به عنوان یک مفهوم ، لیدار دهها سال است که وجود دارد. با این حال ، علاقه به این فناوری در سال های اخیر به شدت افزایش یافته است ، زیرا سنسورها کوچکتر ، پیچیده تر شده و دامنه محصولات با فناوری لیدار بیشتر و بیشتر در حال گسترش است.
کلمه لیدار ترجمه ای از LIDAR (تشخیص و محدوده نوری) است. این فناوری برای به دست آوردن و پردازش اطلاعات مربوط به اجسام دور با استفاده از سیستم های نوری فعال است که از پدیده های بازتاب و پراکندگی نور در محیط های شفاف و نیمه شفاف استفاده می کند. لیدار به عنوان یک دستگاه شبیه یک رادار است ، بنابراین کاربرد آن مشاهده و تشخیص است ، اما به جای امواج رادیویی ، مانند رادار ، از نور تولید شده در اکثر موارد توسط لیزر استفاده می کند. اصطلاح لیدار اغلب به جای لادار به کار می رود ، که مخفف عبارت laser detection and range است ، اگرچه جو باک ، سرپرست تحقیقات در Coherent Technologies ، بخشی از بخش سیستم های فضایی لاکهید مارتین ، می گوید که این دو مفهوم از نظر فنی متفاوت هستند. "وقتی به چیزی نگاه می کنید که ممکن است به عنوان یک جسم نرم در نظر گرفته شود ، مانند ذرات معلق یا یک ذرات معلق در هوا ، متخصصان تمایل دارند هنگام صحبت در مورد تشخیص این اجسام از لیدار استفاده کنند. وقتی به اجسام محکم و محکم مانند ماشین یا درخت نگاه می کنید ، تمایل دارید که به سمت عبارت لادار متمایل شوید. " برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد لیدار از نظر علمی ، بخش "Lidar: How It Works" را ببینید.
باک ادامه داد: "لیدار از دهه پیدایش در اوایل دهه 1960 مورد تحقیق چندین دهه بوده است." با این حال ، علاقه به آن از ابتدای این قرن به طور قابل توجهی افزایش یافته است ، اول از همه ، به دلیل پیشرفت تکنولوژیکی. او از دیافراگم مصنوعی به عنوان مثال استفاده کرد. هرچه تلسکوپ بزرگتر باشد ، وضوح جسم بیشتر می شود. اگر به وضوح بسیار بالا احتیاج دارید ، ممکن است یک سیستم نوری بسیار بزرگتر مورد نیاز باشد ، که ممکن است از نظر عملی چندان کاربردی نباشد. تصویربرداری از دیافراگم مصنوعی این مشکل را با استفاده از یک پلت فرم متحرک و پردازش سیگنال برای بدست آوردن یک دیافراگم واقعی که می تواند بسیار بزرگتر از دیافراگم فیزیکی باشد ، حل می کند. رادارهای دیافراگم مصنوعی (SAR) چندین دهه است که مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال ، در اوایل دهه 2000 بود که تظاهرات عملی تصویربرداری نوری مصنوعی با وجود این واقعیت که لیزرها در آن زمان به طور گسترده مورد استفاده قرار می گرفتند ، آغاز شد. "در حقیقت ، توسعه منابع نوری که دارای ثبات کافی در طیف وسیعی از تنظیمات باشند ، زمان بیشتری برد … بهبود مواد ، منابع نوری و آشکارسازها (مورد استفاده در لیدارها) همچنان ادامه دارد. اکنون نه تنها توانایی انجام این اندازه گیری ها را دارید ، بلکه می توانید آنها را در بلوک های کوچک انجام دهید و سیستم ها را از نظر اندازه ، وزن و مصرف برق کاربردی کنید."
همچنین جمع آوری داده ها از لیدار (یا اطلاعات جمع آوری شده توسط لیدار) آسان تر و عملی تر می شود. نیک روزنگارتن ، رئیس گروه محصولات بهره برداری فضایی در BAE Systems می گوید ، به طور سنتی ، این دستگاه از سنسورهای هواپیما مونتاژ شده است.با این حال ، امروزه ، سنسورها را می توان در وسایل نقلیه زمینی یا حتی در کوله پشتی نصب کرد ، که به معنی جمع آوری داده های انسانی است. روزنگارتن توضیح داد: "این مجموعه ای از امکانات را باز می کند ، اکنون می توان داده ها را در داخل و خارج جمع آوری کرد." مت موریس ، رئیس راه حل های فضایی در Textron Systems ، می گوید: "لیدار یک مجموعه داده واقعاً شگفت انگیز است زیرا جزئیات بیشتر را در سطح زمین ارائه می دهد. این تصویر بسیار دقیق تر و به اصطلاح رنگی تر از فناوری DTED (Digital Terrain Elevation Data) است که اطلاعاتی در مورد ارتفاع سطح زمین در نقاط خاص ارائه می دهد. شاید یکی از قوی ترین موارد استفاده ای که من از مشتریان نظامی ما شنیده ام ، سناریوی استقرار در زمین های ناآشنا باشد ، زیرا آنها باید بدانند که قرار است کجا بروند … برای بالا رفتن از پشت بام یا بالا رفتن از حصار. داده های DTED به شما اجازه نمی دهد این را ببینید. شما حتی ساختمان ها را نخواهید دید."
موریس خاطرنشان کرد که حتی برخی از داده های سنتی ارتفاع ارتفاع زمین به شما اجازه نمی دهد این ویژگی ها را مشاهده کنید. اما لیدار به شما امکان می دهد این کار را به دلیل "فاصله موقعیت" انجام دهید - اصطلاحی که فاصله بین موقعیت ها را توصیف می کند که می تواند به طور دقیق در آرایه داده نشان داده شود. در مورد لیدار ، "گام" را می توان به سانتی متر کاهش داد ، "بنابراین شما می توانید دقیقا ارتفاع سقف ساختمان یا ارتفاع دیوار یا ارتفاع درخت را بدانید. این واقعاً سطح آگاهی موقعیتی سه بعدی (سه بعدی) را افزایش می دهد. " علاوه بر این ، هزینه سنسورهای لیدار با اندازه آنها کاهش می یابد و مقرون به صرفه تر می شود. "ده سال پیش ، سیستم های حسگر لیدار بسیار بزرگ و بسیار گران بودند. آنها واقعاً مصرف برق بالایی داشتند. اما با پیشرفت آنها ، فناوری ها بهبود یافتند ، سیستم عامل ها بسیار کوچکتر شدند ، مصرف انرژی کاهش یافت و کیفیت داده های تولید شده افزایش یافت."
موریس گفت که استفاده اصلی از لیدار در زمینه نظامی در برنامه ریزی سه بعدی و آموزش ماموریت های رزمی است. به عنوان مثال ، محصول شبیه سازی پرواز Lidar Analyst شرکت او به کاربران امکان می دهد حجم زیادی از داده ها را گرفته و "به سرعت این مدل های سه بعدی را تولید کنند ، سپس می توانند ماموریت های خود را بسیار دقیق برنامه ریزی کنند." همین امر در مورد عملیات زمینی نیز صادق است. موریس توضیح داد: محصول ما برای برنامه ریزی مسیرهای ورود و خروج به منطقه مورد نظر استفاده می شود و از آنجا که داده های خام از وضوح بالایی برخوردار هستند ، می توان تجزیه و تحلیل بسیار دقیقی از وضعیت را در محدوده دید انجام داد.
Textron همراه با Lidar Analyst ، RemoteView ، یک نرم افزار تجزیه و تحلیل تصویر برای ارتش و سازمان های اطلاعاتی ایالات متحده را توسعه داده است. نرم افزار RemoteView می تواند از انواع منابع داده از جمله داده لیدار استفاده کند. BAE Systems همچنین نرم افزاری برای تجزیه و تحلیل فضایی ارائه می دهد ، محصول شاخص آن در اینجا SOCET GXP است که قابلیت های زیادی از جمله استفاده از داده های lid را ارائه می دهد. علاوه بر این ، روزنگرتن توضیح داد که این شرکت فناوری GXP Xplorer را توسعه داده است که یک برنامه مدیریت داده است. این فناوری ها برای کاربردهای نظامی کاملاً مناسب هستند. به عنوان مثال روزنگرتن به ابزاری برای محاسبه منطقه فرود هلیکوپتر اشاره کرد که بخشی از نرم افزار SOCET GXP است. این می تواند داده های لیدار را بگیرد و اطلاعاتی را در اختیار کاربران قرار دهد که ممکن است برای فرود هلیکوپتر کافی باشد. " به عنوان مثال ، اگر موانع عمودی مانند درختان وجود داشته باشد ، می تواند به آنها بگوید: "مردم می توانند از این ابزار برای شناسایی مناطقی استفاده کنند که ممکن است به عنوان نقطه تخلیه در بحران های بشردوستانه مناسب ترین باشد." روزنگرتن همچنین پتانسیل کاشی کاری را برجسته کرد ، جایی که مجموعه داده های چند لیدار از یک منطقه خاص جمع آوری شده و به هم چسبیده اند.این امر با افزایش وفاداری فوق داده های سنسور لیدار در ترکیب با نرم افزاری مانند برنامه SOCET GXP BAE Systems امکان پذیر است که می تواند فراداده ها را با استفاده از داده های زمین فضایی به مناطق دقیق روی زمین تبدیل کند. این فرایند بر اساس داده های لیدار است و بستگی به نحوه جمع آوری داده ها ندارد."
نحوه کار: lidar
لیدار با روشن کردن هدف با نور کار می کند. لیدار می تواند از نور در محدوده های مرئی ، فرابنفش یا مادون قرمز نزدیک استفاده کند. اصل عملکرد لیدار ساده است. جسم (سطح) با یک پالس نوری کوتاه روشن می شود ، زمان بازگشت سیگنال به منبع اندازه گیری می شود. لیدار پالس های کوتاه کوتاه تابش لیزر را بر روی یک جسم (سطح) با فرکانس حداکثر 150،000 پالس در ثانیه پرتاب می کند. یک سنسور روی دستگاه با فرض سرعت نور ثابت 299792 کیلومتر بر ثانیه ، بین انتقال پالس نور و بازتاب آن را اندازه گیری می کند. با اندازه گیری این فاصله زمانی ، می توان فاصله بین لیدار و قسمت جداگانه ای از شیء را محاسبه کرد و بنابراین ، تصویری از جسم بر اساس موقعیت آن نسبت به لیدار تهیه کرد.
برش باد
در همین حال ، باک به کاربردهای نظامی احتمالی فناوری WindTracer لاکهید مارتین اشاره کرد. فناوری تجاری WindTracer از لیدار برای اندازه گیری برش باد در فرودگاه ها استفاده می کند. همین فرایند را می توان در زمینه نظامی ، به عنوان مثال ، برای قطره های هوایی دقیق استفاده کرد. "شما باید منابع را از ارتفاع کافی رها کنید ، برای این کار آنها را روی پالت ها گذاشته و از چتر نجات می اندازید. حالا ببینیم کجا فرود می آیند؟ می توانید تلاش کنید و پیش بینی کنید که کجا می روند ، اما مشکل این است که با پایین آمدن ، برش باد در ارتفاعات مختلف تغییر جهت می دهد. " - و سپس چگونه پیش بینی می کنید که پالت در کجا فرود می آید؟ اگر می توانید باد را اندازه بگیرید و مسیر را بهینه کنید ، می توانید منابع را با دقت بسیار بالا تحویل دهید."
Lidar همچنین در وسایل نقلیه زمینی بدون سرنشین استفاده می شود. به عنوان مثال ، سازنده وسایل نقلیه زمینی اتوماتیک (AHA) ، Roboteam ، ابزاری به نام Top Layer ایجاد کرده است. این یک نقشه برداری سه بعدی و فناوری ناوبری مستقل است که از لیدار استفاده می کند. شهر ابوخازیرا ، رئیس Roboteam می گوید: Top Layer از لیدار به دو روش استفاده می کند. مورد اول امکان نقشه برداری به موقع از فضاهای بسته را فراهم می کند. ابوخازیرا افزود: "گاهی اوقات ویدئو در شرایط زیرزمینی ناکافی است ، به عنوان مثال ، ممکن است بسیار تاریک باشد یا دید به دلیل گرد و غبار یا دود بدتر شود." - قابلیت های لیدار به شما امکان می دهد از موقعیتی با جهت گیری صفر و درک محیط دور شوید … حالا او اتاق را نقشه می کشد ، تونل را ترسیم می کند. فوراً می توانید شرایط را درک کنید ، حتی اگر چیزی نمی بینید و حتی اگر نمی دانید کجا هستید."
دومین استفاده از لیدار ، خودمختاری آن است و به اپراتور کمک می کند در هر لحظه بیش از یک سیستم را کنترل کند. وی توضیح داد: "یک اپراتور می تواند یک AHA را کنترل کند ، اما دو AHA دیگر نیز وجود دارند که به سادگی یک وسیله نقلیه تحت کنترل انسان را ردیابی و دنبال می کنند." به همین ترتیب ، یک سرباز می تواند وارد محل شود و ANA به سادگی او را دنبال می کند ، یعنی برای کار با دستگاه نیازی به کنار گذاشتن سلاح نیست. "این کار را ساده و بصری می کند." AHA Probot بزرگتر Roboteam همچنین دارای لیدار است که می تواند مسافت های طولانی را طی کند. "شما نمی توانید یک اپراتور را مجبور کنید تا دکمه ای را برای سه روز متوالی فشار دهد … شما از یک سنسور لیدار برای دنبال کردن سربازها ، یا دنبال کردن ماشین ، یا حتی حرکت خودکار از نقطه ای به نقطه دیگر استفاده می کنید ، لیدار در از این موانع جلوگیری کنید. " ابوخازیرا انتظار دارد در آینده پیشرفت های بزرگی در این زمینه انجام شود.به عنوان مثال ، کاربران می خواستند موقعیتی داشته باشند که در آن یک انسان و یک اردوی ملی مانند دو سرباز در تعامل باشند. "شما کنترل یکدیگر را ندارید. شما به یکدیگر نگاه می کنید ، یکدیگر را صدا می زنید و دقیقاً همانطور که باید رفتار می کنید. من معتقدم که به یک معنا این سطح از ارتباط بین مردم و سیستم ها را به دست خواهیم آورد. کارآمدتر خواهد بود. من معتقدم لیدارها ما را به این سمت سوق می دهند."
بریم زیر زمین
ابوخازیرا همچنین امیدوار است سنسورهای لیدار عملیات در محیط های خطرناک زیرزمینی را بهبود بخشد. سنسورهای Lidar هنگام نقشه برداری از تونل ها اطلاعات بیشتری را ارائه می دهند. علاوه بر این ، او متوجه شد که گاهی اوقات در یک تونل کوچک و تاریک ، اپراتور حتی نمی تواند متوجه شود که AHA در مسیر اشتباه پیش می رود. سنسورهای Lidar مانند GPS در زمان واقعی عمل می کنند و این فرایند را شبیه یک بازی ویدیویی می کنند. شما می توانید سیستم خود را در تونل مشاهده کنید ، می دانید در کجا به کجا می روید.
شایان ذکر است که سنسورهای لیدار منبع دیگری از داده ها هستند و نباید آنها را جایگزین مستقیم رادار دانست. باک متوجه شد که تفاوت زیادی در طول موج بین این دو فناوری وجود دارد که مزایا و معایب خاص خود را دارند. اغلب بهترین راه حل استفاده از هر دو فناوری است ، به عنوان مثال ، اندازه گیری پارامترهای باد با یک ابر آئروسل. طول موجهای کوتاهتر سنسورهای نوری در مقایسه با طول موجهای بلندتر سنسور RF (رادار) تشخیص جهت بهتری را ارائه می دهند. با این حال ، خواص انتقال جو برای دو نوع سنسور بسیار متفاوت است. "این رادار قادر است از انواع خاصی از ابرها عبور کند که برخورد با یک لیدار برای آنها دشوار است. به عنوان مثال ، در مه ، لیدار می تواند کمی بهتر از رادار عمل کند."
روزنگرتن گفت ترکیب لیدار با سایر منابع نوری مانند داده های چند رنگ (هنگام تصویربرداری با استفاده از طیف وسیعی از طول موج های نور) تصویر کاملی از ناحیه مورد نظر را ارائه می دهد. یک مثال خوب در اینجا تعریف محل فرود هلیکوپتر است. لیدار می تواند منطقه ای را اسکن کند و بگوید که شیب آن صفر است ، صرف نظر از این که او واقعاً به دریاچه نگاه می کند. این نوع اطلاعات را می توان با استفاده از سایر منابع نوری به دست آورد. روزنگرتن معتقد است که این صنعت در نهایت با ترکیب فناوری ها ، منابع مختلف بصری و سایر داده های نوری را گرد هم می آورد. "راه هایی برای قرار دادن همه داده ها زیر یک چتر پیدا می کند … به دست آوردن اطلاعات دقیق و جامع فراتر از استفاده از داده های لیدار است ، اما یک کار پیچیده است که شامل همه فن آوری های موجود است."
