy jest nie tylko tańszy, ale także bardzo szybki, bardzo dokładny i trwa dłużej. Lidar elektromechaniczny wytrzymuje maksymalnie 2000 godzin, czyli mniej niż potrzeba na rok eksploatacji samochodu, a lidar półprzewodnikowy może wytrzymać nawet 100 000 godzin.

Kiedy samochody autonomiczne staną się produktem masowym?

Pierwszy lidar został zainstalowany w Jaguarze w 1999 r. i kosztował około 100 000 dolarów. W tamtym czasie lidary z czujnikami były tak drogie, że ludzie żartowali: „kupujesz lidar i dostajesz darmowego Jaguara w swoim ładunku”.

Dziś ta funkcja w samochodach kosztuje już 18 000 dolarów, a dzięki zastosowaniu czujników półprzewodnikowych cena „widzenia laserowego” spadnie do 1000 dolarów.

Oczekuje się, że pierwsze lidary półprzewodnikowe Quanergy zaczną być instalowane w seryjnym pojeździe elektrycznym Fisker EMotion o zasięgu do 640 km na jednym ładowaniu.

Wypuszczenie tego samochodu jest nadal bardzo drogie - 130 000 dolarów i planowane jest na 2019 rok.

Jednak masowe pojawienie się pojazdów bezzałogowych wykorzystujących technologię lidarów półprzewodnikowych spodziewane jest w latach 2020–2023. Uważa się, że do tego czasu prawie każdy większy producent samochodów będzie miał co najmniej jeden model pojazdu autonomicznego. I choć początkowo najprawdopodobniej drogie i luksusowe modele będą wyposażone w autonomię, już wkrótce zostaną w nią wyposażone także samochody budżetowe.

Jeśli znajdziesz błąd, zaznacz fragment tekstu i kliknij Ctrl+Enter.

Obecnie coraz więcej nowych technologii wykorzystuje się do badania atmosfery ziemskiej, składu gazu i ruchu mas powietrza. Jednym z nich są lidary naziemne, powietrzne i kosmiczne.

Lidar(transliteracja LIDAR język angielski Światło Wykrycie I Zaszeregowanie) - technologia pozyskiwania i przetwarzania informacji o odległych obiektach z wykorzystaniem aktywnych układów optycznych, które wykorzystują zjawiska odbicia i rozpraszania światła w ośrodkach przezroczystych i półprzezroczystych. Zasada działania lidara nie różni się zbytnio od radaru: skierowana wiązka źródła promieniowania odbija się od celów, wraca do źródła i jest wychwytywana przez bardzo czuły odbiornik (w przypadku lidara – światłoczuły półprzewodnik urządzenie); czas reakcji jest wprost proporcjonalny do odległości od celu. w odróżnieniu fale radiowe, skutecznie odbite tylko od wystarczająco dużych celów metalowych, fale świetlne ulegają rozproszeniu w dowolnych ośrodkach, w tym w powietrzu, dzięki czemu możliwe jest nie tylko określenie odległości do nieprzezroczystych (odbijających światło) dyskretnych celów, ale także rejestracja natężenia światła rozpraszanie w mediach przezroczystych. Powracający odbity sygnał przechodzi przez ten sam ośrodek rozpraszający, co wiązka ze źródła i ulega rozproszeniu wtórnemu, dlatego też przywrócenie rzeczywistych parametrów rozproszonego ośrodka optycznego jest zadaniem dość złożonym, rozwiązywanym zarówno metodami analitycznymi, jak i heurystycznymi.

Doświadczenia krajów zachodnich świadczą o skutecznym wykorzystaniu tej jeszcze nie tak dawno technologii czysto wojskowej w monitoringu środowiska, kontroli ruchu lotniczego itp.

W latach 60-70-tych lidary – lokalizatory laserowe działające w zakresie fal widzialnych lub bliskiej podczerwieni – były stosowane głównie w sprzęcie wojskowym. Dziś są z powodzeniem stosowane do rozwiązywania wielu problemów, na przykład do monitorowania stanu atmosfery, pomiaru prędkości wiatru itp. Zainstalowane na terenach lotnisk lidary mierzą zmiany wiatru na lotnisku, wirowość kilwateru samolotu i inne parametry atmosferyczne, które są niezbędne do zapewnienia bezpiecznego startu i lądowania. Dobre wyniki uzyskuje się stosując takie systemy do pomiaru zasięgu, prędkości Dopplera oraz przy tworzeniu obrazów obiektów znajdujących się na lotnisku. Tym samym jeden z lidarów niemieckiej firmy DLR instalowany jest na lotnisku we Frankfurcie pomiędzy dwoma sąsiadującymi ze sobą pasami startowymi. Mierzy prędkość wirów powietrza wytwarzanych przez silniki statku powietrznego zbliżającego się do jednego pasa startowego, a także ruch powietrza nad innym pasem startowym spowodowany jego podejściem. Informacje te zostały wykorzystane przez kontrolę ruchu lotniczego, aby zapewnić bezpieczne lądowanie samolotu na obu pasach startowych. Kompaktowy, solidny laserowy miernik prędkości Dopplera ze skanowaniem stożkowym, opracowany przez brytyjską firmę DRA Malvern, jest zainstalowany w całej Anglii. Informacje o prędkości wiatru uzyskane z tych urządzeń znacząco uzupełniają dane z balonów pogodowych. W latach 1994-1995 na lotnisku Heathrow (Londyn) testowano laserowy miernik prędkości. Do jego zadań należało między innymi określenie śladów wirowych wytwarzanych przez silnik lotniczy oraz ich rozprzestrzeniania się przez wiatr po lotnisku na wysokości 30-150 metrów. Co ciekawe, podczas testów odkryto nieoczekiwany efekt - powrót wiru powietrznego z niemal pierwotną mocą do obszaru ścieżki schodzenia po około 70 sekundach od minięcia samolotu. Do pomiaru parametrów atmosferycznych i prędkości wiatru służy pulsacyjny, spójny lidar dwutlenku węgla francuskiej firmy Laboratoire de Meteorologie Dynamique (LMD). Zasięg urządzenia w kierunku poziomym wynosi około 12 kilometrów, w kierunku pionowym – aż do tropopauzy. Podstawą sprzętu lidarowego jest pulsacyjny laser CO2 z pompowaniem poprzecznym, promieniowaniem jednomodowym i długością fali 10,6 μm. Do rozszerzenia wiązki wykorzystano 17-centymetrowy pozaosiowy teleskop Cassegraina. Sterowanie wiązką odbywa się za pomocą skanera z dwoma zwierciadłami. Odbity sygnał jest zbierany przez ten sam teleskop i przetwarzany przez lokalny oscylator. Przesunięcie częstotliwości wynosi 30 MHz. Odebrany sygnał jest digitalizowany przez ośmiobitowy oscyloskop o częstotliwości próbkowania 100 MHz. Komputer służy do przechowywania danych. Wysoką dokładność w pomiarze małych przesunięć częstotliwości Dopplera zapewnia lidar Dopplera opracowany w Laboratorium Badań Atmosferycznych NASA, który wykorzystuje efekt krawędziowy. W urządzeniu częstotliwość promieniowania lasera dobierana jest na granicy pasma przepustowego filtra optycznego o dużej rozdzielczości widmowej. W tym przypadku niewielkie przesunięcia częstotliwości znacząco zmieniają amplitudę mierzonego sygnału. Dopplerowskie przesunięcia częstotliwości sygnału wywołane ruchami wiatru określane są na podstawie różnicy częstotliwości promieniowania i częstotliwości odbieranego sygnału odbitego od atmosfery. Lidar wykorzystuje pulsacyjny laser granatowo-itrowo-aluminiowy domieszkowany neodymem na ciele stałym (laser Nd:YAG). Długość fali emisji wynosi 1064 nm, czas trwania impulsu 15 ns, szerokość pasma 40 MHz. Odbite sygnały zbierane są przez teleskop o średnicy 0,4 m i polu widzenia 0,2 mrad. Optyka skanująca umożliwia skierowanie wiązki w sektorze od 30 do 120° w elewacji i od 0 do 360° w azymucie. Instalacja lidarowa przeszła testy terenowe, podczas których mierzono zmiany kierunku wiatru na wysokościach od 200 do 2000 metrów. Pionowy odstęp pomiarowy wynosił 22-26 metrów. Pomiary prędkości wiatru porównano z danymi z balonu pogodowego. Rozbieżność nie przekraczała 1 m/s, a rozrzut wyników w 10 pomiarach okazał się mniejszy niż 0,4 m/s. Specjaliści z Laboratorium Badań Atmosfery zauważają, że tak wysoka dokładność pomiarów stwarza wyjątkowe możliwości badania procesów turbulentnych w dolnych warstwach atmosfery. Oprócz badań naukowych, urządzenie może być z powodzeniem wykorzystywane do bardzo precyzyjnych pomiarów uskoków wiatru i mikroturbulencji w rejonie lotnisk. W ostatnich latach wśród naukowców rośnie zainteresowanie badaniem składu gazu w atmosferze ziemskiej. Ich uwagę szczególnie zwraca ozon jako najważniejszy gaz reaktywny. Ozon znajdujący się w stratosferze chroni biosferę Ziemi przed szkodliwym działaniem promieniowania ultrafioletowego ze Słońca. Jednocześnie wysokie stężenia ozonu w troposferze przyczyniają się do rozwoju efektu cieplarnianego i powstawania smogu fotochemicznego, który negatywnie wpływa na florę i faunę planety, a także na zdrowie ludzi. Jak pokazują obserwacje, od początku lat 70. co 10 lat stężenie ozonu w troposferze wzrastało o około 10% i o tę samą ilość spadało w dolnych warstwach stratosfery. Wskazuje to na ogromne znaczenie dokładnego zbadania tych procesów. Wysoką dokładność pomiarów stężenia ozonu w troposferze zapewniają lidary absorpcji różnicowej – naziemne lub umieszczane na samolotach. Badają przestrzeń za pomocą dwóch wiązek o różnych częstotliwościach, w różny sposób absorbowanych przez ozon. Stężenie ozonu w przestrzeni kosmicznej oblicza się z różnicy amplitud dwóch odbitych sygnałów rozdzielonych w czasie, które są rejestrowane przez jeden lub więcej teleskopów. W takich lidarach szczególnie ważne jest prawidłowe dobranie częstotliwości promieniowania, które oprócz różnej absorpcji w ozonie muszą mieć minimalną absorpcję molekularną i szczególną. Naziemny lidar absorpcji różnicowej o zakresie skanowania częstotliwości promieniowania laserowego od 286 do 292 nm stworzyli specjaliści z Narodowego Laboratorium Badań Oceanicznych i Atmosferycznych oraz Instytutu Studiów nad Środowiskiem (USA, Kolorado). Ponieważ na charakterystykę promieniowania wpływa stan atmosfery, w szczególności zachmurzenie, lidar zainstalowano na wysokości 2,7 km nad poziomem morza. Zestaw obejmuje dwa identyczne lasery barwnikowe pompowane laserem Nd:YAG. Lasery są wzbudzane sekwencyjnie w odstępie 400 μs. Sygnały są wykrywane przez dwa autonomiczne systemy, zoptymalizowane do odbioru sygnałów z różnych wysokości, a po przetworzeniu w specjalnych filtrach przesyłane są do fotopowielaczy. Podczas badań lidar działał nieprzerwanie przez ponad dobę, a odchylenie długości fali promieniowania nie przekraczało 0,01 nm. Badania prowadzono na wysokościach od czterech kilometrów nad poziomem morza do poziomu dolnej stratosfery (około 12 kilometrów). Krok pomiaru wysokości był mniejszy niż kilometr. Dokładność określenia stężenia ozonu w troposferze przy dobrej pogodzie okazała się dla tej instalacji nie gorsza niż 10%. Lidar istnieje od 1993 roku. W ostatnim czasie na samolotach coraz częściej instaluje się instalacje lidarowe, służące do wykrywania przepływów wiatru i pomiaru ich prędkości, określania rzeczywistej prędkości samolotu i innych parametrów. Ponadto lidary powietrzne są wykorzystywane w systemach śledzenia terenu i ostrzegania o przeszkodach. Jednym z pierwszych pokładowych systemów laserowych był system pomiaru prędkości rzeczywistej LATAS (Laser True Airspeed System) wyprodukowany przez angielską firmę Royal Signals and Radar Facilities (RSRE). W zmodernizowanej wersji system ten jest używany do dziś. LATAS znajduje się w nosie samolotu. Zawiera laser na dwutlenku węgla o mocy wyjściowej 4 W, optykę polaryzacyjną na płytkach ćwierćfalowych i półfalowych oraz detektor tellurku kadmowo-rtęciowego o szerokości pasma 100 MHz. Do pomiaru prędkości lidar skupia się na odległości 30-100 m przed nosem samolotu, do pomiaru uskoku wiatru - na 250-300 m. Dokładność pomiaru prędkości wynosi 0,2 m/s. Wiele samolotów, w szczególności samoloty transportowe Caravel, myśliwce Mirage i helikoptery Puma, jest wyposażonych w lidar Crouzet Doppler wyprodukowany przez francuską firmę Crouzet SA. Opiera się na laserze CO2 emitującym sygnał ciągły o mocy wyjściowej 3 W, detektorze diodowym o szerokości pasma 200 MHz wykonanym z tellurku kadmu i rtęci, polaryzacyjnej płytce falowej i płytce Brewstera. Częstotliwość lokalnego oscylatora jest ustawiana, gdy wiązka przechodzi dwukrotnie przez komórkę Bragga. W systemie zastosowano teleskop Dalla-Kirham o efektywnej aperturze 7,5 cm, a odebrane sygnały przetwarzane są przez analizator widma SAW. Przedział pomiaru prędkości Dopplera wynosi –25 ...+400 m/s, a zakres pomiarowy 10-100 m. Całkowita waga systemu Crouzet wynosi około 250 kg. Na zlecenie rządów Francji i Wielkiej Brytanii konsorcjum Dassault Electronique (Francja) i GEC Marconi (Wielka Brytania) opracowuje koherentny laserowy lokalizator samolotów CLARA (Coherent Laser Airborn Radar), działający w zakresie 10 mikronów. System przeznaczony jest do ostrzegania o przeszkodach, śledzenia terenu, pomiaru prędkości statku powietrznego i naprowadzania na cel. Sprzęt, w tym laser CO2, skaner, procesor sygnałowy i danych, umieszczony jest w pojemniku pod kadłubem. Detekcja, klasyfikacja i wyświetlanie obiektów odbywa się w czasie rzeczywistym. System CLARA został przetestowany na pokładzie samolotów A6-E, HS748 i Tornado. Lidar Dopplera do pomiaru prędkości wiatru WIND (Wind Infrared Doppler Lidar) jest opracowywany przez francuskie firmy CNRS i CNES we współpracy z niemieckim DLR. System opiera się na poprzecznie pompowanym laserze dwutlenku węgla, generującym promieniowanie jednomodowe. Laser posiada wyjściową optykę dopasowującą o współczynniku odbicia Gaussa, co umożliwia izolację sygnału użytecznego na tle modów poprzecznych wyższego rzędu, a także na tle sygnałów echa od celów o dużym współczynniku odbicia. W systemie zastosowano teleskop Dalla-Kirham z przesuniętą osią (średnica swobodnej apertury - 20 cm, współczynnik rozszerzenia apertury - 15). Ogniskowa jest regulowana w zakresie od 200 m do wartości maksymalnej. Próby w locie lidara odbyły się na pokładzie samolotu Falcon 20 (ryc. 1). Podczas badań przeprowadzono skanowanie stożkowe w sektorze 30° od nadiru. Okres skanowania wynosi 20 lub 30 sekund, częstotliwość powtarzania impulsu laserowego wynosi 4 lub 10 Hz. Dobre wyniki uzyskano przy średniej energii napromieniowania 360 mJ i częstotliwości powtarzania 4 Hz. Pokładowa instalacja lidarowa, opracowana przez specjalistów z Laboratorium im. Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych braci Wright. System przeznaczony jest do trójwymiarowego pomiaru rozkładu prędkości wiatru na wysokości (profilu wiatru) w czasie rzeczywistym. Informacje takie są ważne dla zwiększenia dokładności lądowania i zrzutu ładunku z samolotu, zwiększając prawdopodobieństwo trafienia w cel podczas ostrzału rakietowego i artyleryjskiego. Sygnał emitowany przez laser odbija się od cząstek pyłu i aerozoli powietrza poruszających się na wietrze. Prędkość wiatru określa się poprzez pomiar przesunięć Dopplera sygnałów odbitych od tych cząstek. Skanowanie wiązki lasera ma charakter stożkowy, co pozwala na pomiary w różnych kierunkach. Umiejscowienie lidara w przestrzeni ładunkowej samolotu pokazano na rys. 2. Pomiar profilu wiatru za pomocą tego systemu pozwolił na zwiększenie dokładności lądowania podczas lądowania od 2 do 10 razy. Lidary znajdujące się w przestrzeni kosmicznej oferują szerokie możliwości badania atmosfery ziemskiej oraz prowadzenia różnorodnych badań meteorologicznych i klimatologicznych. Specjaliści z Longley Research Center (NASA) odnieśli w tej dziedzinie duży sukces. Stworzyli wiele naziemnych i powietrznych systemów lidarowych do badania aerozoli atmosferycznych i pary wodnej, chmur i dziur ozonowych. W szczególności w ramach programu LITE (Lidar In-Space Technology Experiment) opracowano pierwszą na świecie instalację lidarową do badania Ziemi z kosmosu. Za pomocą instalacji LITE badano strukturę chmur, procesy ich powstawania, aerozole w atmosferze, w tym pochodzenia antropogenicznego, określano wysokość powierzchniowej warstwy atmosfery, poziomy rozkład temperatury i gęstości mierzono warstwy powietrza na wysokościach od 25 do 40 km oraz analizowano procesy odbicia promieniowania laserowego od powierzchni lądów i mórz. LITE ma tradycyjną konstrukcję lidara z bezpośrednią detekcją: laser nadawczy, moduł wyrównywania optycznego i moduł odbiorczy. Nadajnikiem jest laser Nd:YAG pompowany lampą błyskową. W celu zapewnienia redundancji w jednostce nadawczej zainstalowano dwa identyczne generatory kwantowe, z których tylko jeden jest sprawny. Nadajnik generuje jednocześnie harmoniczne promieniowania o długości fali 1064, 532 i 355 nm. Moc wypromieniowana na tych częstotliwościach wynosi odpowiednio 470, 560 i 160 mJ. Optyczny moduł wyrównujący zawiera obrotowy pryzmat, który utrzymuje optyczne wyrównanie wyjściowej wiązki laserowej i kąta widzenia odbiornika. Jednostka odbiorcza składa się z teleskopu o średnicy 1 m, urządzeń do transmisji sygnału optycznego i elektronicznych urządzeń do wstępnego przetwarzania. Rozdzielacz dichroiczny służy do rozdzielania odbieranego sygnału na trzy składowe częstotliwościowe. W kanałach zastosowano odporny na wstrząsy fotopowielacz przetwarzający sygnały o długości fal 532 i 355 nm, a dla sygnałów z zakresu 1064 nm zastosowano krzemową fotodiodę lawinową. W skład urządzenia wchodzą także wąskopasmowe filtry przeciwzakłóceniowe oraz dysk aperturowy, które służą do rekonfiguracji urządzeń podczas pracy w dzień i w nocy. Rozmiar apertury dziennej wynosi 1,1 mrad, a apertury nocnej 3,5 mrad. Po przejściu przez fotodetektory i filtry sygnały trafiają do wzmacniacza elektronicznego i przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Pasmo wzmacniacza wynosi 2,1 MHz. ADC - 12-bitowy, o częstotliwości taktowania 10 MHz. Okres strobowania danych wynosi 550 µs. Elektroniczne urządzenia przetwarzające obejmują również obwód rezystorowy umieszczony za pierwszym stopniem wzmocnienia. Obwód zapewnia tłumienie sygnału w zakresie 0-63 dB. Dzięki temu silny sygnał odbity od gęstych chmur lub powierzchni Ziemi pozostanie w zakresie dynamicznym 12-bitowych przetworników ADC. Główne operacje obliczeniowe wykonywane są przez szybki procesor sygnałowy. Waga sprzętu wynosi 990 kg. Pobór mocy w trybie pracy wynosi 3,1 kW, w trybie czuwania – 560 W. Moc promieniowania lasera oraz rozbieżność wiązki dobiera się tak, aby natężenie wiązki lasera na powierzchni Ziemi było znacznie niższe od przyjętych norm sanitarnych. Dane zebrane przez lidar kosmiczny LITE zostały przesłane na Ziemię w dwóch strumieniach: o niskiej (~20,8 kbit/s) i wysokiej (~2 Mbit/s) szybkości transmisji. Pierwszy strumień transmitowany był systemem łączności w paśmie S, drugi poprzez system łączności telemetrycznej. Zdaniem ekspertów testy lidarów LITE w warunkach kosmicznych wypadły pomyślnie. W trakcie eksperymentu zebrano dużą ilość bardzo dokładnych informacji, na podstawie których utworzono ogólnodostępną bazę danych o stanie atmosfery. Eksperyment potwierdził możliwość wykorzystania lidarów w długotrwałych lotach orbitalnych. Oczekuje się, że nowe rozwiązania w zakresie laserów pompowanych diodowo zmniejszą zużycie energii, co umożliwi instalowanie lidarów na małych satelitach.

Laserowe kompleksy lidarowe (LLC) przeznaczone są również do operacyjnego zdalnego monitorowania sytuacji biologicznej i chemicznej. Kompleksy monitorują anomalne zmiany w atmosferze spowodowane obecnością w niej aerozoli, a także określają parametry ruchu chmur. Kompleksy stanowią zautomatyzowany, zdalny system operacyjnego monitorowania sytuacji środowiskowej w ośrodkach przemysłowych i są w stanie szybko, automatycznie wykrywać wypadki i zapewniać informacyjne wsparcie działań służb ratowniczych.

Problematyka monitorowania zanieczyszczeń technogennych środowiska, a zwłaszcza powietrza atmosferycznego, jest obecnie niezwykle istotna zarówno w aspekcie środowiskowym, jak i w powiązaniu ze współczesnymi problemami bezpieczeństwa publicznego. Technologie teledetekcji laserowej środowiska atmosferycznego pozwalają wyeliminować wady i ograniczenia tradycyjnych metod monitoringu lokalnego: niską zawartość informacji, trudności w zapewnieniu szerokiego obszaru pokrycia, długi czas wdrażania lokalnych sieci czujników itp. Szczególnie efektywne wydaje się wykorzystanie mobilnych, wielofunkcyjnych systemów teledetekcji laserowej – mobilnych lidarów. Stworzenie niewielkiego mobilnego kompleksu lidarowego do monitorowania i prognozowania sytuacji środowiskowej nad obiektami krytycznymi (niebezpiecznymi) oraz w obszarach prawdopodobnych ataków terrorystycznych umożliwi:

wyznaczać stężenia szerokiej gamy substancji w odległościach do 8 km;

wyświetlanie obszarów skażeń oraz ilościowych charakterystyk skali skażeń na mapie w czasie rzeczywistym;

określić rozprzestrzenianie się trującej chmury;

przewidywać rozwój sytuacji nad obiektami krytycznymi;

monitorować zawartość substancji niebezpiecznych w atmosferze i powiadamiać alarmem w przypadku przekroczenia maksymalnego stężenia lub wykrycia emisji w kontrolowanych obiektach lub na terenie.

Skanowanie sektora odpowiedzialności może odbywać się w różnych trybach czasowych: ciągłym, okresowym oraz na żądanie operatora (dyżur). Analiza laserowa pozwala w ciągu kilku minut ustalić fakt wystąpienia anomalnej emisji, rodzaj substancji, intensywność i kierunek jej propagacji. Wśród typowych awaryjnych substancji chemicznych niebezpiecznych (HAS) można wyróżnić poniższą listę substancji zanieczyszczających, których skażenie budzi zainteresowanie w większości obszarów wymagających zwiększonej kontroli:

Amoniak - NH 4
Dwutlenek siarki - SO 2
Dwutlenek azotu - NO 2
Kwas solny - HCl
Produkty naftowe.

Oprócz substancji wymienionych powyżej, istnieje zagrożenie awarią w określonych obiektach zajmujących się produkcją, magazynowaniem i utylizacją szczególnie niebezpiecznych chemikaliów, a także nietoksycznych chemikaliów i środków chemicznych.

Zastosowanie wysoce czułych i rozwiniętych metod lidarowych wykrywania atmosfery w obecności substancji niebezpiecznych, takich jak absorpcja różnicowa (DIAL) i rozpraszanie różnicowe (DISC), umożliwia pomiar wartości stężeń na poziomach MPC roboczych i tereny mieszkalne. Aby przeprowadzić kompleksową analizę i prognozę sytuacji środowiskowej, konieczne jest, aby wszystkie uzyskane dane były spójne w przestrzeni, zarówno pod względem wielkości obszarów pokrycia, jak i rozdzielczości przestrzennej, zsynchronizowane w czasie i miały jeden format.

Awaryjnej sytuacji środowiskowej lub atakowi terrorystycznemu towarzyszy charakterystyczne uwolnienie aerozolu. Lidar aerozolowy, zbudowany w oparciu o bezpieczny dla oka laser Er - lub Nd:YAG - określa obecność aerozolu atmosferycznego i mierzy jego stężenie, buduje rozkład przestrzenny w czasie rzeczywistym i analizuje jego charakter fizyczny. W tym celu aerozol Milidar i lidar polaryzacyjny połączono w jedną jednostkę funkcjonalną.

Lidar absorpcji różnicowej w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni, oparty na dwukanałowym, przestrajalnym, impulsowym laserze szafirowo-tytanowym, zdalnie mierzy rozkład stężeń tlenków azotu, tlenków siarki i szerokiego zakresu nieorganicznych substancji zanieczyszczających powietrze na poziomie MPC.

Wielospektralny lidar absorpcji różnicowej dalekiej podczerwieni, oparty na przestrajalnym, pulsacyjnym laserze CO 2 -TEA, mierzy pole stężenia szerokiej klasy substancji organicznych, a także ozonu.

Połączenie lidaru aerozolowego i fluorescencyjnego, a także lidarów absorpcyjnych różnicowo z zakresu widzialnego, UV, bliskiej i dalekiej podczerwieni na jednej platformie zwiększa rozmiar systemu do pojemnika, który mieści się na nośniku o nośności kilku ton. Dlatego wskazane jest podzielenie zadań przypisanych do kompleksu w następujący sposób:

1. Detekcja emisji aerozoli i dynamika śledzenia (lidar aerozolowy);

2. Detekcja emisji aerozoli i identyfikacja nieorganicznych substancji niebezpiecznych (lidar aerozolowy, krótkofalowy DIAL);

3. Detekcja emisji aerozoli oraz identyfikacja organicznych substancji niebezpiecznych i środków chemicznych (lidar aerozolowy, długofalowy DIAL lub pasywny spektrometr podczerwieni).

Dodatkowe informacje. Skład i właściwości techniczne proponowanych opcji:

1. Wykrywanie składników aerozolu w emisji można określić za pomocą pojedynczego lasera. Laser dla kanału aerozolowego można zbudować w oparciu o bezpieczny dla oka emiter z włókna erbowego o długości fali 1,55 mikrona lub laser ze szkła neodymowego o długości fali 1,064 mikrona. Wysoka częstotliwość powtarzania impulsów umożliwia skanowanie z dużą prędkością kątową bez utraty rozdzielczości kątowej, a krótkie impulsy laserowe zapewniają wysoką rozdzielczość przestrzenną.

Główne cechy użytkowe kompleksu

Parametr	Oznaczający
	co najmniej 5 km
	nie więcej niż 0,5 m
Kąty widzenia


	0,5 – 11 µm
	1,55 (1,064) µm
	nie więcej niż 130 s

Energia pulsu
Czas trwania impulsu
Częstotliwość powtarzania impulsów
Średnica teleskopu odbiorczego i nadawczego
Waga systemu	Mniej niż 1 t.

)* - przy automatycznym skanowaniu)** w zależności od kroku skanera i wybranego sektora przeglądania

Część wyposażenia:

Gramofon (skaner z pojedynczym lub podwójnym lustrem)

System stabilizacji termicznej złożonych przedziałów

Urządzenia do przewodowej i bezprzewodowej transmisji danych

Komputer pokładowy

Emiter laserowy lidaru w aerozolu

System synchronizacji dla złożonych podsystemów

Teleskop nadawczo-odbiorczy

Odbiorniki promieniowania

Analogowa elektroniczna jednostka sterująca i diagnostyczna

Cyfrowa, elektroniczna jednostka przetwarzania danych

Autonomiczny system zasilania

System nadzoru wideo

2. Wykrywanie składników emisji aerozolu z możliwością identyfikacji nieorganicznych niebezpiecznych substancji chemicznych polega na zastosowaniu wraz z lidarem aerozolowym lidara różnicowo absorpcyjnego w zakresie UV, widzialnym i bliskiej podczerwieni. Linie absorpcyjne głównych niebezpiecznych substancji chemicznych znajdują się w zakresie strojenia lasera tytanowo-szafirowego, więc dla SO 2 wynosi 300,05 nm (wł.) i 299,51 nm (wył.), dla NO 2 – 448,25 nm (wł.) 446,83 nm (wył. ).

Główne cechy użytkowe kompleksu

Parametr

Oznaczający

Maksymalny zakres pomiarowy w trybie skanowania

co najmniej 8 km

Maksymalny zakres pomiarowy w trybie pomiarowym

co najmniej 3 km

Minimalny zakres pomiarowy w trybie skanowania

nie więcej niż 0,5 m

Kąty widzenia

Kierunek pionowy (kąt elewacji)*

Kierunek poziomy (azymut)*

Rozmiar wykrytych aerozoli

0,5 – 11 µm

Długość fali w trybie skanowania aerozolu

1,55 (1,064) µm

Czas skanowania wybranego sektora**

nie więcej niż 130 s

Rozdzielczość przestrzenna w trybie skanowania

Energia pulsu

1 – 2 mJ (1,55 µm) 100 mJ (1,064 µm)

Czas trwania impulsu

Częstotliwość powtarzania impulsów

Laser Ti:Sph (2 szt.)

Zakres długości fali

350 – 480 nm 230 – 310 nm

Częstotliwość powtarzania impulsów

Energia impulsu L=450 nm L=300 nm

25 mJ 6 mJ

Waga systemu

Wykorzystywany jest czujnik optyczny - lidar (dosłownie lidar z Light Detection and Ranging). wykrywanie i określanie zasięgu światła). Czujnik wykorzystuje fale elektromagnetyczne z zakresu podczerwieni, za pomocą których określana jest odległość od obiektu (pojazdu) poprzedzającego, a także jego prędkość. Lidar może służyć do wykrywania cząstek wilgoci w atmosferze i oznakowaniu dróg.

Lidar pod względem swoich funkcji stanowi alternatywę dla radaru samochodowego, dlatego ma inną nazwę radar laserowy. Zaletami lidara są jego mniejsze rozmiary (można go zainstalować w dowolnym miejscu), duża rozdzielczość kątowa (około 180°), znaczny zasięg (do 250 m) i stosunkowo niski koszt. Udowodniono, że promienie podczerwone są bezpieczne dla ludzkiego oka.

Jednocześnie radar laserowy jest wrażliwy na zmiany topografii drogi (promienie mogą odbijać się od nawierzchni drogi i zniekształcać informacje). Skuteczność lidara spada w przypadku złych warunków atmosferycznych (deszcz, śnieg, mgła), a także w przypadku zabrudzenia czujnika.

Wiodącymi producentami lidarów są Denso, Continental, Siemens i Hella. Radar laserowy stosowany jest w adaptacyjnym tempomacie Nissana i Toyoty, w aktywnym systemie noktowizyjnym Mercedes-Benz, Toyoty oraz w automatycznym systemie hamowania awaryjnego Volvo (system City Safety).

Aby zwiększyć skuteczność wykrywania obiektów, lidar można zastosować w połączeniu z radarem lub kamerą samochodową. Opracowywane systemy automatycznego sterowania pojazdami również nie mogą obejść się bez lidaru.

Urządzenie lidarowe

Konstrukcja lidara samochodowego obejmuje następujące elementy: nadajnik, modulator, odbiornik, element optyczny, wzmacniacz, przetwornik analogowo-cyfrowy i mikroprocesor.

Rolę nadajnika pełni dioda laserowa, która służy do transmisji promieniowania podczerwonego. Promieniowanie podczerwone modulowane jest w modulatorze, który w razie potrzeby zmienia jego natężenie. W zależności od rodzaju modulacji rozróżnia się lidary ciągłe i impulsowe. Modulacja impulsowa promieniowania podczerwonego jest bardziej zaawansowana. Aby zwiększyć efektywność pomiaru, zastosowano technologię wieloimpulsową (przesyłanie kilku impulsów jednocześnie).

Impuls świetlny, a następnie jego odbicia przechodzą przez element optyczny. Odbity impuls jest odbierany przez fotodiodę, gdzie przetwarzany jest na sygnał elektryczny. Następnie sygnał jest wzmacniany przez wzmacniacz, przetwarzany na „cyfrowy” za pomocą przetwornika ADC (przetwornik analogowo-cyfrowy), a następnie przetwarzany przez mikroprocesor.

Pomimo różnic w konstrukcji zasada działania lidara jest podobna do radaru. Lidar wysyła światło podczerwone do celu. Światło jest częściowo odbite od celu i częściowo rozproszone. Odbity impuls powraca z powrotem, gdzie jest odbierany przez fotodiodę. Prąd płynący przez fotodiodę jest proporcjonalny do naświetlonego światła. Na podstawie otrzymanego sygnału cyfrowego procesor określa odległość do poprzedzającego pojazdu i jego prędkość.

Wysoką rozdzielczość poziomą i pionową lidara uzyskuje się dzięki konfiguracji nadajnika wielowiązkowego, co osiąga się na kilka sposobów – za pomocą obrotowego lustra poruszającego nadajnik.

22 maja 2017 r

Obecnie coraz większą popularność zyskuje technologia wykrywania i wyznaczania odległości światła LIDAR (ang. Light Identification Detection and Ranging). Nasi eksperci śledzą rozwój branży i przygotowali recenzję artykułu poświęconego tej technologii.

Technologie uzupełnią kamery i radary w pojazdach autonomicznych

W pełni autonomiczne pojazdy przyszłości będą opierać się na połączeniu różnych technologii czujników – zaawansowanych systemów wizyjnych, radarów i systemów wykrywania i określania odległości (lokalizator laserowy). Z tych trzech lokalizator laserowy jest zdecydowanie najdroższym elementem równania i na całym świecie podejmuje się wysiłki, aby obniżyć te ceny.

Mechaniczne lokalizatory laserowe są już dostępne na rynku i kosztują setki dolarów. Liczby te należy zmniejszyć, aby powszechne zastosowanie lokalizatorów laserowych było uzasadnione w elastycznym przemyśle motoryzacyjnym.

Oprócz czynnika cenowego dostawcy lokalizatorów laserowych muszą wykazać się wysoką wydajnością i niezawodnością swoich produktów. W przypadku zaawansowanych systemów wspomagających kierowcę i zautomatyzowanej jazdy nie wystarczy 99% niezawodności. W krytycznych (z punktu widzenia bezpieczeństwa) aspektach produkcji samochodów sprzęt musi wykazywać niezawodność „sześciu dziewiątek” – 99,9999%.

Nie da się przecenić znaczenia zaawansowanych technologii w transporcie drogowym. Dobrym przykładem jest proponowana przez firmę Intel transakcja nabycia Mobileye, izraelskiego dostawcy systemów wizyjnych, o wartości 15,3 miliarda dolarów. W zeszłym roku producent chipów i Mobileye nawiązali współpracę z BMW, aby współpracować nad technologią pojazdów autonomicznych.

Lokalizator laserowy jest kluczowym elementem tej technologii, a inwestorzy trzymają swoje portfele szeroko otwarte dla startupów pracujących nad tą technologią. W marcu 2017 r. inwestorzy wpłacili 10 milionów dolarów na TetraVue, start-up zajmujący się lokalizatorami laserowymi z siedzibą w Carlsbad w Kalifornii. Na liście inwestorów znajdują się Foxconn, Nautilus Venture Partners, Robert Bosch Venture Capital i Samsung Catalyst Fund.

Startup Autonomic z siedzibą w Palo Alto w Kalifornii, zajmujący się oprogramowaniem do samochodów autonomicznych, zebrał około 11 milionów dolarów od Ford Motor i Social Capital. Czterech współzałożycieli pracowało wcześniej w Pivotal Labs.

Siły napędowe technologii

Technavio prognozuje CAGR dla globalnego rynku samochodowych laserowych czujników odległości o ponad 34% do roku 2020 (rysunek 1). Firma badająca rynek szacuje, że w 2015 r. wartość rynku lokalizatorów laserowych wynosiła 61,61 mln dolarów, przy największym popycie w regionach Europy, Bliskiego Wschodu i Afryki oraz w obu Amerykach.

W czerwcu 2016 roku firma opublikowała raport „Globalny rynek motoryzacyjnych laserowych czujników odległości 2016-2020”, a aktualizacja tego raportu nastąpi w trzecim kwartale tego roku.

„Technologia pomiaru odległości laserem w przemyśle motoryzacyjnym podlega szybkiej ewolucji, zarówno w wyniku postępu technologicznego, jak i dynamiki rynku”., - stwierdza Siddhartha Jaiswala, jeden z wiodących analityków branży badawczej w branży elektroniki samochodowej Technavio.

Wśród kluczowych osiągnięć wymienionych przez Technavio:

Obniż koszty, aby zwiększyć skalę. Producenci lokalizatorów laserowych pracują nad obniżeniem kosztów systemów poprzez zastosowanie wydajnych metod przetwarzania, a w niektórych przypadkach poprzez pozycjonowanie produktów indywidualnie dla każdego segmentu klienta: „Cena 64-wiązkowego laserowego dalmierza Velodyne HDL-64E, który jest używany w autonomicznym samochodzie Google, kosztuje 80 000 dolarów” – deklaruje Jaiswal.„Velodyne oferuje również dalmierze laserowe z 32 i 16 wiązkami w cenie odpowiednio 40 000 i 8 000 dolarów, które można wykorzystać w bardziej opłacalnych projektach. Oczekujemy, że technologia pomiaru odległości laserem pójdzie w ślady radarów w przemyśle motoryzacyjnym, gdzie cena odegrała kluczową rolę w akceptacji rynkowej. Dlatego cena jest kluczowym czynnikiem dla uczestników rynku.”.
Kompaktowa konstrukcja. Pierwszy laserowy czujnik odległości firmy Velodyne, wypuszczony na rynek w 2005 roku, był tak duży i ciężki (ważył około 5 kilogramów), że musiał zostać umieszczony na dachu samochodu. Czujnik waży teraz mniej niż kilogram, a wersja półprzewodnikowa jest na tyle mała, że mieści się w samochodzie.
Kombinacja czujników. Trend technologiczny polegający na łączeniu czujników obrazu z laserowym czujnikiem odległości jest popularnym tematem badań od ponad dekady. Dane wyjściowe stają się bardziej wiarygodne, jeśli w wyniku kombinacji informacja z jednego czujnika potwierdza informację z innego typu czujnika. Jeśli jednak dane z jednego czujnika nie zgadzają się z danymi z drugiego, system staje się zawodny.
Używanie lokalizatorów laserowych poza pojazdami do zarządzania zasobami drogowymi. Badania oceny stanu dróg (TRACS) wprowadzono do sieci dróg krajowych w Anglii w 2000 r. Brytyjska Agencja Dróg regularnie przeprowadza zautomatyzowane badania stanu nawierzchni autostrad w ramach badania TRACS. Lokalizator laserowy służy do pomiaru odległości od czujnika i może potencjalnie dostarczyć danych o obiektach znajdujących się w znacznie większej odległości od pojazdu badawczego niż w badaniu TRACS.

Obrazek 1.
źródło: Technavio

„Lokalizator laserowy zajmuje bardzo dochodową pozycję wśród czujników jazdy autonomicznej”– mówi Jaiswal. „Mapa 360 stopni jest jej głównym wyróżnikiem na tle innych technologii czujników, a jej zdolność do wykrywania obiektów nawet przy braku światła znalazła swoje miejsce wśród producentów OEM. Ponadto wyraźny spadek ceny najdroższego elementu samochodu autonomicznego, czyli zespołu laserowego czujnika odległości, prawdopodobnie doprowadzi do wprowadzenia samochodowych laserowych czujników odległości. Na przykład w 2016 roku firma Velodyne wprowadziła na rynek nowy lokalizator laserowy ULTRA Puck VLP-32A. Mówi się, że jest to najtańszy radar laserowy, który może osiągnąć poziomy autonomicznej jazdy 1–5 zgodnie z definicją SAE (Society of Automotive Engineers), a także jest bardzo kompaktowy w porównaniu z poprzednimi wersjami produktów branżowych. Ze względu na architekturę półprzewodnikową czujnik jest na tyle mały, że można go zamontować na zewnętrznych lusterkach wstecznych, a zasięg wykrywania 3D zwiększa się do 200 metrów (656 stóp). Firma Velodyne ustaliła cenę docelową na poziomie poniżej 300 dolarów za sztukę, co w skali motoryzacyjnej stanowi znaczną obniżkę ceny w porównaniu z ceną poprzedniego kompaktowego lokalizatora laserowego wynoszącą 7900 dolarów”..

Co więcej, lokalizator laserowy można opracować przy użyciu sprawdzonych technologii procesów półprzewodnikowych, a wersja półprzewodnikowa nie posiada ruchomych części.

„Lokalizator laserowy jest uważany za kluczową technologię zapewniającą dokładne mapowanie 3D, czucie pojazdu i nawigację”., - stwierdza Pierre'a Cambu, dyrektor ds. obrazowania w Yole Developpement. „W przypadku stosowania krótkofalowych diod podczerwieni (SWIR), fotodiod lawinowych czy jednofotonowych fotodiod lawinowych istnieje konkurencja w zakresie wydajności i trwałości. Czynione są również duże wysiłki w celu obniżenia cen. Ma to głównie na celu wykonanie półprzewodnikowego lokalizatora laserowego przy użyciu sterowanych laserów, mikroluster MEMS lub układów detektorów.”.

Kambu zauważył jednak, że istnieją różne podejścia do jazdy autonomicznej i nie w każdym z nich lokalizator laserowy jest konieczny. „Lokalizator laserowy to podstawowe wyposażenie pojazdów bezzałogowych, które wolę nazywać pojazdami-robotami. W przyszłości będzie wiele poziomów autonomii. Do hamowania awaryjnego w środowisku miejskim może być potrzebny lokalizator laserowy, prawdopodobnie w połączeniu z radarem i kamerami. To multimodalne podejście zostało obecnie jasno zdefiniowane. Nikt tego nie kwestionuje.”.

Rynek lokalizatorów laserowych będzie rósł wraz ze spadkiem cen, z obecnych 600 milionów dolarów do 1,2 miliarda dolarów w ciągu najbliższych pięciu lat (rysunek 2). „Dzisiaj istnieją trzy punkty wejścia do branży motoryzacyjnej: 3000 dolarów, 300 dolarów i 30 dolarów”., powiedział. „Kamery kosztują obecnie 30 dolarów, a lokalizator laserowy – 3000 dolarów. Celem producentów lokalizatorów laserowych jest obecnie obniżenie ceny i osiągnięcie celu 300 dolarów bez znaczącej utraty wydajności. Takie lokalizatory laserowe, prawdopodobnie oparte na podejściu półprzewodnikowym, pojawią się na rynku w ciągu najbliższych trzech lat.”.

To niewielka część rynku czujników wizyjnych. „Konsensus jest taki, że korzyści z radaru samochodowego i wizji samochodowej są prawie takie same, ale wizja obejmuje w 50% zaawansowany system wspomagania kierowcy (ADAS) i w 50% asystent parkowania” – powiedział Kambu. „W 2016 roku osiągnęliśmy sprzedaż samochodowych czujników wizyjnych o wartości 1 miliarda dolarów, przy CAGR na poziomie 24%. Najwyższy poziom to 7,3 miliarda dolarów przychodów z samochodowych czujników wizyjnych do 2021 roku”.

Rysunek 2.
Źródło: Rozwój Yole

Co działa, a co nie

Amin Kashi, dyrektor ds. zaawansowanego wspomagania kierowcy i jazdy autonomicznej w Mentor Graphics, spółce zależnej Siemensa, powiedział, że zainteresowanie radarami laserowymi rozpoczęło się ponad dziesięć lat temu ze względu na wysokie wówczas koszty radarów, które kosztowały 500 dolarów za sztukę. Lokalizatory laserowe były wówczas niezwykle drogie, do 260 000 dolarów za sztukę.

„Trzy lata temu wiele firm lub startupów zaczęło interesować się branżą lokalizatorów laserowych i w nią inwestować.”, mówi Kasi. „Każda duża firma nagle zaczęła inwestować w firmy zajmujące się lokalizatorami laserowymi lub kupować je”..

Do firm tych zaliczały się Continental i TRW. Kashi pracował wcześniej dla firmy Quanergy Systems, która opracowała mechaniczny lokalizator laserowy, a obecnie pracuje nad lokalizatorem laserowym z układem fazowanym. Lokalizator laserowy na ciele stałym Quanergy kosztuje 250 dolarów za sztukę.

Tymczasem Mentor Graphics zapewnia producentom OEM i dużym firmom sprzęt, oprogramowanie i usługi projektowe w branży lokalizatorów laserowych. „Dostarczamy również oprogramowanie do przetwarzania obrazu, które może działać na ich czujnikach. Docelowo wszystkie czujniki muszą być w jakiś sposób połączone. Potrzebna jest platforma lub system obliczeniowy, który pobierze wszystkie te różne informacje i sprawi, że będą zrozumiałe dla systemu decyzyjnego. Na tym właśnie polega nasze zainteresowanie.”.

„Kamery, lokalizatory laserowe i radary uzupełniają się nawzajem, nadrabiając niedociągnięcia każdej technologii”., powiedział. „Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ lokalizator laserowy może być mniej skuteczny we mgle, niskich chmurach, burzach piaskowych, ulewnym deszczu i gęstym śniegu”.

„Nadal istnieje zapotrzebowanie na czujniki o bardzo wysokiej rozdzielczości stosowane w pojazdach autonomicznych”., zauważył Amin Kashi. „Istnieje wiele firm pracujących nad technologią pomiaru odległości laserem, wiele start-upów i mają one bardzo przekonujące koncepcje. Ciekawe będzie, czy ich droga do komercjalizacji zakończy się sukcesem. Część z nich jest zupełnie nieoryginalna, ale przejście od świetnego pomysłu do czujnika na poziomie motoryzacyjnym jest bardzo trudnym zadaniem. A to wymaga wielu inwestycji.”.

Porównania pomiędzy różnymi technologiami pomiaru odległości laserem nie zawsze są proste, a rosnąca konkurencja nie ułatwia ich.

„W internecie pojawia się wiele nieprawdziwych informacji”, - deklaruje Luai Eldada, dyrektor generalny startupu Quanergy. „Są ludzie, którzy produkują tradycyjne mechaniczne lokalizatory laserowe: duże, wirujące mechaniczne lokalizatory laserowe używane w helikopterach i nazywają je hybrydowymi półprzewodnikowymi, ponieważ ich zawartość półprzewodników nie wynosi zero. To tylko oszustwo.”

Eldada powiedział, że takie produkty mają jeden mały chip w produkcie wielkości wiadra. „W branży motoryzacyjnej nikt już nie używa mechanicznych lokalizatorów laserowych. Jesteśmy przekonani, że nasz lokalizator półprzewodnikowy jest najbardziej ekscytującym osiągnięciem w tej dziedzinie.”

W ubiegłym roku Quanergy otrzymała w drugiej rundzie inwestycyjnej 90 milionów dolarów, zwiększając łączne inwestycje prywatne do 150 milionów dolarów i zwiększając wartość firmy do ponad 1 miliarda dolarów. Delphi Automotive, GP Capital, Motus Ventures, Samsung Ventures i Sensata Technologies dokonały inwestycji w drugiej rundzie inwestycyjnej.

XenomatiX to kolejny startup specjalizujący się w lokalizatorach laserowych na ciele stałym. „Start-upy przodują obecnie w rozwiązaniach uznawanych za niezbędne w zakresie autonomicznej jazdy”., – stwierdził Philipa Guyensa, dyrektor wykonawczy belgijskiej firmy. „Niektóre duże firmy wydają dużo pieniędzy i dużo inwestują, aby uzyskać czujniki i oprogramowanie potrzebne do autonomicznej jazdy. Większość tych firm, z technologicznego punktu widzenia, zmierza w tym samym kierunku. Oczekujemy, że wszyscy staną przed poważnymi wyzwaniami. My natomiast zmierzamy w innym kierunku i robimy pewne rzeczy nieco inaczej. Wierzymy, że to najlepszy sposób na pokonanie trudności.”.

„XenomatiX stara się pozbyć dezorientacji w wykrywaniu wśród laserowych systemów radarowych, wynikającej z faktu, że wiele systemów wykorzystuje bezpośredni czas przelotu, emitując pojedynczą wiązkę światła lub pojedynczy błysk światła”., – stwierdził Guyensa. „Metoda, której używamy, polega na wysyłaniu tysięcy wiązek jednocześnie. To dość trudne. Przestrzegamy również środków bezpieczeństwa, aby chronić Twoje oczy. To jest najważniejsza trudność, która jest taka sama dla nas wszystkich. Emitujemy wiele promieni jednocześnie, co jeszcze bardziej utrudnia sprawę. Z drugiej strony zwiększa to niezawodność systemu w warunkach rzeczywistych, gdzie jednocześnie działa kilka radarów laserowych.”

Część firm twierdzi, że do autonomicznej jazdy wystarczą kamery i radary, ale Guyens tak nie uważa. Przekonuje, że jazda samochodem odbywa się w świecie wolumetrycznym, a lokalizator laserowy jest niezbędny do wykrywania we wszystkich kierunkach.

Zamieszanie na rynku

Jednym z największych wyzwań w branży jest podaż i popyt pomiędzy producentami OEM a wiodącymi firmami. Producenci OEM oczekują, że wiodące firmy zapewnią im zaawansowane technologie, których potrzebują, podczas gdy wiodące firmy wymagają sprawdzonych technologii, zanim będą mogły przedstawić je producentom OEM. Według wielu znawców branży dostawcy części samochodowych nie chcą ponosić dużych kosztów badań i rozwoju bez zobowiązań dotyczących wielkości zakupów OEM.

„Oczekujące przejęcie Mobileye przez firmę Intel to duży krok naprzód we wprowadzaniu zaawansowanych technologicznie produktów do przemysłu motoryzacyjnego”., - stwierdza Guyensa.

Konkurencja na drodze do pojazdów autonomicznych i ilość niezbędnych do tego innowacji technologicznych zmieniają niektóre z dotychczas stosowanych podejść.

„W tym momencie technologia pomiaru odległości laserem stanowi zupełnie nowe połączenie technologii”., - wierzy Jean-Yves Deschenes, prezes firmy Phantom Intelligence z Quebecu. „Napędzaniem tej fuzji jest przemysł motoryzacyjny”..

Pięć do dziesięciu lat temu lokalizator laserowy był używany głównie do celów architektonicznych, kartograficznych i wojskowych. Bloki wyglądały jak ogromne, nieporęczne urządzenia z ogromną liczbą luster.

„Wielu szuka rozwiązania”, powiedział. „Ostatnie badania i firmy, o których dużo słyszymy, próbują teraz zastąpić te lustra. Odtwarzamy zasadę skanowania lokalizatora laserowego, wykorzystując lustra MEMS i sterowanie wiązką. Wiele metod mapowania zmierza w tym kierunku. W Phantom Intelligence wierzymy, że rozwiązaniem jest zastosowanie radaru laserowego z lampą błyskową. Lokalizator laserowy z lampą błyskową przypomina bardziej analog kamery 3D. Zamiast wąskiej wiązki, która stopniowo przechodzi przez pole widzenia w celu rekonstrukcji obrazu, impuls laserowy miga na dużym obszarze, a do rekonstrukcji obrazu wykorzystuje się wiele pikseli..

„Wadą lokalizatora laserowego jest to, że echo wraca do czujnika”, - zauważony Deschenes, zwolennik tego, co nazywa „inteligentniejszym” przetwarzaniem sygnału. Uważa on, że będzie pięć poziomów autonomicznej jazdy, przy czym w pełni autonomiczne pojazdy pojawią się w 2025 r. i staną się powszechne w 2030 r.

Prawdziwy stan rzeczy

Lokalizator laserowy to znana technologia, która w końcu znalazła opłacalne zastosowanie na rynku.

„Sama zasada pomiaru odległości laserem, światło wysyłane impulsem i echo czasu lotu niewiele się zmieniły”, podało jedno ze źródeł branżowych. „Zasada fizyczna nigdy się nie zmieniła od czasu jego wynalezienia przez 40 lat. Zmiany dotyczą raczej komponentów i integracji systemu. Żadnych zmian w podstawowej zasadzie”.

Źródło zauważyło, że błyskowy lokalizator laserowy był rozwijany przez ostatnie pięć lat i w tym czasie nabył podobieństwa z czujnikiem CMOS. „Technologia lokalizatora laserowego Flash to obszar wymagający szczególnej uwagi. Zapewnia bardzo tanie rozwiązanie, ale nie zapewnia wysokiej wydajności.”.

Kevina Watsona, starszy menedżer ds. rozwoju produktów w Microvision (Redmond, Waszyngton), nie zgadza się z tym. „Nie sądzę, że to przyniesie jakiekolwiek rezultaty”, powiedział o lokalizatorze laserowym flash. „Przez wiele lat lustrzane skanery laserowe MEMS były uważane za świętego Graala laserowych urządzeń lokalizacyjnych, ponieważ są niewiarygodnie małe, stosunkowo niedrogie w produkcji w dużych ilościach i bardzo niezawodne. Poza tym są na tyle kompaktowe, że zmieszczą się w samochodzie kilka sztuk..

Watsonie nazywa lokalizator laserowy „najważniejszym czujnikiem” w elektronice samochodowej. „Systemy wizyjne są świetne, ale są całkowicie pasywne, a lokalizator laserowy jest aktywny”. Jednak lokalizator laserowy ma również swoje ograniczenia. Radar rozpoznaje ścianę i ma duży zasięg, może działać we mgle, ale zasięg laserowy i widoczność mogą być mylone. „Osiągnięcie czwartego poziomu autonomii (poprzedzającego najwyższy) jest jeszcze bardzo odległe”, – stwierdził Watsonie. „To nie zostanie wdrożone przez następne dziesięć lat. To bardzo, bardzo poważny problem. Nadal jest zbyt wiele do zrobienia”.