Ca concept, lidar există de zeci de ani. Cu toate acestea, interesul pentru această tehnologie a crescut brusc în ultimii ani, pe măsură ce senzorii devin mai mici, mai complexi, iar sfera produselor cu tehnologie lidar se extinde din ce în ce mai mult.
Cuvântul lidar este o transliterare a LIDAR (Light Detection and Ranging). Aceasta este o tehnologie pentru obținerea și procesarea informațiilor despre obiecte îndepărtate utilizând sisteme optice active care utilizează fenomenele de reflexie și împrăștiere a luminii în medii transparente și semitransparente. Lidar ca dispozitiv este similar cu un radar, prin urmare aplicația sa este observarea și detectarea, dar în loc de unde radio, ca într-un radar, folosește lumina generată în majoritatea covârșitoare a cazurilor de către un laser. Termenul lidar este adesea folosit interschimbabil cu Ladar, care înseamnă detectarea și variația cu laser, deși Joe Buck, șef de cercetare la Coherent Technologies, care face parte din divizia de sisteme spațiale a lui Lockheed Martin, spune că cele două concepte sunt din punct de vedere tehnic diferite. „Când te uiți la ceva care ar putea fi considerat un obiect moale, cum ar fi particulele sau un aerosol în aer, experții tind să folosească lidar atunci când vorbesc despre detectarea acelor obiecte. Când te uiți la obiecte solide, solide, cum ar fi o mașină sau un copac, atunci ai tendința să te apleci spre termenul Ladar. Pentru mai multe informații despre lidar din punct de vedere științific, consultați secțiunea „Lidar: Cum funcționează”.
„Lidar a făcut obiectul cercetării timp de mai multe decenii de la înființarea sa la începutul anilor 1960”, a continuat Buck. Cu toate acestea, interesul pentru acesta a crescut considerabil de la începutul acestui secol, datorită, în primul rând, progresului tehnologic. El a folosit ca exemplu redarea sintetică a diafragmei. Cu cât telescopul este mai mare, cu atât rezoluția obiectului poate fi mai mare. Dacă aveți nevoie de o rezoluție extrem de ridicată, atunci poate fi necesar un sistem optic mult mai mare, care poate să nu fie foarte practic din punct de vedere practic. Imaginea sintetică a diafragmei rezolvă această problemă utilizând o platformă în mișcare și procesarea semnalului pentru a obține o diafragmă reală care poate fi mult mai mare decât diafragma fizică. Radarele cu diafragmă sintetică (SAR) sunt utilizate de mai multe decenii. Cu toate acestea, abia la începutul anilor 2000 au început demonstrațiile practice ale imaginii optice cu diafragmă sintetică, în ciuda faptului că laserele erau deja utilizate pe scară largă la acea vreme. „De fapt, a fost nevoie de mai mult timp pentru a dezvolta surse optice care să aibă o stabilitate suficientă pe o gamă largă de ajustări … Îmbunătățirea materialelor, a surselor de lumină și a detectoarelor (utilizate în lidare) continuă. Acum nu numai că aveți capacitatea de a lua aceste măsurători, dar le puteți face în blocuri mici, făcând sistemele practice în ceea ce privește dimensiunea, greutatea și consumul de energie."
De asemenea, devine mai ușor și mai practic să colectați date din lidar (sau informații colectate de lidar). În mod tradițional, a fost asamblat din senzori pentru aeronave, spune Nick Rosengarten, șeful Grupului de produse pentru exploatare geospațială la BAE Systems. Cu toate acestea, astăzi, senzorii pot fi instalați în vehicule terestre sau chiar în rucsacuri, ceea ce implică colectarea de date umane. „Acest lucru deschide o serie întreagă de posibilități, datele pot fi acum colectate atât în interior, cât și în exterior”, a explicat Rosengarten. Matt Morris, șeful Soluțiilor Geospațiale la Textron Systems, spune: „Lidarul este un set de date cu adevărat uimitor, deoarece oferă cele mai detaliate detalii de pe suprafața Pământului. Oferă o imagine mult mai detaliată și, ca să spunem așa, mai nuanțată decât tehnologia DTED (Digital Terrain Elevation Data), care oferă informații cu privire la înălțimea suprafeței pământului în anumite puncte. Poate că unul dintre cele mai puternice cazuri de utilizare pe care le-am auzit de la clienții noștri militari este scenariul de desfășurare pe teren necunoscut, deoarece trebuie să știe unde vor merge … să urce un acoperiș sau să urce un gard. Datele DTED nu vă permit să vedeți acest lucru. Nici măcar nu vei vedea clădirile.
Morris a menționat că nici unele date tradiționale de înaltă rezoluție ale terenului nu vă vor permite să vedeți aceste caracteristici. Dar lidarul vă permite să faceți acest lucru datorită „spațierii poziției” - un termen care descrie distanța dintre poziții care poate fi afișată cu precizie în matricea de date. În cazul unui lidar, „pasul” poate fi redus la centimetri, „astfel încât să puteți cunoaște exact înălțimea acoperișului unei clădiri sau înălțimea unui perete sau înălțimea unui copac. Acest lucru crește cu adevărat nivelul conștientizării situației tridimensionale (3D). " În plus, costul senzorilor lidar este în scădere, la fel ca și dimensiunea lor, ceea ce le face mai accesibile. „Acum zece ani, sistemele de senzori lidar erau foarte mari și foarte scumpe. Aveau într-adevăr un consum mare de energie. Dar pe măsură ce s-au dezvoltat, tehnologiile s-au îmbunătățit, platformele au devenit mult mai mici, consumul de energie a scăzut și calitatea datelor pe care le-au generat a crescut."
Morris a spus că principala utilizare a lidarului în domeniul militar este în planificarea 3D și pregătirea misiunilor de luptă. De exemplu, produsul de simulare a zborului Lidar Analyst al companiei sale permite utilizatorilor să preia cantități mari de date și să „genereze rapid aceste modele 3D, apoi își pot planifica misiunile foarte precis”. Același lucru este valabil și pentru operațiunile la sol. Morris a explicat: „Produsul nostru este folosit pentru a planifica rutele de intrare și ieșire către zona țintă și, deoarece datele brute sunt de înaltă rezoluție, este posibil să se efectueze analize foarte precise ale situației din linia vizuală”.
Alături de Lidar Analyst, Textron a dezvoltat RemoteView, un produs software de analiză a imaginii pentru agențiile militare și de informații din SUA. Software-ul RemoteView poate utiliza o varietate de surse de date, inclusiv date lidar. BAE Systems oferă, de asemenea, software pentru analize geospațiale, produsul său emblematic aici este SOCET GXP, care oferă multe capabilități, inclusiv utilizarea datelor lidar. În plus, Rosengarten a explicat că compania a dezvoltat tehnologia GXP Xplorer, care este o aplicație de gestionare a datelor. Aceste tehnologii sunt destul de potrivite pentru aplicații militare. Rosengarten, de exemplu, a menționat un instrument pentru calcularea zonei de aterizare a elicopterului care face parte din software-ul SOCET GXP. "Poate prelua date lidar și poate oferi utilizatorilor informații despre zonele de la sol care ar putea fi suficiente pentru aterizarea unui elicopter." De exemplu, el le poate spune dacă există obstacole verticale în cale, cum ar fi copacii: „Oamenii pot folosi acest instrument pentru a identifica zonele care ar putea fi cele mai potrivite ca punct de evacuare în timpul crizelor umanitare”. Rosengarten a subliniat, de asemenea, potențialul placării, unde mai multe seturi de date lidar sunt colectate dintr-o anumită zonă și cusute împreună. Acest lucru este posibil prin „fidelitatea sporită a metadatelor senzorului lidar în combinație cu software cum ar fi aplicația BAET Systems SOCET GXP, care poate transforma metadatele în zone precise de la sol, calculate folosind date geospațiale. Procesul se bazează pe date lidar și nu depinde de modul în care sunt colectate datele."
Cum funcționează: lidar
Lidar funcționează iluminând ținta cu lumină. Lidarul poate folosi lumina în intervalele vizibile, ultraviolete sau în apropierea infraroșu. Principiul de funcționare al lidarului este simplu. Obiectul (suprafața) este iluminat cu un impuls de lumină scurt, se măsoară timpul după care semnalul revine la sursă. Lidar lansează impulsuri rapide scurte de radiație laser pe un obiect (suprafață) cu o frecvență de până la 150.000 de impulsuri pe secundă. Un senzor de pe dispozitiv măsoară timpul dintre transmisia unui impuls luminos și reflectarea acestuia, presupunând o viteză constantă a luminii de 299792 km / s. Măsurând acest interval de timp, este posibil să se calculeze distanța dintre lidar și o parte separată a obiectului și, prin urmare, să se construiască o imagine a obiectului pe baza poziției sale față de lidar.
Foarfeca vântului
Între timp, Buck a arătat posibile aplicații militare ale tehnologiei WindTracer a lui Lockheed Martin. Tehnologia comercială WindTracer folosește lidar pentru a măsura forfecarea vântului în aeroporturi. Același proces poate fi utilizat și în domeniul militar, de exemplu, pentru picăturile de precizie. „Trebuie să renunțați la provizii de la o altitudine suficient de mare, pentru aceasta le puneți pe paleți și le aruncați dintr-o parașută. Acum să vedem unde aterizează? Puteți încerca și prezice unde vor merge, dar problema este că, pe măsură ce coborâți, forfecarea vântului schimbă direcția la diferite altitudini”, a explicat el. - Și atunci cum preziceți unde va ateriza paletul? Dacă puteți măsura vântul și optimiza traiectoria, atunci puteți livra consumabile cu o precizie foarte mare.”
Lidar este, de asemenea, utilizat în vehiculele terestre fără pilot. De exemplu, producătorul de vehicule terestre automate (AHA), Roboteam, a creat un instrument numit Top Layer. Este o tehnologie de cartografiere 3D și de navigație autonomă care folosește lidar. Top Layer folosește lidarul în două moduri, spune Shahar Abukhazira, șeful Roboteam. Primul permite cartarea în timp real a spațiilor închise. „Uneori videoclipul este insuficient în condiții subterane, de exemplu, poate fi prea întunecat sau vizibilitatea sa deteriorat din cauza prafului sau a fumului”, a adăugat Abukhazira. - Capacitățile Lidar vă permit să scăpați de o situație cu orientare zero și înțelegere a mediului înconjurător … acum mapează camera, mapează tunelul. Imediat poți înțelege situația, chiar dacă nu vezi nimic și chiar dacă nu știi unde ești."
A doua utilizare a lidar este autonomia sa, ajutând operatorul să controleze mai multe sisteme la un moment dat. „Un operator poate controla un AHA, dar există alte două AHA care pur și simplu urmăresc și urmează un vehicul controlat de om”, a explicat el. La fel, un soldat poate intra în incintă și ANA îl urmărește pur și simplu, adică nu este nevoie să lase deoparte armele pentru a opera aparatul. „Face treaba simplă și intuitivă.” Probotul mai mare AHA al Roboteam are, de asemenea, un lidar la bord pentru a-l ajuta să parcurgă distanțe mari. „Nu puteți solicita unui operator să apese un buton timp de trei zile la rând … folosiți un senzor lidar pentru a urmări pur și simplu soldații, sau pentru a urmări mașina sau chiar să vă deplasați automat dintr-un punct în altul, lidarul vă va ajuta în aceste situații. evita obstacolele. " Abukhazira se așteaptă la descoperiri majore în acest domeniu în viitor. De exemplu, utilizatorii doreau să aibă o situație în care un om și o ANA interacționează ca doi soldați. „Nu sunteți stăpâni unul pe celălalt. Vă priviți unul pe celălalt, vă chemați și acționați exact așa cum ar trebui. Cred că într-un anumit sens vom obține acest nivel de comunicare între oameni și sisteme. Va fi mai eficient. Cred că lidarii ne conduc în această direcție ".
Să intrăm în subteran
Abukhazira speră, de asemenea, că senzorii lidar vor îmbunătăți operațiunile în medii subterane periculoase. Senzorii lidar furnizează informații suplimentare la cartografierea tunelurilor. În plus, a observat că, uneori, într-un tunel mic și întunecat, operatorul nu poate chiar să-și dea seama că AHA conduce în direcția greșită. „Senzorii lidar funcționează ca GPS în timp real și fac ca procesul să se simtă ca un joc video. Îți poți vedea sistemul în tunel, știi unde mergi în timp real."
Este demn de remarcat faptul că senzorii lidar sunt o altă sursă de date și nu ar trebui să fie considerat un înlocuitor direct pentru radar. Buck a observat că există o mare diferență în lungimea de undă între cele două tehnologii, care au propriile avantaje și dezavantaje. Adesea cea mai bună soluție este utilizarea ambelor tehnologii, de exemplu, măsurarea parametrilor vântului cu un nor de aerosoli. Lungimile de undă mai mici ale senzorilor optici oferă o detecție direcțională mai bună în comparație cu lungimile de undă mai mari ale unui senzor RF (radar). Cu toate acestea, proprietățile de transmisie ale atmosferei sunt foarte diferite pentru cele două tipuri de senzori. „Radarul este capabil să treacă prin anumite tipuri de nori cu care un lidar ar fi dificil de tratat. Dar, în ceață, de exemplu, lidarul poate funcționa puțin mai bine decât radarul."
Rosengarten a spus că combinarea lidarului cu alte surse de lumină, cum ar fi date pancromatice (atunci când se utilizează imagini folosind o gamă largă de lungimi de undă ale luminii), va oferi o imagine completă a zonei de interes. Un bun exemplu aici este definiția unui loc de aterizare a elicopterului. Lidar poate scana o zonă și spune că are o pantă zero, indiferent de faptul că se uită de fapt la lac. Acest tip de informații pot fi obținute prin utilizarea altor surse de lumină. Rosengarten consideră că industria va combina în cele din urmă tehnologii, reunind diferite surse de date vizuale și alte date luminoase. "Va găsi modalități de a aduce toate datele sub o umbrelă … Obținerea de informații exacte și cuprinzătoare este mai mult decât simpla utilizare a datelor lidar, ci o sarcină complexă care implică toate tehnologiile disponibile."
