#podstawy LIDAR - precyzyjne oczy.

Wyobraź sobie, że dostajesz zadanie wykreślenia trójwymiarowej szczegółowej mapy puszczy amazońskiej, na której wyjątkowo precyzyjnie musisz określić położenie każdego pojedynczego listka.

W 1960 r. (niedługo po skonstruowaniu lasera) przedstawiono aparat, który ponad 50 lat później właśnie tego dokonał – LIDAR.

Błędem nie będzie skojarzenie powyższego akronimu z RADARem i SONARem. Wszystkie trzy należą do grupy urządzeń wykorzystujących echolokację w celu detekcji i wyznaczania odległości elementów w otoczeniu.

Urządzenia emitują odpowiednie fale:

SONAR (SOund Navigation And Raging) – dźwiękowe

RADAR (RAdio Detection And Raging) – radiowe

LIDAR (LIght Detection And Raging) – świetlne

a następnie analizują odbite sygnały, które do nich powróciły.

LIDAR bazuje na pomiarze ToF (ang. time of flight) czyli czasu, który jest potrzebny na dotarcie wiązki do przedmiotu oraz jej powrotu. Na tej podstawie, znając prędkość światła, określa się jego drogę, a tym samym odległość czegoś co chcemy namierzyć od sensorów.

Poza pewnymi branżami lidar wydaje się być urządzeniem niszowym, o którym mało kto ma pojęcie. Zastosowań ma natomiast mnóstwo. W oceanografii służy do szacowania biomasy oraz fitoplanktonu. W badaniu atmosfery wyznacza się za jego pomocą stężenie azotu, tlenu, siarki, dwutlenku węgla i innych gazów. Rolnictwo zoptymalizowało koszty upraw kontrolując miejsce rozpylania nawozów (na mapie określa się rodzaj gleby, analizuje stopień wzrostu plonów). Ostatnio natomiast szczególną uwagę skupiono na implementacji tej technologii w autonomicznych autach.

Lidar może pracować w oparciu o lasery mikropulsowe bądź wysokiej mocy.

Te pierwsze przeważają w zastosowaniach naziemnych, ponieważ są małomocowe i tym samym bezpieczne dla oczu.

Te drugie najczęściej wykorzystywane są przy badaniach atmosferycznych chmur.

Rozwiązań technicznych jest wiele. My przeanalizujemy główne komponenty, z których typowy lidar się składa, na podstawie VLP-16 „PUCK” firmy Velodyne.

Sercem urządzenia i jednocześnie źródłem każdego impulsu jest szesnaście diod laserowych IR (903 nm) opartych o złącze p-n. Detektor stanowi fotodioda lawinowa. 

Zamontowana w wytrzymałą obudowę całość, umieszczona na pojeździe (samochód, dron, samolot), obraca się wokół własnej osi, emitując sygnał z każdego lasera 18 000 razy na sekundę, dzięki czemu precyzyjnie mapuje otoczenie w 3D. Zaawansowana analiza oraz przetwarzanie sygnałów falowych daje nam 300 000 punktów na sekundę, które układają się w „point cloud” wskazującą obrys i kształty przedmiotów.

Jeżeli taki lidar zamontowany jest na dachu auta, to gdy dane się szybko odświeżają dostajemy nie tylko informacje o tym, że coś jest przed nami ale również informację o prędkości zbliżającego się pojazdu, co pozwala na uniknięcie kolizji.

Nie jest to jednak urządzenie pozbawione wad, problemem dla systemu może stanowić mgła i obfite deszcze. Sensory mierzą niecałkowity sygnał w następstwie rozpraszania Mie na cząsteczkach mgły (o wielkości porównywalnych z długością fali) oraz rozpraszania geometrycznego na dużo większych od długości fali kroplach wody. Dodatkowo metoda wymaga analizy niesamowicie dużej ilości danych.

Urządzenie bez współpracy z kamerą telewizyjną nie jest też na tyle mądre żeby określić np. jaki obrazek znajduje się na tarczy znaku drogowego.

Niezależnie od tego system jest zaawansowany i umożliwia wiele operacji. A do tego tworzone mapy są zwyczajnie piękne - dowód poniżej.

LIDAR vs RADAR

Dlaczego oba systemy są istotne i lidar nie wyprze z rynku radarów?

Radar rozwiązuje wyżej wymienione problemy. Dłuższe fale radiowe w przeciwieństwie do fal optycznych podlegają mniejszemu pochłanianiu oraz osłabianiu, gdy są wysyłane na większe dystanse.

[Inductiveload, NASA, via Wikimedia Commons]

Z drugiej strony radar przez to, że posługuje się długimi falami ma mniejszą rozdzielczość. Fala napotykając na przeszkodzę o dużo mniejszych rozmiarach może się nie odbić wystarczająco aby być zdetekowana. Stąd otrzymywane mapy są mniej dokładne.

[źródło]