Lidar jako koncept existuje už desítky let. Zájem o tuto technologii však v posledních letech prudce roste, protože senzory jsou menší, složitější a rozsah produktů s lidarovou technologií se stále více rozšiřuje.
Slovo lidar je přepisem LIDAR (Light Detection and Ranging). Jedná se o technologii pro získávání a zpracování informací o vzdálených objektech pomocí aktivních optických systémů, které využívají jevy odrazu světla a rozptylu v průhledných a poloprůhledných médiích. Lidar jako zařízení je podobný radaru, proto je jeho aplikací pozorování a detekce, ale místo rádiových vln, jako v radaru, používá světlo generované v drtivé většině případů laserem. Termín lidar se často používá zaměnitelně s Ladarem, což znamená detekci a rozsah laserů, ačkoli Joe Buck, vedoucí výzkumu společnosti Coherent Technologies, která je součástí divize vesmírných systémů Lockheed Martin, říká, že tyto dva pojmy jsou z technického hlediska odlišné. "Když se podíváte na něco, co by mohlo být považováno za měkký předmět, například částice nebo aerosol ve vzduchu, odborníci obvykle používají lidar, když mluví o detekci těchto předmětů." Když se podíváte na pevné, pevné předměty jako auto nebo strom, pak máte sklon přiklonit se k výrazu Ladar. “Trochu více informací o lidaru z vědeckého hlediska naleznete v části „Lidar: Jak to funguje“.
"Lidar je předmětem výzkumu po mnoho desetiletí od svého vzniku na počátku 60. let," pokračoval Buck. Zájem o něj však od začátku tohoto století znatelně vzrostl, a to především díky technologickému pokroku. Jako příklad použil vykreslování syntetickou aperturou. Čím je dalekohled větší, tím lze dosáhnout vyššího rozlišení objektu. Pokud potřebujete extrémně vysoké rozlišení, pak může být zapotřebí mnohem větší optický systém, což z praktického hlediska nemusí být příliš praktické. Zobrazování syntetické clony řeší tento problém pomocí pohyblivé platformy a zpracování signálu k získání skutečné clony, která může být mnohem větší než fyzická clona. Radary se syntetickou aperturou (SAR) se používají již mnoho desetiletí. Praktické ukázky optického zobrazování se syntetickou aperturou však začaly až na počátku dvacátých let 20. století, a to navzdory skutečnosti, že v té době již byly široce používány lasery. "Ve skutečnosti to trvalo déle, než se vyvinul optický zdroj, který by měl dostatečnou stabilitu v celé řadě úprav … Vylepšení materiálů, světelných zdrojů a detektorů (používaných v lidarech) pokračuje." Nyní máte nejen možnost provádět tato měření, ale můžete je provádět i v malých blocích, díky čemuž jsou systémy praktické z hlediska velikosti, hmotnosti a spotřeby energie. “
Sběr dat z lidaru (nebo informací shromážděných lidarem) je také snazší a praktičtější. Tradičně byl sestaven ze snímačů letadel, říká Nick Rosengarten, vedoucí skupiny Geoprostorové těžby ve společnosti BAE Systems. Dnes však mohou být senzory instalovány do pozemních vozidel nebo dokonce do batohů, což znamená sběr lidských dat. "To otevírá celou řadu možností, data lze nyní sbírat uvnitř i venku," vysvětlil Rosengarten. Matt Morris, vedoucí geoprostorových řešení ve společnosti Textron Systems, říká: „Lidar je skutečně úžasný datový soubor, protože poskytuje nejpodrobnější detaily na zemském povrchu. Poskytuje mnohem podrobnější a takříkajíc barevnější obraz než technologie DTED (Digital Terrain Elevation Data), která poskytuje informace o výšce zemského povrchu v určitých bodech. Možná jeden z nejsilnějších případů použití, které jsem od našich vojenských zákazníků slyšel, je scénář nasazení v neznámém terénu, protože potřebují vědět, kam půjdou … vylézt na střechu nebo přelézt plot. Data DTED vám to neumožňují vidět. Ani neuvidíte budovy. “
Morris poznamenal, že ani některé tradiční údaje o výšce terénu s vysokým rozlišením vám nedovolí tyto funkce vidět. Lidar vám to ale umožňuje, protože má „rozestup pozic“- termín popisující vzdálenost mezi polohami, které lze přesně zobrazit v datovém poli. V případě lidaru může být „rozteč“snížena na centimetry, „takže můžete přesně znát výšku střechy budovy nebo výšku zdi nebo výšku stromu. To opravdu zvyšuje úroveň trojrozměrného (3D) situačního povědomí. “Kromě toho se snižují náklady na lidarové senzory a jejich velikost, což je činí dostupnějšími. "Před deseti lety byly lidarové senzorové systémy velmi velké a velmi drahé." Skutečně měli vysokou spotřebu energie. Jak se ale vyvíjely, technologie se zlepšovaly, platformy se staly mnohem menšími, spotřeba energie se snížila a kvalita dat, která generovaly, se zvýšila. “
Morris řekl, že hlavní využití lidaru ve vojenské oblasti je ve 3D plánování a výcviku bojových misí. Například produkt jeho simulace letu Lidar Analyst jeho společnosti umožňuje uživatelům přijímat velké množství dat a „rychle generovat tyto 3D modely, poté mohou velmi přesně plánovat své mise“. Totéž platí pro pozemní operace. Morris vysvětlil: „Náš produkt se používá k plánování vstupních a výstupních tras do cílové oblasti, a protože prvotní data mají vysoké rozlišení, je možné provést velmi přesnou analýzu situace v zorném poli.“
Spolu s Lidar Analyst vyvinul Textron RemoteView, softwarový produkt pro analýzu obrazu pro americké vojenské a zpravodajské agentury. Software RemoteView může využívat různé zdroje dat, včetně lidarových dat. Společnost BAE Systems také poskytuje software pro geoprostorovou analýzu, jejím vlajkovým produktem je zde SOCET GXP, který poskytuje mnoho funkcí, včetně využití lidarových dat. Rosengarten navíc vysvětlil, že společnost vyvinula technologii GXP Xplorer, což je aplikace pro správu dat. Tyto technologie jsou docela vhodné pro vojenské aplikace. Rosengarten například zmínil nástroj pro výpočet přistávací zóny vrtulníku, který je součástí softwaru SOCET GXP. „Může přijímat lidarová data a poskytovat uživatelům informace o oblastech na zemi, které mohou být dostatečné pro přistání helikoptéry.“Může jim například říci, zda jim v cestě stojí svislé překážky, například stromy: „Lidé mohou pomocí tohoto nástroje identifikovat oblasti, které by se během humanitárních krizí mohly nejlépe hodit jako evakuační místo.“Rosengarten také vyzdvihl potenciál obkladů, kde je shromažďováno více datarových souborů lidarů z konkrétní oblasti a spojeno dohromady. To je možné díky „zvýšené věrnosti metadat lidarového senzoru v kombinaci se softwarem, jako je aplikace SOCET GXP společnosti BAE Systems, který dokáže z metadat udělat přesné zóny na zemi, vypočítané pomocí geoprostorových dat. Tento proces je založen na datech lidaru a nezávisí na tom, jak jsou data shromažďována. “
Jak to funguje: lidar
Lidar funguje tak, že osvětlí cíl světlem. Lidar může používat světlo ve viditelných, ultrafialových nebo blízkých infračervených rozsazích. Princip fungování lidaru je jednoduchý. Objekt (povrch) je osvětlen krátkým světelným impulzem, měří se doba, po které se signál vrací ke zdroji. Lidar spouští rychlé krátké impulzy laserového záření na předmět (povrch) s frekvencí až 150 000 pulzů za sekundu. Senzor na zařízení měří čas mezi přenosem světelného impulsu a jeho odrazem za předpokladu konstantní rychlosti světla 299792 km / s. Měřením tohoto časového intervalu je možné vypočítat vzdálenost mezi lidarem a samostatnou částí objektu, a proto vytvořit obraz objektu na základě jeho polohy vzhledem k lidaru.
Střih větru
Mezitím Buck ukázal na možné vojenské aplikace technologie WindTracer společnosti Lockheed Martin. Komerční technologie WindTracer využívá lidar k měření střihu větru na letištích. Stejný postup lze použít ve vojenské oblasti, například pro přesné výsadky. "Potřebuješ shodit zásoby z dostatečně vysoké nadmořské výšky, proto je položíš na palety a odhodíš je z padáku." Nyní se podíváme, kde přistanou? Můžete se pokusit předpovědět, kam půjdou, ale problém je, že když sestupujete, střih větru mění směr v různých výškách, “vysvětlil. - A jak potom předpovídáte, kde paleta přistane? Pokud dokážete změřit vítr a optimalizovat trajektorii, pak můžete dodávat zásoby s velmi vysokou přesností. “
Lidar se používá také v bezpilotních pozemních vozidlech. Například výrobce automatických pozemních vozidel (AHA), Roboteam, vytvořil nástroj s názvem Top Layer. Jedná se o technologii 3D mapování a autonomní navigace, která využívá lidar. Top Layer využívá lidar dvěma způsoby, říká Shahar Abukhazira, vedoucí Roboteamu. První umožňuje mapování uzavřených prostor v reálném čase. "Někdy je video v podzemních podmínkách nedostatečné, například může být příliš tmavé nebo se zhoršila viditelnost v důsledku prachu nebo kouře," dodal Abukhazira. - Možnosti Lidaru vám umožňují dostat se ze situace s nulovou orientací a porozuměním prostředí … nyní mapuje místnost, mapuje tunel. Okamžitě můžete pochopit situaci, i když nic nevidíte, a i když nevíte, kde jste."
Druhým použitím lidaru je jeho autonomie, která pomáhá operátorovi ovládat více než jeden systém v daném okamžiku. "Jeden operátor může ovládat jednu AHA, ale existují další dvě AHA, které jednoduše sledují a řídí vozidlo ovládané člověkem," vysvětlil. Stejně tak může voják vstoupit do prostor a ANA ho jednoduše následuje, to znamená, že pro ovládání zařízení není třeba odkládat zbraně. „Díky tomu je práce jednoduchá a intuitivní.“Větší AHA Probot Roboteamu má na palubě také lidar, který mu pomáhá cestovat na dlouhé vzdálenosti. "Nemůžete po operátorovi požadovat, aby mačkal tlačítko tři dny po sobě … pomocí senzoru lidaru jednoduše sledujete vojáky, nebo sledujete auto, nebo dokonce automaticky přecházíte z jednoho bodu do druhého, lidar vám pomůže tyto situace. vyhýbejte se překážkám. “Abukhazira očekává v budoucnu v této oblasti zásadní průlomy. Uživatelé například chtěli mít situaci, kdy člověk a ANA komunikují jako dva vojáci. "Nemáte jeden druhého pod kontrolou." Díváte se na sebe, voláte si a jednáte přesně tak, jak byste měli. Věřím, že v určitém smyslu tuto úroveň komunikace mezi lidmi a systémy získáme. Bude to efektivnější. Věřím, že lidary nás vedou tímto směrem."
Pojďme do podzemí
Abukhazira také doufá, že senzory lidaru zlepší provoz v nebezpečných podzemních prostředích. Senzory Lidar poskytují další informace při mapování tunelů. Navíc si všiml, že někdy v malém a temném tunelu si obsluha možná ani neuvědomuje, že AHA vede špatným směrem. "Senzory Lidar fungují jako GPS v reálném čase a způsobí, že se tento proces bude podobat videohře." Svůj systém můžete vidět v tunelu, v reálném čase víte, kam jdete. “
Stojí za zmínku, že lidarové senzory jsou dalším zdrojem dat a neměly by být považovány za přímou náhradu radaru. Buck si všiml, že mezi oběma technologiemi je velký rozdíl ve vlnové délce, které mají své výhody i nevýhody. Často je nejlepším řešením použít obě technologie, například měření parametrů větru aerosolovým mrakem. Kratší vlnové délky optických senzorů poskytují lepší směrovou detekci ve srovnání s delšími vlnovými délkami RF senzoru (radaru). Přenosové vlastnosti atmosféry jsou však u obou typů senzorů velmi odlišné. "Radar je schopen projít určitými druhy mraků, se kterými by se lidar těžko vypořádal." Ale například v mlze může lidar fungovat o něco lépe než radar. “
Rosengarten uvedl, že kombinace lidaru s jinými světelnými zdroji, jako jsou panchromatická data (při zobrazování pomocí širokého rozsahu světelných vlnových délek), poskytne úplný obraz oblasti zájmu. Dobrým příkladem je definice místa přistání helikoptéry. Lidar dokáže skenovat oblast a říci, že má nulový sklon, bez ohledu na to, že se ve skutečnosti dívá na jezero. Tento typ informací lze získat použitím jiných světelných zdrojů. Rosengarten věří, že průmysl bude v konečném důsledku spojovat technologie a spojovat různé zdroje vizuálních a jiných světelných dat. „Najde způsoby, jak přenést všechna data pod jeden deštník … Získání přesných a komplexních informací je víc než jen použití lidarových dat, ale komplexní úkol zahrnující všechny dostupné technologie.“
