Pag-scan ng mga laser rangefinder (LIDAR). Mirror circuits ng mga lidar lens Lidar device

15.09.2023

Kailangan mo bang idokumento ang mga pangyayari ng isang aksidente sa kalsada sa gabi? Pagdidisenyo ng mga sistema ng patubig sa mga tuyong lugar? O paggalugad ng mga posibleng archaeological site na nakatago sa kagubatan o iba pang mga tampok? Ang mga tradisyunal na pamamaraan ng 3D surveying at pagkuha ng geospatial na data ay matagal at mahal. Ngunit ngayon ay may mas epektibo at mas mabilis na mga solusyon para sa mga naturang layunin.

Ang LiDAR (Light Detection and Ranging) ay isang remote sensing technology na gumagamit ng mabilis na mga pulso ng laser upang lumikha ng modelo ng terrain. Mahusay ang LiDAR kapag kailangan mong lumikha ng mga digital na mapa na may mataas na resolution ng ibabaw ng mundo para sa iba't ibang layunin. Noong nakaraan, ang mga organisasyon ay pinilit na gumamit ng hiwalay na mga sistema na may sariling katangian para sa bawat kaso.

Mayroon na silang kakayahang gumamit ng LiDAR system na naka-mount sa mga drone para lumikha ng isang 3D mapping device. Ang ScanLook A-Series LiDAR system ay naka-install sa DJI Matrice 600 flying platform, na nagbibigay ng mahusay, versatile at tumpak na 3D sensing solution batay sa unmanned na teknolohiya.

Mga halimbawa ng praktikal na aplikasyon ng LiDAR at mga drone

Pagmomodelo ng landscape

Ang pinakasimpleng halimbawa kung saan ang mga bagong teknolohiya ay maaaring makabuluhang mapadali at gawing mas mahusay ang trabaho ay ang paglilinis ng mga basura at dumi. Nabatid na ang pagbabayad ay karaniwang ginagawa sa bawat metro kuwadrado, ngunit ang mga kalkulasyon ay hindi palaging tumpak, lalo na kung mayroong isang malaking kalat ng mga basura, mga dahon, at mga palumpong at mga puno na tumutubo sa teritoryo. Nag-aalok ang LiDAR ng makabuluhang pagtitipid kumpara sa mga pamamaraan ng terrestrial survey.

Malaking binabawasan ng LiDAR ang iba't ibang uri ng mga gastos para sa mga pamamaraan ng pagsasaliksik ng tulong. Gamit ang remote sensing ng iba't ibang uri ng mga bagay, kabilang ang damo, dahon o puno, matutukoy ng LiDAR ang kanilang posisyon, bilis ng paggalaw (para sa mga gumagalaw na bagay) at iba pang katangian. Upang gawin ito, ginagamit ang isang pulsating laser beam, na makikita mula sa ibabaw ng mga bagay. Ang resulta ng prosesong ito ay isang 3D na modelo ng mga topographic na contour ng landscape, na maaaring gamitin ng mga user. Kung ikinonekta mo ang isang Matrice 600 drone na may ScanLock sa pamamaraan ng pananaliksik, ang pag-scan ay magaganap sa bilis na higit sa 4 na libong metro kuwadrado. m bawat minuto. Ngayon isipin kung gaano karaming trabaho ang maaaring gawin sa loob ng 20 minuto ng oras ng paglipad?

Pagdodokumento ng mga emerhensiya at aksidente

Ang LiDAR ay isang aktibong sistema na gumagamit ng ultraviolet at near-infrared na ilaw upang lumikha ng mga larawan ng mga gustong bagay. Mahalaga ito kung hindi pinapayagan ng mga pangyayari ang paggamit ng panlabas na ilaw para sa mataas na kalidad na pagmamapa. Halimbawa, ang paraang ito ay maaaring kailanganin upang kunan ng pelikula ang mga pangyayari ng isang aksidente sa sasakyan sa gabi. Upang gawin ito, pinakamahusay na gamitin ang Matrice 600 drone na may teknolohiyang ScanLook upang literal na makuha at maproseso ang lahat ng kinakailangang visual na impormasyon sa isang paglipad lamang sa lugar ng aksidente.

Dahil ang iminungkahing solusyon ay nakabatay sa teknolohiyang unmanned, ang mga user ay halos agad na nakakatanggap ng tumpak na impormasyon na sinusuportahan ng mga visual na detalye. Ang lahat ng ito ay maaaring gamitin bilang ebidensya sa mga legal na paglilitis. Bilang karagdagan, ang mataas na bilis ng inspeksyon gamit ang aerial scanning ay nakakatulong upang mabilis na simulan ang proseso ng paglikas ng mga sugatan o patay na tao, mga nasirang sasakyan, at mabilis ding simulan ang paglilinis sa lugar. Sa ganitong paraan, maaari mong i-clear ang daanan para sa mga kotse sa medyo maikling panahon, na kung saan ay lalong mahalaga sa mga abalang kalsada, at makatipid din ng malaking pera sa lahat ng mga yugto ng trabaho.

Pagpaplano ng agrikultura at landscape

Ang isa pang halimbawa ng matagumpay na aplikasyon ng mga bagong teknolohiya sa pagmamapa ng 3D ay malalaking sakahan kung saan kinakailangan na lumikha ng isang mahusay na sistema ng irigasyon. Halimbawa, sa malalaking taniman ng palay, ang mga magsasaka ay kailangang gumawa ng mga pilapil na hindi tinatablan ng tubig. Nangangailangan ito ng tumpak na kaalaman sa topograpiya at mga katangian ng lupa. Kung hindi, ang buong system na nilikha ay maaaring maging hindi epektibo at walang silbi. At muli, ang pinakamainam na solusyon ay ang Matrice 600 drone na may teknolohiyang ScanLock na naka-install dito. Ang pagkolekta ng data ay magaganap sa bilis na 183 metro bawat pass. Ang proseso ng pagtatrabaho sa isang malaking larangan ay hindi kukuha ng maraming oras. Kasabay nito, hindi na kailangan, tulad ng dati, na hintayin na matuyo ang mga nilinang na patlang upang ang mga angkop na kagamitan para sa pangongolekta ng datos ay mai-deploy sa kanila.

Arkeolohiya

Kung saan ang mga tradisyunal na paraan ng pag-survey sa mga malalaking landscape ay nangangailangan ng mga taon ng trabaho, magagamit na ngayon ang teknolohiya ng LiDAR upang makumpleto ang proseso ng 3D mapping sa ilang minuto. Muli, ang pinakamagandang opsyon para sa naturang pamamaraan ay ang pag-install ng ScanLock sa drone ng Matrice 600. Ang mga "nawawalang" lugar at buong sinaunang lungsod ay matutuklasan sa pinakamaikling panahon.

Kung nakakita ka ng mga autonomous na sasakyan sa mga litrato o nang personal, mapapansin mo na mayroon silang kakaibang bagay na nakakabit sa tuktok ng kanilang bubong.

Minsan ito ay kahawig ng isang sirena, tulad ng kaso sa mga prototype ng Waymo ng Google, na nagbibigay sa kanila ng hitsura ng isang kaibig-ibig na sasakyan ng pulis.

Ngunit mas madalas ang bagay na ito ay kahawig ng isang umiikot na lata na nakakabit sa mga spacer.

Ang device na ito sa mga self-driving na kotse ay lidar, ang kagamitang nagbibigay ng "vision" sa kotse.

Ang salitang lidar (LIDAR) ay binubuo ng mga unang titik ng apat na salitang Ingles - Light Identification Detection and Ranging, na nangangahulugang "detection, identification at ranging gamit ang liwanag."

Ang automotive lidar sa isang self-driving na kotse ay ang pinakamahal na bagay. Sa $75,000, ang lidar ay nagkakahalaga ng higit sa maraming mga kotse. Samantala, ang device na ito ay isa lamang sa marami na kailangang lagyan ng mga unmanned na sasakyan.

Gayunpaman, maaaring magbago ang sitwasyong ito sa taong ito salamat sa paglitaw ng mga tinatawag na solid-state lidar, na mataas ang resolusyon at nagkakahalaga lamang ng ilang daang dolyar. Sa katunayan, ang salitang solid ay hindi masyadong tama. Ang mga bagong henerasyon na lidar ay naiiba sa mga nauna sa kanilang immobility (staticity).

Ngunit ang kanilang pag-imbento ay seryosong naglalapit sa sandali ng mass appearance ng mga unmanned na sasakyan sa mga kalsada. Samakatuwid, ito ay nagkakahalaga ng pag-unawa kung ano ang automotive lidar, at sa partikular na static (solid-state) lidar.

Ang salitang "lidar" ay naghahatid ng pinaka kakanyahan ng paggana nito - ito ay isang radar na nagpapatakbo sa mga light wave. Ang pag-alala sa pisika ng paaralan, alam natin na sa pamamagitan ng pagpapalabas ng mga radio wave, tinutukoy ng radar ang distansya sa isang bagay batay sa oras na kinakailangan para sa radio wave na sumasalamin mula sa bagay.

Gumagana ang Lidar sa katulad na paraan, ngunit gumagamit ng maiikling pulso ng liwanag na may mataas na agarang kapangyarihan kaysa sa mga radio wave. Upang makakuha ng mas tumpak na impormasyon, ang mga lidar ay gumagamit ng infrared at near-ultraviolet radiation.

Ngunit ang isang walang sasakyang sasakyan ay nangangailangan ng data tungkol sa dose-dosenang mga bagay sa paligid nito. Samakatuwid, ito ay umiikot sa paligid ng axis nito, na naglalabas ng maraming flash ng liwanag, at sa gayon ay bumubuo ng isang three-dimensional na 360-degree na imahe ng nakapalibot na kapaligiran mula sa isang "ulap ng mga punto". At magagawa niya ito sa anumang kapaligiran, kondisyon ng panahon at anuman ang oras ng araw.

Ang music video na ito ng Radiohead ay nagpapakita kung paano ang mga "tuldok" na ito ay bumubuo ng isang larawan.

Upang ang mga self-driving na sasakyan ay makagalaw sa kalawakan nang walang interbensyon ng tao, nangangailangan sila ng kumbinasyon ng mga camera, radar at lidar. At ang lidar ay gumaganap ng isang kritikal na pag-andar - binibigyan nito ang kotse ng isang ideya hindi lamang ang sarili nitong lokalisasyon, kundi pati na rin ang lokasyon ng mga nakapalibot na bagay.

Ang GPS ay hindi angkop sa kasong ito - tinutukoy nito ang lokasyon sa pamamagitan ng pagbuo ng isang bilog na may diameter na mga 5 m, at ginagawa ito ng lidar na may katumpakan na 10 cm.

Ang antas ng awtonomiya ay isang pang-internasyonal na pamantayan na pinagtibay upang ipaliwanag ang lawak kung saan nagsasarili ang isang partikular na sasakyan.

Mayroong 6 na antas ng awtonomiya

At ang lidar ay kinakailangan para sa antas ng awtonomiya 4 at mas mataas.

Ano ang static automotive lidar

Ngayon, karamihan sa mga lidar ay mga mamahaling mobile device.

Siyempre, tulad ng lahat ng mga teknolohiya, ang mga lidar ay naging mas mura at mas maliit sa paglipas ng panahon. Ngunit sa ngayon ay nagkakahalaga sila mula $8,000 hanggang $80,000, at mabilis na nasira.

Ngunit ang mga static na lidar ay ibang bagay. Pangunahing gawa sa silicon, wala silang mga gumagalaw na bahagi at gumagamit ng variable na wavelength laser. Ang naturang device ay magaan, maliit, kumokonsumo ng kaunting enerhiya (tumatakbo sa AA na baterya), mabilis at tumpak, gumagana sa lahat ng lagay ng panahon, at nagkakahalaga ng daan-daang dolyar sa halip na libo-libo.

Ang teknolohiya ng static silicon lidars ay naimbento ng American company na Quanergy. Ang isang kumpletong hanay ng kanilang laser scanner ay nagkakahalaga na ngayon ng $900, ngunit ipinangako ng developer na patuloy na babawasan ang mga presyo, na magdadala sa kanila sa $100.

Ang solid-state lidar ay hindi lamang mas mura, ito ay napakabilis, lubos na tumpak at mas tumatagal. Ang electromechanical lidar ay maaaring tumagal ng maximum na 2,000 oras, na mas mababa kaysa sa kinakailangan para sa isang taon ng pagpapatakbo ng kotse, at ang solid-state na lidar ay maaaring tumagal ng hanggang 100,000 na oras.

Kailan magiging mass product ang mga self-driving na sasakyan?

Ang unang lidar ay na-install sa isang Jaguar noong 1999, na nagkakahalaga ng humigit-kumulang $100,000. Noong panahong iyon, ang mga lidar na may mga sensor ay napakamahal na ang mga tao ay nagbiro na "bumili ka ng lidar at makakuha ng libreng Jaguar sa iyong load."

Ngayon, ang function na ito sa mga kotse ay nagkakahalaga na ng $18,000, at sa paggamit ng mga solid-state sensor, ang presyo ng "laser vision" ay bababa sa $1000.

Inaasahan na ang unang Quanergy solid-state lidar ay magsisimulang i-install sa isang production na Fisker EMotion electric vehicle na may hanay na hanggang 640 km sa isang charge.

Ang pagpapalabas ng kotse na ito ay napakamahal pa rin - $130,000, at pinlano para sa 2019.

Ngunit ang napakalaking hitsura ng mga unmanned na sasakyan na gumagamit ng solid-state na lidar na teknolohiya ay inaasahan sa 2020-2023. Ito ay pinaniniwalaan na sa oras na ito halos bawat pangunahing automaker ay magkakaroon ng hindi bababa sa isang autonomous na modelo ng sasakyan. At kahit na sa una, malamang, ang mga mamahaling at mamahaling modelo ay bibigyan ng awtonomiya, sa lalong madaling panahon ang mga kotse sa badyet ay magagamit din dito.

Kung makakita ka ng error, mangyaring i-highlight ang isang piraso ng teksto at i-click Ctrl+Enter.

Ngayon, parami nang parami ang mga bagong teknolohiya ang ginagamit upang pag-aralan ang atmospera ng Earth, ang komposisyon ng gas nito, at ang paggalaw ng masa ng hangin. Isa sa mga ito ay ground-, air-, at space-based lidars.

Lidar(transliterasyon LIDAR Ingles liwanag Pagtuklas at Pagraranggo) - teknolohiya para sa pagkuha at pagproseso ng impormasyon tungkol sa malalayong bagay gamit ang mga aktibong optical system na gumagamit ng phenomena ng light reflection at scattering sa transparent at translucent media. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang lidar ay hindi gaanong naiiba sa isang radar: ang isang nakadirekta na sinag mula sa isang mapagkukunan ng radiation ay makikita mula sa mga target, bumalik sa pinagmulan at nakuha ng isang napaka-sensitive na receiver (sa kaso ng isang lidar, isang photosensitive semiconductor aparato); Ang oras ng pagtugon ay direktang proporsyonal sa distansya sa target. Unlike mga radio wave, na epektibong sumasalamin lamang mula sa sapat na malalaking metal na target, ang mga light wave ay napapailalim sa scattering sa anumang media, kabilang ang hangin, kaya posible hindi lamang upang matukoy ang distansya sa opaque (light reflecting) discrete target, ngunit din upang i-record ang intensity ng liwanag nakakalat sa transparent na media. Ang bumabalik na sinasalamin na signal ay dumadaan sa parehong scattering medium gaya ng beam mula sa pinagmulan at sumasailalim sa pangalawang scattering, samakatuwid, ang pagpapanumbalik ng aktwal na mga parameter ng isang distributed optical medium ay isang medyo kumplikadong gawain, na nalutas ng parehong analytical at heuristic na pamamaraan.

Ang karanasan ng mga bansa sa Kanluran ay nagpapatotoo sa matagumpay na paggamit nito hindi pa katagal na purong teknolohiyang militar sa pagsubaybay sa kapaligiran, kontrol sa trapiko ng hangin, atbp.

Noong 60-70s, ang mga lidar - mga tagahanap ng laser na tumatakbo sa nakikita o malapit-infrared na mga hanay ng wavelength - ay pangunahing ginagamit sa mga kagamitang militar. Ngayon sila ay matagumpay na ginagamit upang malutas ang maraming mga problema, halimbawa, upang masubaybayan ang estado ng kapaligiran, sukatin ang bilis ng hangin, atbp. Naka-install sa mga lugar ng paliparan, sinusukat ng mga lidar ang mga wind shift sa paliparan, vorticity ng paggising ng sasakyang panghimpapawid at iba pang mga parameter ng atmospera na kailangang malaman upang matiyak ang ligtas na pag-alis at paglapag. Ang mga magagandang resulta ay nakukuha sa pamamagitan ng paggamit ng mga naturang sistema para sa saklaw ng pagsukat, bilis ng Doppler at kapag bumubuo ng mga larawan ng mga bagay na matatagpuan sa paliparan. Kaya, ang isa sa mga lidar na ginawa ng kumpanya ng Aleman na DLR ay naka-install sa paliparan ng Frankfurt sa pagitan ng dalawang runway na matatagpuan malapit sa isa't isa. Sinusukat nito ang bilis ng air wake vortices mula sa mga makina ng isang sasakyang panghimpapawid na papalapit sa isang runway, gayundin ang paggalaw ng hangin sa isa pang runway na dulot ng paglapit nito. Ang naturang impormasyon ay ginamit ng air traffic control upang matiyak na ligtas na nakarating ang sasakyang panghimpapawid sa dalawang runway. Ang isang compact, matatag na laser Doppler velocity meter na may conical scan, na binuo ng British company na DRA Malvern, ay naka-install sa buong England. Ang impormasyon sa bilis ng hangin na nakuha mula sa mga device na ito ay lubos na nakakadagdag sa data ng weather balloon. Noong 1994-1995, sinubukan ang isang laser speed meter sa Heathrow Airport (London). Sa iba pang mga gawain, kinailangan niyang matukoy ang vortex wakes mula sa isang makina ng sasakyang panghimpapawid at ang kanilang pagkalat sa pamamagitan ng hangin sa airfield sa taas na 30-150 metro. Ito ay kagiliw-giliw na tandaan na sa panahon ng mga pagsubok ay natuklasan ang isang hindi inaasahang epekto - ang pagbabalik ng air vortex na may halos orihinal na kapangyarihan nito sa lugar ng glide path na humigit-kumulang 70 segundo pagkatapos lumipas ang sasakyang panghimpapawid. Ang isang pulsed coherent carbon dioxide lidar mula sa French company na Laboratoire de Meteorologie Dynamique (LMD) ay ginagamit upang sukatin ang mga parameter ng atmospera at bilis ng hangin. Ang hanay ng aparato sa pahalang na direksyon ay humigit-kumulang 12 kilometro, sa patayong direksyon - hanggang sa tropopause. Ang batayan ng kagamitan ng lidar ay isang pulsed CO2 laser na may transverse pumping, single-mode radiation at isang wavelength na 10.6 μm. Ang isang 17 cm off-axis Cassegrain telescope ay ginagamit upang palawakin ang beam. Ang sinag ay kinokontrol gamit ang isang dalawang-mirror scanner. Ang sinasalamin na signal ay kinokolekta ng parehong teleskopyo at na-convert ng isang lokal na oscillator. Ang frequency shift ay 30 MHz. Ang natanggap na signal ay na-digitize ng isang eight-bit oscilloscope na may sampling frequency na 100 MHz. Ang isang computer ay ginagamit upang mag-imbak ng data. Ang mataas na katumpakan sa pagsukat ng maliliit na Doppler frequency shift ay ibinibigay ng Doppler lidar na binuo sa Atmospheric Research Laboratory ng NASA, na gumagamit ng edge effect. Sa device, ang laser radiation frequency ay pinili sa gilid ng passband ng isang optical filter na may mataas na spectral resolution. Sa kasong ito, ang maliit na frequency shift ay makabuluhang nagbabago sa amplitude ng sinusukat na signal. Ang mga pagbabago sa dalas ng Doppler ng signal na dulot ng paggalaw ng hangin ay tinutukoy ng pagkakaiba sa dalas ng radiation at ang dalas ng natanggap na signal na makikita mula sa atmospera. Gumagamit ang lidar ng pulsed solid-state neodymium-doped yttrium aluminum garnet laser (Nd:YAG laser). Ang emission wavelength ay 1064 nm, ang tagal ng pulso ay 15 ns, ang bandwidth ay 40 MHz. Ang mga sinasalamin na signal ay kinokolekta ng isang teleskopyo na may diameter na 0.4 m at isang field ng view na 0.2 mrad. Binibigyang-daan ka ng scanning optics na idirekta ang beam sa isang sektor mula 30 hanggang 120° sa elevation at mula 0 hanggang 360° sa azimuth. Ang pag-install ng lidar ay pumasa sa mga pagsubok sa field, kung saan ang mga pagbabago ng hangin ay sinusukat sa mga taas mula 200 hanggang 2000 metro. Ang pagitan ng vertical na pagsukat ay 22-26 metro. Ang mga sukat ng bilis ng hangin ay inihambing sa data ng weather balloon. Ang pagkakaiba ay hindi lalampas sa 1 m/s, at ang pagkalat ng mga resulta sa 10 mga sukat ay naging mas mababa sa 0.4 m/s. Ang mga espesyalista mula sa Laboratory of Atmospheric Research ay nagpapansin na ang ganitong mataas na katumpakan ng mga sukat ay nagbibigay ng mga natatanging pagkakataon para sa pag-aaral ng mga magulong proseso sa mas mababang mga layer ng atmospera. Bilang karagdagan sa siyentipikong pananaliksik, ang aparato ay maaaring matagumpay na magamit para sa mataas na katumpakan na mga sukat ng wind shears at microturbulence sa lugar ng mga paliparan. Sa mga nakalipas na taon, nagkaroon ng lumalaking interes sa mga siyentipiko sa pag-aaral ng komposisyon ng gas ng kapaligiran ng Earth. Ang kanilang atensyon ay partikular na iginuhit sa ozone bilang ang pinakamahalagang reaktibong gas. Ang Ozone, na matatagpuan sa stratosphere, ay nagpoprotekta sa biosphere ng Earth mula sa mga nakakapinsalang epekto ng ultraviolet radiation mula sa Araw. Kasabay nito, ang mataas na konsentrasyon ng ozone sa troposphere ay nag-aambag sa pagbuo ng epekto ng greenhouse at pagbuo ng photochemical smog, na negatibong nakakaapekto sa flora at fauna ng planeta, pati na rin ang kalusugan ng tao. Tulad ng ipinapakita ng mga obserbasyon, mula noong simula ng 70s, bawat 10 taon ang konsentrasyon ng ozone sa troposphere ay tumaas ng humigit-kumulang 10% at bumaba ng parehong halaga sa mas mababang mga layer ng stratosphere. Ipinapahiwatig nito ang labis na kahalagahan ng isang masusing pag-aaral ng mga prosesong ito. Ang mataas na katumpakan ng mga sukat ng ozone concentration sa troposphere ay ibinibigay ng differential absorption lidars - ground-based o inilagay sa sasakyang panghimpapawid. Sinusuri nila ang espasyo gamit ang dalawang beam sa magkaibang frequency, na naiibang hinihigop ng ozone. Ang konsentrasyon ng ozone sa espasyo ay kinakalkula mula sa pagkakaiba sa mga amplitude ng dalawang sinasalamin na signal na pinaghihiwalay sa oras, na kinokolekta ng isa o higit pang mga teleskopyo. Sa ganitong mga lidar, ito ay lalong mahalaga upang tama ang pagpili ng mga frequency ng radiation, na, bilang karagdagan sa iba't ibang pagsipsip sa ozone, ay dapat na may kaunting molekular at partikular na pagsipsip. Ang isang ground-based na differential absorption lidar na may saklaw ng pag-scan ng mga frequency ng laser radiation mula 286 hanggang 292 nm ay nilikha ng mga espesyalista mula sa National Oceanic and Atmospheric Research Laboratory at ng Institute for Environmental Studies (USA, Colorado). Dahil ang mga katangian ng radiation ay apektado ng estado ng kapaligiran, sa partikular na cloudiness, ang lidar ay na-install sa isang altitude na 2.7 kilometro sa itaas ng antas ng dagat. Kasama sa setup ang dalawang magkaparehong dye laser, na nabomba ng isang Nd:YAG laser. Ang mga laser ay nasasabik nang sunud-sunod na may pagitan na 400 μs. Ang mga signal ay nakita ng dalawang autonomous system, na na-optimize para sa pagtanggap ng mga signal mula sa iba't ibang taas, at pagkatapos ng pagproseso sa mga espesyal na filter ay ipinadala sila sa mga photomultiplier tubes. Sa panahon ng pagsubok, ang lidar ay patuloy na nagpapatakbo ng higit sa isang araw, at ang paglihis ng wavelength ng radiation ay hindi lalampas sa 0.01 nm. Ang mga pag-aaral ay isinagawa sa mga altitude mula sa apat na kilometro sa ibabaw ng antas ng dagat hanggang sa antas ng mas mababang stratosphere (humigit-kumulang 12 kilometro). Ang hakbang sa pagsukat ng taas ay wala pang isang kilometro. Ang katumpakan ng pagtukoy ng konsentrasyon ng ozone sa troposphere sa malinaw na panahon para sa pag-install na ito ay naging hindi mas masahol pa kaysa sa 10%. Ang Lidar ay gumagana mula noong 1993. Kamakailan, ang mga pag-install ng lidar ay lalong ini-install sa sasakyang panghimpapawid upang makita ang mga daloy ng hangin at sukatin ang kanilang bilis, matukoy ang tunay na bilis ng hangin ng sasakyang panghimpapawid at iba pang mga parameter. Bilang karagdagan, ang mga airborne lidar ay ginagamit sa pagsubaybay sa lupain at mga sistema ng babala sa balakid. Isa sa mga unang sistema ng laser na nakabatay sa sasakyang panghimpapawid ay ang LATAS (Laser True Airspeed System) true airspeed measurement system na ginawa ng kumpanyang Ingles na Royal Signals and Radar Establishment (RSRE). Sa isang modernong bersyon, ang sistemang ito ay ginagamit pa rin hanggang ngayon. Ang LATAS ay matatagpuan sa ilong ng sasakyang panghimpapawid. Kabilang dito ang carbon dioxide laser na may output power na 4 W, polarizing optics sa quarter-at half-wave plates, at isang cadmium-mercury telluride detector na may 100 MHz bandwidth. Upang sukatin ang bilis ng hangin, ang lidar ay nakatuon sa layo na 30-100 m sa harap ng ilong ng sasakyang panghimpapawid, upang sukatin ang paggugupit ng hangin - sa 250-300 m. Ang katumpakan ng pagsukat ng bilis ay 0.2 m / s. Maraming sasakyang panghimpapawid, lalo na ang Caravel transport aircraft, Mirage fighter, at Puma helicopters, ay nilagyan ng Crouzet Doppler lidar na ginawa ng French company na Crouzet SA. Ito ay batay sa isang CO2 laser na nagpapalabas ng tuloy-tuloy na signal na may output power na 3 W, isang diode detector na may 200 MHz bandwidth na gawa sa cadmium at mercury telluride, isang polarizing wave plate at isang Brewster plate. Ang lokal na dalas ng oscillator ay nakatakda kapag ang sinag ay dumaan nang dalawang beses sa Bragg cell. Gumagamit ang system ng Dalla-Kirham telescope na may epektibong aperture na 7.5 cm. Ang mga natanggap na signal ay pinoproseso ng isang SAW spectrum analyzer. Ang Doppler velocity measurement interval ay –25 ...+400 m/s, at ang measurement range ay 10-100 m. Ang kabuuang bigat ng Crouzet system ay humigit-kumulang 250 kg. Sa kahilingan ng mga pamahalaan ng France at Great Britain, ang isang consortium ng Dassault Electronique (France) at GEC Marconi (UK) ay bumubuo ng isang magkakaugnay na laser aircraft locator na CLARA (Coherent Laser Airborn Radar), na tumatakbo sa hanay ng 10 microns. Ang sistema ay idinisenyo upang magbigay ng babala sa balakid, pagsubaybay sa lupain, at pagsukat ng bilis ng hangin ng sasakyang panghimpapawid at gabay sa target. Ang kagamitan, kabilang ang CO2 laser, scanner, signal at data processor, ay inilalagay sa isang lalagyan sa ilalim ng fuselage. Ang pagtuklas, pag-uuri at pagpapakita ng mga bagay ay isinasagawa sa real time. Ang CLARA system ay nasubok sa sakay ng A6-E, HS748 at Tornado aircraft. Ang Doppler lidar para sa pagsukat ng bilis ng hangin WIND (Wind Infrared Doppler Lidar) ay binuo ng mga kumpanyang Pranses na CNRS at CNES at sa pakikipagtulungan sa German DLR. Ang sistema ay batay sa isang transversely pumped carbon dioxide laser, na bumubuo ng single-mode radiation. Ang laser ay may output na tumutugma sa optika na may Gaussian reflectivity, na ginagawang posible na ihiwalay ang kapaki-pakinabang na signal laban sa background ng mga high-order transverse mode, pati na rin laban sa background ng mga echo signal mula sa mga target na may mataas na reflectivity. Gumagamit ang system ng Dalla-Kirham telescope na may offset axis (libreng diameter ng aperture - 20 cm, aperture expansion factor - 15). Ang haba ng focal ay nababagay mula 200 m hanggang sa pinakamataas na halaga. Ang mga pagsubok sa paglipad ng lidar ay naganap sa isang sasakyang panghimpapawid ng Falcon 20 (Larawan 1). Sa panahon ng mga pagsubok, ang conical scanning ay isinagawa sa isang sektor na 30° mula sa nadir. Ang panahon ng pag-scan ay 20 o 30 segundo, ang rate ng pag-uulit ng pulso ng laser ay 4 o 10 Hz. Ang mahusay na pagganap ay nakuha sa isang average na enerhiya ng pag-iilaw na 360 mJ at isang rate ng pag-uulit na 4 Hz. Ang on-board lidar installation, na binuo ng mga espesyalista mula sa Laboratory na pinangalanan. Wright brothers US Air Force. Ang sistema ay idinisenyo para sa tatlong-dimensional na pagsukat ng pamamahagi ng bilis ng hangin sa taas (profile ng hangin) nang real time. Ang ganitong impormasyon ay mahalaga para sa pagtaas ng katumpakan ng paglapag at pagbaba ng mga kargamento mula sa isang sasakyang panghimpapawid, pagtaas ng posibilidad na matamaan ang isang target sa panahon ng pagpapaputok ng missile at artilerya. Ang signal na ibinubuga ng laser ay makikita mula sa mga particle ng alikabok at air aerosol na gumagalaw sa hangin. Ang bilis ng hangin ay natutukoy sa pamamagitan ng pagsukat ng Doppler shifts ng mga signal na makikita mula sa mga particle na ito. Ang pag-scan ng laser beam ay conical, na nagpapahintulot sa mga sukat sa iba't ibang direksyon. Ang paglalagay ng lidar sa cargo compartment ng sasakyang panghimpapawid ay ipinapakita sa Fig. 2. Ang pagsukat sa profile ng hangin gamit ang sistemang ito ay naging posible upang madagdagan ang katumpakan ng landing sa panahon ng landing ng 2-10 beses. Ang mga lidar na nakabase sa kalawakan ay nag-aalok ng malawak na pagkakataon para sa pag-aaral ng atmospera ng Earth at pagsasagawa ng iba't ibang meteorological at climatological na pag-aaral. Nakamit ng mga espesyalista mula sa Longley Research Center (NASA) ang mahusay na tagumpay sa lugar na ito. Gumawa sila ng maraming ground-based at airborne lidar system upang pag-aralan ang atmospheric aerosol at water vapor, ulap, at ozone hole. Sa partikular, sa loob ng balangkas ng programang LITE (Lidar In-Space Technology Experiment), ang unang pag-install ng lidar sa mundo para sa pag-aaral ng Earth mula sa kalawakan ay binuo. Gamit ang pag-install ng LITE, pinag-aralan ang istraktura ng mga ulap, ang mga proseso ng pagbuo ng ulap, mga aerosol sa atmospera, kabilang ang mga pinagmulan ng anthropogenic, natukoy ang taas ng layer ng ibabaw ng atmospera, ang pahalang na pamamahagi ng temperatura at density ng Ang mga layer ng hangin ay sinusukat sa mga altitude mula 25 hanggang 40 km, at ang mga proseso ng pagmuni-muni ng laser radiation ay nasuri mula sa mga ibabaw ng lupa at dagat. Ang LITE ay may tradisyonal na direktang disenyo ng lidar ng pagtuklas: isang transmitting laser unit, isang optical alignment unit, at isang receiving unit. Ang transmitter ay isang Nd:YAG laser na binomba ng isang flash lamp. Para sa redundancy, dalawang magkaparehong quantum generator ang naka-install sa transmitting unit, kung saan isa lamang ang nasa kondisyon ng pagtatrabaho. Ang transmitter ay sabay-sabay na bumubuo ng radiation harmonics na may mga wavelength na 1064, 532 at 355 nm. Ang radiated power sa mga frequency na ito ay 470, 560 at 160 mJ, ayon sa pagkakabanggit. Ang optical alignment unit ay naglalaman ng umiikot na prism upang mapanatili ang optical alignment ng output laser beam at ang viewing angle ng receiver. Ang receiving unit ay may kasamang teleskopyo na may diameter na 1 m, optical signal transmission device at electronic pre-processing device. Ang isang dichroic splitter ay ginagamit upang paghiwalayin ang natanggap na signal sa tatlong bahagi ng dalas. Ang isang photomultiplier na lumalaban sa shock ay naka-install sa mga channel para sa pagproseso ng mga signal sa mga wavelength na 532 at 355 nm; isang silicon avalanche photodiode ay ginagamit para sa mga signal sa 1064 nm range. Kasama rin sa device ang mga narrow-band interference filter at isang aperture disk, na nagsisilbing muling pag-configure ng mga device kapag tumatakbo sa araw at gabi. Ang laki ng aperture sa araw ay 1.1 mrad, at ang aperture sa gabi ay 3.5 mrad. Pagkatapos dumaan sa mga photodetector at filter, ang mga signal ay pumapasok sa isang electronic amplifier at isang analog-to-digital converter (ADC). Ang bandwidth ng amplifier ay 2.1 MHz. ADC - 12-bit, na may dalas ng orasan na 10 MHz. Ang panahon ng strobe ng data ay 550 µs. Kasama rin sa mga elektronikong kagamitan sa pagpoproseso ang isang circuit ng risistor na matatagpuan pagkatapos ng unang yugto ng amplification. Ang circuit ay nagbibigay ng signal suppression sa loob ng 0-63 dB. Tinitiyak nito na ang isang malakas na signal na makikita mula sa makakapal na ulap o sa ibabaw ng Earth ay nananatili sa loob ng dynamic na hanay ng mga 12-bit na ADC. Ang mga pangunahing pagpapatakbo ng computational ay ginagawa ng isang high-speed signal processor. Ang bigat ng kagamitan ay 990 kg. Ang pagkonsumo ng kuryente sa operating mode ay 3.1 kW, sa standby mode - 560 W. Ang kapangyarihan ng laser radiation at pagkakaiba-iba ng sinag ay pinili sa paraang ang intensity ng laser beam sa ibabaw ng Earth ay makabuluhang mas mababa kaysa sa tinatanggap na mga pamantayan sa kalusugan. Ang data na nakolekta ng LITE space lidar ay ipinadala sa Earth sa dalawang stream: na may mababang (~20.8 kbit/s) at mataas (~2 Mbit/s) na transmission rate. Ang unang stream ay nai-broadcast sa pamamagitan ng S-band communication system, ang pangalawa sa pamamagitan ng telemetry communication system. Ayon sa mga eksperto, matagumpay ang mga pagsubok ng LITE lidars sa mga kondisyon ng kalawakan. Sa panahon ng eksperimento, isang malaking halaga ng lubos na tumpak na impormasyon ang nakolekta, batay sa kung saan nabuo ang isang pampublikong naa-access na database sa estado ng kapaligiran. Kinumpirma ng eksperimento ang posibilidad ng paggamit ng mga lidar sa mga pangmatagalang orbital flight. Inaasahan na ang mga bagong pag-unlad sa diode-pumped lasers ay magbabawas ng pagkonsumo ng kuryente, na magiging posible na mag-install ng mga lidar sa maliliit na satellite.

Ang mga laser lidar complex (LLC) ay idinisenyo din para sa pagpapatakbo ng malayuang pagsubaybay sa biyolohikal at kemikal na sitwasyon. Sinusubaybayan ng mga complex ang mga maanomalyang pagbabago sa kapaligiran na dulot ng pagkakaroon ng mga aerosol sa loob nito, pati na rin tinutukoy ang mga parameter ng paggalaw ng ulap. Ang mga complex ay isang automated na remote system para sa pagsubaybay sa pagpapatakbo ng sitwasyon sa kapaligiran sa mga sentrong pang-industriya at may kakayahang mabilis, awtomatikong makakita ng mga aksidente at magbigay ng suporta sa impormasyon para sa mga aksyon ng mga serbisyong pang-emergency na rescue.

Ang problema sa pagsubaybay sa technogenic pollution ng kapaligiran at lalo na sa atmospheric air ay kasalukuyang lubhang nauugnay kapwa sa aspetong pangkalikasan at kaugnay ng mga modernong problema sa kaligtasan ng publiko. Ginagawang posible ng mga teknolohiya para sa laser remote sensing ng kapaligiran sa atmospera na alisin ang mga disadvantage at limitasyon na likas sa mga tradisyunal na pamamaraan ng lokal na pagsubaybay: mababang nilalaman ng impormasyon, kahirapan sa pagbibigay ng malawak na lugar ng saklaw, mahabang oras ng pag-deploy ng mga lokal na network ng sensor, atbp. Ang paggamit ng mga mobile multifunctional remote laser sensing system—mga mobile lidar—ay tila lalong epektibo. Ang paglikha ng isang maliit na laki ng mobile lidar complex para sa pagsubaybay at pagtataya ng sitwasyon sa kapaligiran sa mga kritikal (mapanganib) na mga bagay at sa mga lugar ng posibleng pag-atake ng mga terorista ay magbibigay-daan sa:

matukoy ang mga konsentrasyon ng isang malawak na hanay ng mga sangkap sa mga distansya hanggang sa 8 km;

ipakita ang mga lugar ng kontaminasyon at mga quantitative na katangian ng sukat ng kontaminasyon sa isang mapa sa real time;

matukoy ang pagkalat ng makamandag na ulap;

hulaan ang pag-unlad ng mga sitwasyon sa mga kritikal na bagay;

subaybayan ang nilalaman ng mga mapanganib na sangkap sa atmospera at ipaalam sa pamamagitan ng alarma kung ang maximum na limitasyon sa konsentrasyon ay nalampasan o ang mga emisyon ay nakita sa mga kontroladong pasilidad o teritoryo.

Ang pag-scan ng sektor ng responsibilidad ay maaaring isagawa sa iba't ibang mga mode ng oras: tuloy-tuloy, pana-panahon at sa kahilingan ng operator (duty). Ginagawang posible ng pagsusuri ng laser na matukoy sa loob ng ilang minuto ang katotohanan ng isang maanomalyang paglabas, ang uri ng sangkap, ang intensity at direksyon ng pagpapalaganap nito. Kabilang sa mga tipikal na emergency chemical hazardous substances (HAS), ang sumusunod na listahan ng mga pollutant ay maaaring makilala, ang kontaminasyon ay interesado sa karamihan ng mga lugar na nangangailangan ng pinahusay na kontrol:

Ammonia - NH 4
Sulfur dioxide - SO 2
Nitrogen dioxide - NO 2
Hydrochloric acid - HCl
Mga produktong petrolyo.

Bilang karagdagan sa mga sangkap na nabanggit sa itaas, may mga banta ng mga aksidente sa mga partikular na pasilidad para sa produksyon, pag-iimbak at pagtatapon ng mga partikular na mapanganib na kemikal, gayundin ang mga hindi nakakalason na kemikal at mga ahente ng kemikal.

Ang paggamit ng napaka-sensitibo at binuo na mga pamamaraan ng lidar para sa sensing ng kapaligiran para sa pagkakaroon ng mga mapanganib na sangkap, tulad ng differential absorption (DIAL) at differential scattering (DISC), ay ginagawang posible upang masukat ang mga halaga ng konsentrasyon sa mga antas ng MPC ng pagtatrabaho at mga lugar ng tirahan. Upang maisagawa ang isang komprehensibong pagsusuri at pagtataya ng sitwasyon sa kapaligiran, kinakailangan na ang lahat ng nakuhang data ay pare-pareho sa espasyo, kapwa sa laki ng mga lugar ng saklaw at sa spatial na resolusyon, na naka-synchronize sa oras at may isang solong format.

Ang isang emergency na sitwasyon sa kapaligiran o isang pag-atake ng terorista ay sinamahan ng isang katangian na pagpapalabas ng aerosol. Aerosol lidar, na binuo batay sa isang eye-safe Er - laser o Nd:YAG - laser, tinutukoy ang pagkakaroon ng atmospheric aerosol at sinusukat ang konsentrasyon nito, bumubuo ng spatial distribution sa totoong oras at sinusuri ang pisikal na katangian nito. Para sa layuning ito, ang aerosol Milidar at polarization lidar ay pinagsama sa isang solong functional unit.

Ang isang nakikita at malapit-IR differential absorption lidar batay sa isang two-channel tunable pulsed sapphire-titanium laser ay malayuang sumusukat sa distribusyon ng mga konsentrasyon ng nitrogen oxides, sulfur oxides at isang malawak na hanay ng mga inorganic na air pollutant sa antas ng MPC.

Ang isang multispectral far-IR differential absorption lidar batay sa isang tunable pulsed CO 2 -TEA laser ay sumusukat sa concentration field ng isang malawak na klase ng mga organic substance, pati na rin ang ozone.

Ang pagsasama-sama ng aerosol at fluorescent lidar, pati na rin ang differential absorption lidars ng nakikita, UV, malapit at malayong infrared na hanay sa isang platform ay nagpapataas ng laki ng system sa isang lalagyan na maaaring magkasya sa isang carrier na may kapasidad na nagdadala ng ilang tonelada. Samakatuwid, ipinapayong hatiin ang mga gawain na itinalaga sa complex tulad ng sumusunod:

1. Detection ng aerosol emissions at tracking dynamics (aerosol lidar);

2. Detection ng aerosol emissions at pagkakakilanlan ng inorganic na mga mapanganib na substance (aerosol lidar, short-wave DIAL);

3. Pagtuklas ng mga emisyon ng aerosol at pagtukoy ng mga organikong mapanganib na sangkap at ahente ng kemikal (aerosol lidar, long-wave DIAL o passive infrared spectrometer).

Karagdagang impormasyon. Komposisyon at teknikal na katangian ng mga iminungkahing opsyon:

1. Ang pagtuklas ng mga bahagi ng aerosol ng emisyon ay maaaring matukoy gamit ang isang laser. Ang laser para sa aerosol channel ay maaaring itayo batay sa isang eye-safe erbium fiber emitter na may wavelength na 1.55 microns o isang neodymium glass laser na may wavelength na 1.064 microns. Ang mataas na rate ng pag-uulit ng pulso ay nagbibigay-daan sa pag-scan sa mataas na angular na bilis nang walang pagkawala ng angular na resolution, at ang maikling laser pulse ay nagbibigay ng mataas na spatial na resolusyon.

Pangunahing mga katangian ng pagganap ng complex

Parameter	Ibig sabihin
	hindi bababa sa 5 km
	hindi hihigit sa 0.5 m
Pagtingin sa mga Anggulo


	0.5 – 11 µm
	1.55 (1.064) µm
	hindi hihigit sa 130 s

Enerhiya ng pulso
Ang tagal ng pulso
Rate ng pag-uulit ng pulso
Diameter ng tumatanggap at nagpapadala ng teleskopyo
Timbang ng system	Mas mababa sa 1 t.

)* - na may awtomatikong pag-scan)** depende sa hakbang ng scanner at sa napiling sektor ng panonood

Bahagi ng kagamitan:

Turntable (single o dual mirror scanner)

Thermal stabilization system ng mga kumplikadong compartment

Wired at wireless na kagamitan sa paghahatid ng data

On-board na computer

Laser emitter ng aerosol lidar

Sistema ng pag-synchronize para sa mga kumplikadong subsystem

Teleskopyo ng transceiver

Mga tatanggap ng radiation

Analog electronic control at diagnostic unit

Digital electronic data processing unit

Autonomous na sistema ng supply ng kuryente

Sistema ng pagsubaybay sa video

2. Ang pagtuklas ng mga bahagi ng aerosol ng emission na may kakayahang tumukoy ng mga hindi organikong mapanganib na kemikal ay kinabibilangan ng paggamit, kasama ng isang aerosol lidar, ng isang differential absorption lidar sa UV, nakikita at malapit sa mga saklaw ng IR. Ang mga linya ng pagsipsip ng mga pangunahing mapanganib na kemikal ay nasa hanay ng pag-tune ng titanium sapphire laser, kaya para sa SO 2 ito ay 300.05 nm (On) at 299.51 nm (Off), para sa NO 2 – 448.25 nm (on) 446.83 nm (off) ).

Pangunahing mga katangian ng pagganap ng complex

Parameter

Ibig sabihin

Pinakamataas na saklaw ng pagsukat sa mode ng pag-scan

hindi bababa sa 8 km

Pinakamataas na saklaw ng pagsukat sa mode ng pagsukat

hindi bababa sa 3 km

Pinakamababang saklaw ng pagsukat sa mode ng pag-scan

hindi hihigit sa 0.5 m

Pagtingin sa mga Anggulo

Vertical na direksyon (elevation angle)*

Pahalang na direksyon (azimuth)*

Sukat ng mga nakitang aerosol

0.5 – 11 µm

Wavelength sa aerosol scanning mode

1.55 (1.064) µm

Oras ng pag-scan para sa napiling sektor**

hindi hihigit sa 130 s

Spatial na resolution sa scan mode

Enerhiya ng pulso

1 – 2 mJ (1.55 µm) 100 mJ (1.064 µm)

Ang tagal ng pulso

Rate ng pag-uulit ng pulso

Ti:Sph laser (2 pcs.)

Saklaw ng wavelength

350 – 480 nm 230 – 310 nm

Rate ng pag-uulit ng pulso

Enerhiya ng pulso L=450 nm L=300 nm

25 mJ 6 mJ

Timbang ng system

Ginagamit ang isang optical sensor - lidar (lidar mula sa Light Detection and Ranging, literal light detection at ranging). Ang sensor ay gumagamit ng mga electromagnetic wave sa infrared range, sa tulong kung saan ang distansya sa bagay (sasakyan) sa harap ay tinutukoy, pati na rin ang bilis nito. Maaaring gamitin ang Lidar upang makita ang mga particle ng kahalumigmigan sa kapaligiran at mga marka ng kalsada.

Sa mga tuntunin ng mga pag-andar nito, ang lidar ay nagsisilbing alternatibo sa automotive radar, kaya naman mayroon itong ibang pangalan laser radar. Ang mga bentahe ng lidar ay ang mas maliit na sukat nito (maaaring i-install kahit saan), mataas na angular na resolution (mga 180°), makabuluhang hanay (hanggang sa 250 m), at medyo mababang gastos. Ang mga infrared ray ay napatunayang ligtas para sa mata ng tao.

Kasabay nito, sensitibo ang laser radar sa mga pagbabago sa topograpiya ng kalsada (maaaring makita ang mga sinag mula sa ibabaw ng kalsada at i-distort ang impormasyon). Ang pagiging epektibo ng lidar ay bumababa sa masamang kondisyon ng panahon (ulan, niyebe, fog), pati na rin kapag ang sensor ay marumi.

Ang mga nangungunang tagagawa ng lidar ay Denso, Continental, Siemens, at Hella. Ginagamit ang laser radar sa adaptive cruise control system ng Nissan at Toyota, sa aktibong night vision system ng Mercedes-Benz, Toyota, at sa awtomatikong emergency braking system ng Volvo (City Safety system).

Upang mapataas ang kahusayan ng pagtuklas ng bagay, maaaring gamitin ang lidar kasabay ng radar o isang video camera ng kotse. Ang mga awtomatikong sistema ng kontrol ng sasakyan na binuo ay hindi rin magagawa nang walang lidar.

Lidar device

Kasama sa disenyo ng isang automotive lidar ang mga sumusunod na elemento: transmitter, modulator, receiver, optical element, amplifier, analog-to-digital converter at microprocessor.

Ang papel ng transmitter ay ginagampanan ng isang laser diode, na nagsisilbing magpadala ng infrared radiation. Ang infrared radiation ay modulated sa isang modulator, na nagbabago ng intensity nito kung kinakailangan. Depende sa uri ng modulasyon, ang tuluy-tuloy at pulsed lidars ay nakikilala. Ang modulasyon ng pulso ng infrared radiation ay mas advanced. Upang mapataas ang kahusayan sa pagsukat, ginagamit ang multi-pulse na teknolohiya (pagpapadala ng ilang mga pulso nang sabay-sabay).

Ang liwanag na pulso at pagkatapos ay ang mga reflection nito ay dumadaan sa optical element. Ang sinasalamin na pulso ay natatanggap ng isang photodiode, kung saan ito ay na-convert sa isang de-koryenteng signal. Susunod, ang signal ay pinalakas ng isang amplifier, na na-convert sa "digital" gamit ang isang ADC (analog-to-digital converter), at pagkatapos ay naproseso ng isang microprocessor.

Sa kabila ng mga pagkakaiba sa disenyo, ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng lidar ay katulad ng radar. Ang Lidar ay nagpapadala ng infrared na ilaw sa isang target. Ang liwanag ay bahagyang nasasalamin mula sa target at bahagyang nakakalat. Ang sinasalamin na pulso ay bumalik, kung saan ito ay nakikita ng isang photodiode. Ang kasalukuyang sa buong photodiode ay proporsyonal sa nakalantad na liwanag. Batay sa natanggap na digital signal, tinutukoy ng processor ang distansya sa sasakyan sa unahan at ang bilis nito.

Ang mataas na pahalang at patayong resolusyon ng lidar ay nakakamit sa pamamagitan ng pagsasaayos ng multi-beam transmitter, na nakakamit sa maraming paraan - gamit ang isang umiikot na salamin, na gumagalaw sa transmitter.

Mayo 22, 2017

Ngayon, ang teknolohiya ng light detection at ranging - LIDAR (Light Identification Detection and Ranging) ay nagiging popular na. Sinusundan ng aming mga eksperto ang pag-unlad ng industriya at naghanda ng pagsusuri ng isang artikulo na nakatuon sa teknolohiyang ito.

Ang mga teknolohiya ay makadagdag sa mga camera at radar sa mga autonomous na sasakyan

Ang mga ganap na autonomous na sasakyan sa hinaharap ay aasa sa kumbinasyon ng iba't ibang teknolohiya ng sensor - mga advanced na vision system, radar at light detection at ranging system (laser locator). Sa tatlo, ang laser locator ay ang pinakamahal na bahagi ng equation, at ang mga pagsisikap ay ginagawa sa buong mundo upang ibaba ang mga presyong iyon.

Ang mga mekanikal na laser locator ay magagamit na ngayon sa merkado at nagkakahalaga ng daan-daang dolyar. Ang mga bilang na ito ay kailangang bawasan upang ang malawakang paggamit ng mga laser locator ay mabigyang-katwiran sa flexible na industriya ng automotive.

Bilang karagdagan sa kadahilanan ng presyo, ang mga supplier ng laser locator ay dapat magpakita ng mataas na pagganap at pagiging maaasahan ng kanilang mga produkto. Para sa mga advanced na sistema ng tulong sa pagmamaneho at awtomatikong pagmamaneho, hindi sapat na magkaroon ng 99% na pagiging maaasahan. Sa kritikal (mula sa punto ng kaligtasan) na mga aspeto ng produksyon ng automotive, ang kagamitan ay dapat magpakita ng pagiging maaasahan ng "anim na siyam" - 99.9999%.

Ang kahalagahan ng advanced na teknolohiya sa transportasyon sa kalsada ay hindi maaaring labis na ipahayag. Ang iminungkahing $15.3 bilyon na deal ng Intel upang makuha ang Mobileye, isang Israeli computer vision vendor, ay isang magandang halimbawa nito. Ang chipmaker at Mobileye ay nakipagtulungan sa BMW noong nakaraang taon upang makipagtulungan sa autonomous na teknolohiya ng sasakyan.

Ang laser locator ay isang mahalagang bahagi ng teknolohiyang ito, at pinananatiling bukas ng mga mamumuhunan ang kanilang mga wallet para sa mga startup na nagtatrabaho sa teknolohiyang ito. Noong Marso 2017, nagbuhos ang mga mamumuhunan ng $10 milyon sa TetraVue, isang laser locator startup na nakabase sa Carlsbad, California. Kasama sa listahan ng mga mamumuhunan ang Foxconn, Nautilus Venture Partners, Robert Bosch Venture Capital at Samsung Catalyst Fund.

Ang Palo Alto, Calif.-based na self-driving car software startup Autonomic ay nakalikom ng humigit-kumulang $11 milyon mula sa Ford Motor at Social Capital. Apat sa mga co-founder ang dating nagtrabaho sa Pivotal Labs.

Mga puwersa sa pagmamaneho ng teknolohiya

Ang Technavio ay nagtataya ng CAGR para sa pandaigdigang automotive laser ranging sensor market na higit sa 34% hanggang 2020 (Larawan 1). Tinatantya ng market research firm na ang market ng laser locator ay nagkakahalaga ng $61.61 milyon noong 2015, na may pinakamalaking demand sa mga rehiyon ng European/Middle Eastern/African at sa Americas.

Noong Hunyo 2016, inilabas ng kumpanya sa publiko ang ulat na "Global Market para sa Automotive Laser Ranging Sensors 2016-2020", at ia-update ang ulat na ito sa ikatlong quarter ng taong ito.

"Ang teknolohiya ng laser ranging sa industriya ng automotive ay nakakaranas ng mabilis na ebolusyon, kapwa bilang resulta ng mga pagsulong ng teknolohiya at dinamika ng merkado.", - estado Siddharth Jaiswal, isa sa nangungunang automotive electronics research industry analyst ng Technavio.

Kabilang sa mga pangunahing pagpapaunlad na pinangalanan ng Technavio:

Bawasan ang gastos upang madagdagan ang sukat. Ang mga tagagawa ng laser locator ay nagsisikap na bawasan ang mga gastos sa system sa pamamagitan ng paggamit ng mahusay na mga pamamaraan sa pagproseso at, sa ilang mga kaso, sa pamamagitan ng pagpoposisyon ng mga produkto para sa bawat segment ng customer nang paisa-isa: "Ang presyo ng 64-beam Velodyne HDL-64E laser ranging unit, na ginagamit sa self-driving na kotse ng Google, ay nagkakahalaga ng $80,000," - nagpapahayag Jaiswal."Nag-aalok din ang Velodyne ng 32-beam at 16-beam laser ranging units na nagkakahalaga ng $40,000 at $8,000 ayon sa pagkakabanggit, na maaaring magamit sa mga mas cost-effective na proyekto. Inaasahan namin na susundan ng laser ranging technology ang mga yapak ng radar sa industriya ng automotive, kung saan ang presyo ay may mahalagang papel sa pagtanggap sa merkado. Samakatuwid, ang presyo ay isang pangunahing kadahilanan para sa mga manlalaro sa merkado.".
Compact na disenyo. Ang unang laser ranging sensor ni Velodyne, na inilabas noong 2005, ay napakalaki at mabigat (tumimbang ito ng humigit-kumulang 5 kilo) na kailangan itong matatagpuan sa bubong ng isang kotse. Ang sensor ngayon ay tumitimbang ng mas mababa sa isang kilo, at ang solid-state na bersyon ay sapat na maliit upang magkasya sa loob ng isang kotse.
Kumbinasyon ng mga sensor. Ang trend ng teknolohiya ng pagsasama-sama ng mga sensor ng imahe sa sensor ng laser ranging ay naging isang tanyag na paksa ng pananaliksik sa loob ng mahigit isang dekada. Ang output ay nagiging mas maaasahan kung ang kumbinasyon ay nagreresulta sa impormasyon mula sa isang sensor na nagkukumpirma ng impormasyon mula sa isa pang uri ng sensor. Gayunpaman, kung ang data mula sa isang sensor ay hindi sumasang-ayon sa data mula sa isa pa, ang system ay nagiging hindi maaasahan.
Paggamit ng mga laser locator sa labas ng mga sasakyan upang pamahalaan ang mga asset ng kalsada. Ang Road Assessment Condition Surveys (TRACS) ay ipinakilala sa trunk road network ng England noong 2000. Ang UK Roads Agency ay nagsasagawa ng mga regular na awtomatikong survey ng mga kondisyon ng highway pavement bilang bahagi ng pag-aaral ng TRACS. Ang laser locator ay ginagamit upang sukatin ang distansya sa sensor at maaaring magbigay ng data sa mga bagay na matatagpuan sa mas malaking distansya mula sa survey na sasakyan kaysa sa isang TRACS survey.

Larawan 1.
Pinagmulan: Technavio

"Ang laser locator ay nasa isang napaka-kumikitang posisyon sa mga autonomous na sensor sa pagmamaneho", sabi ni Jaiswal. "Ang 360-degree na mapa ay ang pangunahing pagkakaiba nito mula sa iba pang mga teknolohiya ng sensor, at ang kakayahang makita ang mga bagay kahit na walang liwanag ay natagpuan ang lugar nito sa mga OEM. Bilang karagdagan, ang isang malinaw na pagbaba sa presyo ng pinakamahal na bahagi ng isang self-driving na kotse, ang laser ranging sensor unit, ay malamang na hahantong sa pag-aampon ng automotive laser ranging sensors. Halimbawa, noong 2016, ipinakilala ni Velodyne ang bago nitong ULTRA Puck VLP-32A laser locator. Sinasabing ito ang pinakaabot-kayang laser radar na may kakayahang makamit ang Autonomous Driving Levels 1-5 gaya ng tinukoy ng SAE (Society of Automotive Engineers) at napaka-compact din kumpara sa mga nakaraang bersyon ng mga produkto ng industriya. Dahil sa solid-state na arkitektura nito, sapat na maliit ang sensor para mai-mount sa mga panlabas na rearview mirror, na may 3D sensing range na pinalawak hanggang 200 metro (656 talampakan). Itinakda ni Velodyne ang target na pagpepresyo sa mas mababa sa $300 bawat unit, na sa dami ng automotive scale ay isang makabuluhang pagbawas sa presyo mula sa $7,900 na presyo ng nakaraang compact laser locator unit.".

Bukod dito, ang laser locator ay maaaring mabuo gamit ang napatunayang mga teknolohiya ng proseso ng semiconductor, at ang solid-state na bersyon ay walang mga gumagalaw na bahagi.

"Ang laser locator ay itinuturing na isang pangunahing teknolohiya para sa tumpak na 3D na pagmamapa, pakiramdam ng sasakyan at nabigasyon.", - estado Pierre Cambu, Direktor ng Imaging sa Yole Developpement. “May kompetisyon sa performance at durability, gamit ang short-wave infrared (SWIR) diodes, avalanche photodiodes o single-photon avalanche photodiodes. Malaking pagsisikap din ang ginagawa upang mabawasan ang mga presyo. Ito ay pangunahing naglalayon sa paggawa ng laser locator semiconductor gamit ang mga kinokontrol na laser, MEMS micromirrors o detector arrays.".

Ngunit sinabi ni Kambu na mayroong iba't ibang mga diskarte sa autonomous na pagmamaneho, at ang laser locator ay hindi kinakailangan para sa bawat isa sa kanila. "Ang laser locator ay ang pangunahing kagamitan para sa mga unmanned na sasakyan, na mas gusto kong tawaging robotic na sasakyan. Sa hinaharap, magkakaroon ng maraming antas ng awtonomiya. Maaaring kailanganin ang laser locator para sa emergency braking sa mga urban na kapaligiran, malamang kasama ng radar at mga camera. Ang multimodal na pamamaraang ito ay malinaw na ngayong tinukoy. Walang nagtatanong.".

Lalago ang merkado ng laser locator habang bumababa ang mga presyo, mula $600 milyon ngayon hanggang $1.2 bilyon sa susunod na limang taon (Figure 2). "Mayroong tatlong entry point sa industriya ng sasakyan ngayon: $3,000, $300 at $30.", sinabi niya. "Ang mga camera ay kasalukuyang nasa $30 na antas ng presyo, at ang laser locator ay nasa $3,000 na antas ng presyo. Ang layunin ng mga tagagawa ng laser locator ngayon ay bawasan ang presyo at maabot ang $300 na layunin nang walang makabuluhang pagkawala ng pagganap. Ang mga naturang laser locator, malamang na batay sa solid-state approach, ay lilitaw sa merkado sa loob ng susunod na tatlong taon.".

Ito ay isang maliit na bahagi ng merkado ng vision sensor. "Ang pinagkasunduan dito ay ang mga natamo mula sa automotive radar at automotive vision ay halos pareho, ngunit ang pananaw ay 50% advanced driver assistance system (ADAS) at 50% parking assist," sabi ni Kambu. "Nakamit namin ang $1 bilyon sa mga benta ng automotive vision sensor noong 2016, na may CAGR na 24%. Ang mataas na dulo ay $7.3 bilyon sa kita ng automotive vision sensor sa 2021."

Figure 2.
Pinagmulan: Yole Development

Ano ang gumagana at kung ano ang hindi

Amin Kashi Sinabi ni , direktor ng advanced driver assistance at autonomous driving sa Mentor Graphics, isang subsidiary ng Siemens, na nagsimula ang interes sa laser radar mahigit isang dekada na ang nakalipas dahil sa mataas na halaga ng mga radar noong panahong iyon, na nagkakahalaga ng $500 bawat isa. Napakamahal noon ng mga laser locator, hanggang $260,000 bawat unit.

"Tatlong taon na ang nakalilipas, maraming kumpanya o mga startup ang nagsimulang maging interesado sa larangan ng mga laser locator at mamuhunan dito.", sabi ni Kashi. "Ang bawat pangunahing kumpanya ay biglang namumuhunan o bumili ng mga kumpanya ng laser locator.".

Kasama sa mga kumpanyang ito ang Continental at TRW. Dati nang nagtrabaho si Kashi para sa Quanergy Systems, na bumuo ng mechanical laser locator, at ngayon ay nagtatrabaho sa isang phased array laser locator. Ang Quanergy solid state laser locator ay nagbebenta ng $250 bawat isa.

Samantala, ang Mentor Graphics ay nagbibigay sa mga OEM at malalaking kumpanya ng hardware, software, at mga serbisyo sa disenyo sa industriya ng laser locator. "Nagbibigay din kami ng software sa pagpoproseso ng imahe na maaaring tumakbo sa kanilang mga sensor. Sa huli, ang lahat ng mga sensor ay dapat na konektado sa ilang paraan. Ang kailangan ay isang computing platform o system na kumukuha ng lahat ng iba't ibang impormasyong ito at ginagawa itong nauunawaan sa sistema ng paggawa ng desisyon. Doon nakasalalay ang aming interes.".

"Ang mga camera, laser locator, at radar ay umaakma sa isa't isa, na bumubuo sa mga pagkukulang ng bawat teknolohiya.", sinabi niya. "Ito ay kritikal dahil ang laser locator ay maaaring hindi gaanong epektibo sa fog, mababang ulap, sandstorm, malakas na ulan at malakas na snow."

"Mayroon pa ring pangangailangan para sa mga sensor ng napakataas na resolution na ginagamit sa mga autonomous na sasakyan.", sabi ni Amin Kashi. "Maraming kumpanya na nagtatrabaho sa teknolohiya ng laser ranging, maraming mga startup, at mayroon silang napaka-nakakahimok na mga konsepto. Ito ay magiging kawili-wiling upang makita kung ang kanilang landas sa komersyalisasyon ay matagumpay. Ang ilan sa mga ito ay ganap na hindi orihinal, ngunit ang pagpunta mula sa isang mahusay na konsepto sa isang automotive-grade sensor ay isang napakahirap na gawain. At nangangailangan ito ng malaking pamumuhunan.".

Ang mga paghahambing sa pagitan ng iba't ibang teknolohiya ng laser ranging ay hindi palaging tapat, at ang pagtaas ng kumpetisyon ay hindi nagpapadali sa kanila.

"Maraming mapanlinlang na impormasyon sa labas", - nagpapahayag Luai Eldada, CEO ng startup na Quanergy. “May mga taong gumagawa ng tradisyonal na mechanical laser locator: malaki, umiikot na mechanical laser locator na ginagamit sa mga helicopter, at tinatawag nila itong hybrid solid-state dahil hindi zero ang kanilang semiconductor content. Ito ay isang panloloko lamang."

Ang mga naturang produkto ay may isang maliit na chip sa isang produkto na kasing laki ng isang balde, sabi ni Eldada. "Sa industriya ng automotive, wala nang gumagamit ng mechanical laser locators. Kami ay tiwala na ang aming solid-state locator ay ang pinakakapana-panabik na pag-unlad sa lugar na ito."

Noong nakaraang taon, nakatanggap ang Quanergy ng $90 milyon sa ikalawang yugto ng pamumuhunan nito, na dinadala ang kabuuang pribadong pamumuhunan nito sa $150 milyon at pinapataas ang halaga ng kumpanya sa higit sa $1 bilyon. Ang Delphi Automotive, GP Capital, Motus Ventures, Samsung Ventures at Sensata Technologies ay gumawa ng mga pamumuhunan sa ikalawang investment round.

XenomatiX ay isa pang startup na dalubhasa sa mga solid-state na laser locator. "Nangunguna na ngayon ang mga startup sa mga pagpapaunlad na itinuturing na kinakailangan para sa autonomous na pagmamaneho.", - nakasaad Philip Guyens, executive director ng kumpanyang Belgian. "Ang ilang malalaking kumpanya ay gumagastos ng maraming pera at namumuhunan nang malaki upang makuha ang mga sensor at software na kailangan para sa autonomous na pagmamaneho. Karamihan sa mga kumpanyang ito, mula sa pananaw ng teknolohiya, ay gumagalaw sa parehong direksyon. Inaasahan naming lahat sila ay haharap sa malalaking hamon. Sa kabilang banda, kami ay gumagalaw sa ibang direksyon at gumagawa ng mga bagay na medyo naiiba. Naniniwala kami na ito ang pinakamahusay na paraan upang malampasan ang mga paghihirap.".

"Sinisikap ng XenomatiX na alisin ang disorientasyon sa sensing sa mga sistema ng laser radar dahil sa katotohanan na maraming system ang gumagamit ng direktang oras ng paglipad, na naglalabas ng isang sinag ng liwanag o isang flash ng liwanag.", - nakasaad Guyens. "Ang paraan na ginagamit namin ay ang magpadala ng libu-libong beam nang sabay-sabay. Medyo mahirap. Sinusunod din namin ang mga pag-iingat sa kaligtasan upang maprotektahan ang iyong mga mata. Ito ang pinakamahalagang kahirapan, na pareho para sa ating lahat. Naglalabas tayo ng maraming sinag nang sabay-sabay at ito ay nagpapahirap sa lahat. Sa kabilang banda, ginagawa nitong mas maaasahan ang system sa totoong mga kondisyon, kung saan gumagana ang ilang laser radar nang sabay-sabay."

Sinasabi ng ilang kumpanya na sapat na ang mga camera at radar para sa autonomous na pagmamaneho, ngunit hindi ito iniisip ni Guyens. Nagtatalo siya na ang pagmamaneho ng kotse ay nagaganap sa isang volumetric na mundo, at ang laser locator ay kailangang-kailangan para sa sensing sa lahat ng direksyon.

Pagkalito sa merkado

Isa sa malaking hamon sa industriya ay ang supply at demand sa pagitan ng mga OEM at nangungunang kumpanya. Inaasahan ng mga OEM na ibibigay ng mga nangungunang kumpanya ang mga advanced na teknolohiya na kailangan nila, habang ang mga nangungunang kumpanya ay nangangailangan ng mga napatunayang teknolohiya bago nila maipakilala ang mga ito sa mga OEM. Ayon sa maraming tagaloob ng industriya, ang mga supplier ng mga piyesa ng sasakyan ay hindi nais na magkaroon ng malalaking gastos sa R&D nang walang mga pangako sa dami ng pagbili ng OEM.

"Ang nakabinbing pagkuha ng Intel ng Mobileye ay isang malaking hakbang pasulong sa pagpapakilala ng mga high-tech na produkto sa industriya ng automotive.", - estado Guyens.

Ang kumpetisyon sa daan patungo sa mga self-driving na sasakyan at ang dami ng teknolohikal na pagbabago na kinakailangan upang makarating doon ay nagbabago sa ilan sa mga pamamaraang naunang ginawa.

"Sa puntong ito, ang laser ranging technology ay isang ganap na bagong pagsasanib ng mga teknolohiya.", - naniniwala Jean-Yves Deschenes, Presidente ng kumpanya ng Quebec na Phantom Intelligence. "Ang pagsasanib na ito ay hinihimok ng industriya ng automotive.".

Lima hanggang sampung taon na ang nakalilipas, ang laser locator ay pangunahing ginagamit para sa mga layuning pang-arkitektural, pagmamapa at militar. Ang mga bloke ay nagmumukhang napakalaki at malalaking device na may malaking bilang ng mga salamin.

"Maraming naghahanap ng solusyon", sinabi niya. “Sinusubukan na ngayon ng mga kamakailang pananaliksik at mga kumpanyang madalas nating naririnig na palitan ang mga salamin na ito. Ginagaya namin ang prinsipyo ng pag-scan ng isang laser locator sa pamamagitan ng paggamit ng MEMS mirrors at beam steering. Maraming mga paraan ng pagmamapa ang gumagalaw sa direksyong ito. Sa Phantom Intelligence naniniwala kami na ang solusyon ay nakasalalay sa paggamit ng flash laser radar. Ang isang flash laser locator ay mas katulad ng isang analogue ng isang 3D camera. Sa halip na isang makitid na sinag na unti-unting dumadaan sa larangan ng view upang buuin muli ang imahe, isang laser pulse ang kumikislap sa isang malaking lugar, at maraming mga pixel ang ginagamit upang buuin muli ang imahe.".

"Ang kawalan ng laser locator ay ang echo na bumabalik sa sensor", - napansin Deschenes, isang tagapagtaguyod ng tinatawag niyang "mas matalinong" pagpoproseso ng signal. Naniniwala siya na magkakaroon ng limang antas ng autonomous na pagmamaneho, na may ganap na autonomous na mga sasakyan na darating sa 2025 at magiging laganap sa 2030.

Tunay na estado ng mga pangyayari

Ang laser locator ay isang kilalang teknolohiya na sa wakas ay nakahanap ng isang kumikitang aplikasyon sa merkado.

"Ang mismong prinsipyo ng laser ranging, ang liwanag na ipinadala sa isang pulso at ang echo ng oras ng paglipad ay hindi gaanong nagbago", sabi ng isang source ng industriya. "Ang pisikal na prinsipyo ay hindi nagbago mula noong ito ay imbento, sa loob ng 40 taon. Ang mga pagbabago ay nag-aalala sa halip na ang mga bahagi at pagsasama ng system. Walang pagbabago sa pangunahing prinsipyo".

Nabanggit ng source na ang flash laser locator ay nasa pag-unlad sa nakalipas na limang taon, at sa panahong ito ay nakakuha ito ng pagkakatulad sa CMOS sensor. "Ang teknolohiya ng flash laser locator ay isang lugar na nangangailangan ng malapit na atensyon. Nagbibigay ito ng napakamurang solusyon, ngunit hindi mataas ang pagganap.".

Kevin Watson Hindi sumasang-ayon si , senior product development manager sa Microvision (Redmond, Washington). "Sa palagay ko hindi ito hahantong sa anumang mga resulta", sinabi niya tungkol sa flash laser locator. "Sa loob ng maraming taon, ang MEMS mirror-based laser scanners ay itinuturing na banal na grail ng laser locating device dahil ang mga ito ay hindi kapani-paniwalang maliit, medyo mura upang makagawa sa maraming dami, at napaka maaasahan. Dagdag pa, ang mga ito ay sapat na compact upang itago ang ilang piraso sa iyong sasakyan.".

Watson tinatawag ang laser locator na "ang pinakamahalagang sensor" sa automotive electronics. "Ang mga sistema ng paningin ay mahusay, ngunit sila ay ganap na pasibo, at ang laser locator ay aktibo". Ngunit ang laser locator ay mayroon ding mga limitasyon nito. Nakikilala ng radar ang isang pader at may mahabang hanay, na may kakayahang magtrabaho sa fog, ngunit ang laser ranging at vision ay maaaring malito. "Malayo pa ang pagkamit ng ikaapat na antas ng awtonomiya (nauna sa pinakamataas na antas)", - nakasaad Watson. “Hindi ito ipapatupad sa susunod na sampung taon. Ito ay isang napaka, napakaseryosong problema. Marami pa namang gagawin".