Применяется оптический датчик - лидар (lidar от Light Detection and Ranging, дословно световое обнаружение и определение расстояния ). В датчике используются электромагнитные волны инфракрасного диапазона, с помощью которых определяется расстояние до находящегося впереди объекта (транспортного средства), а также его скорость. Лидар может использоваться для определения частиц влаги в атмосфере, линий дорожной разметки.
По своим функциям лидар выступает в качестве альтернативы автомобильного радара , поэтому другое его название лазерный радар . Преимуществами лидара являются меньший размер (можно установить в любом месте), большое угловое разрешение (порядка 180°), значительный радиус действия (до 250 м), сравнительно невысокая стоимость. Доказано, что инфракрасные лучи безопасны для человеческого глаза.
Вместе с тем, лазерный радар чувствителен к изменению рельефа дороги (лучи могут отражаться от поверхности дороги и искажать информацию). Эффективность лидара снижается в плохих погодных условиях (дождь, снег, туман), а также при загрязнении датчика.
Ведущими производителями лидаров являются компании Denso, Continental, Siemens, Hella. Лазерный радар используют в системе адаптивного круиз-контроля компании Nissan, Toyota, в активной системе ночного видения компании Mercedes-Benz, Toyota, в системе автоматического экстренного торможения компания Volvo (система City Safety).
Для повышения эффективности детектирования объектов лидар может применяться совместно с радаром, автомобильной видеокамерой . Разрабатываемые системы автоматического управления автомобилем также не обходятся без лидара.
Устройство лидара
Конструкция автомобильного лидара включает следующие элементы: передатчик, модулятор, приемник, оптический элемент, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор.
Роль передатчика выполняет лазерный диод, который служит для передачи инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение модулируется в модуляторе, который при необходимости изменяет его интенсивность. В зависимости от типа модуляции различают лидары непрерывного и импульсного действия. Более совершенна импульсная модуляция инфракрасного излучения. Для повышения эффективности измерений применяется многоимпульсная технология (передача нескольких импульсов одновременно).
Световой импульс, а затем и его отражения проходят через оптический элемент. Отраженный импульс принимается фотодиодом, где преобразуется в электрический сигнал. Далее сигнал усиливается усилителем, преобразуется в «цифру» с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя), а затем обрабатывается микропроцессором.
Несмотря на различия в конструкции принцип действия лидара аналогичен радару. Лидар направляет на цель инфракрасный свет. Свет частично отражается от цели, частично рассеивается. Отраженный импульс возвращается обратно, где воспринимается фотодиодом. Ток на фотодиоде пропорционален воздействующему свету. На основании принятого цифрового сигнала процессор определяет расстояние до впереди идущего транспортного средства и его скорость.
Высокое горизонтальное и вертикальное разрешение лидара достигается путем многолучевой конфигурации передатчика, которая достигается несколькими способами - использованием поворотного зеркала, перемещением передатчика.
Вам необходимо документировать обстоятельства ночной аварии на дороге? Проектируете ирригационные системы в засушливых районах? Или изучаете возможные археологические памятники, скрытые лесом или другими деталями? Традиционные методы 3D-съемки и получения геопространственных данных затратны по времени и денежным средствам. Но теперь есть более эффективные и быстрые решения для таких целей.
LiDAR (Light Detection and Ranging) - это технология дистанционного зондирования, которая использует быстрые лазерные импульсы, чтобы создать модель рельефа. LiDAR отлично подходит, когда необходимо создать цифровые отображения поверхности земли с высоким разрешением для различных целей. В прошлом организации были вынуждены использовать в каждом случае отдельные системы со своими особенностями.
Теперь у них есть возможность пользоваться системой LiDAR, которую устанавливают на беспилотники, чтобы получилось единое устройство для 3D-картографирования. Систему ScanLook LiDAR серии А устанавливают на летающую платформу DJI Matrice 600, что позволяет получить для работы эффективное, универсальное и точное решение для 3D-зондирования на основе беспилотных технологий.
Примеры практического применения связки LiDAR и дронов
Моделирование ландшафта
Простейший пример, когда новые технологии могут существенно облегчить и сделать еще эффективнее работу - уборка мусора и грязи. Известно, что оплата обычно производится за квадратный метр, но расчеты не всегда бывают точны, особенно, если имеется большой разброс мусора, листьев, а на территории также растут кусты и деревья. LiDAR предлагает значительную экономию по сравнению с методами методам наземного исследования.
LiDAR значительно сокращает различного рода затраты на методы исследования рельефа. Применяя метод дистанционного исследования объектов разного типа, включая траву, листья или деревья, LiDAR может определить их положение, скорость перемещения (для движущихся объектов) и другие характеристики. Для этого используется пульсирующий лазерный луч, который отражается от поверхности объектов. Результатом такого процесса становится 3D-модель топографических контуров ландшафта, с которой затем могут работать пользователи. Если же подключить к процедуре исследования дрон Matrice 600 со ScanLock, то сканирование будет происходить со скоростью более 4 тыс. кв. м. в минуту. А теперь представьте, сколько можно сделать работы за 20 минут полетного времени?
Документирование ЧП и несчастных случаев
LiDAR - это активная система, которая использует для создания образов нужных объектов ультрафиолет и ближний инфракрасный диапазон. Это важно, если обстоятельства не позволяют задействовать для качественного картографирования внешнее освещение. Например, такой метод может потребоваться для съемок обстоятельств ночной автомобильной аварии. Для этого лучше всего задействовать дрон Matrice 600 с технологией ScanLook, чтобы буквально за один полет над местом аварии зафиксировать и обработать всю необходимую визуальную информацию.
Поскольку предлагаемое решение базируется на беспилотных технологиях, то пользователи практически немедленно получают точную информацию, подкрепленную визуальными деталями. Затем все это можно использовать в качестве доказательства в судебных процессах. Кроме этого, высокая скорость обследования с помощью воздушного сканирования помогает быстрее начать процесс эвакуации раненых или погибших людей, поврежденных автомобилей, а также быстрее приступать к уборке территории. Таким образом можно за сравнительно короткое время освободить проезжую часть для автомобилей, что особенно важно на оживленных трассах, а также сэкономить значительные средства на всех этапах работы.
Сельское хозяйства и ландшафтная планировка
Другой пример успешного применения новых технологий 3D-картографирования - большие фермы, где требуется создавать эффективную ирригационную систему. Например, на больших плантациях риса фермерам приходится создавать водозащитные насыпи. Это требует точного знания рельефа и особенностей почвы. Иначе вся создаваемая система может оказаться неэффективной и бесполезной. И опять оптимальным решением становится дрон Matrice 600 с установленной на нем технологией ScanLock. Сбор данных будет происходить со скоростью 183 метра за один проход. Процесс работы с одним большим полем не займет много времени. При этом не нужно, как раньше, ждать, когда обрабатываемые поля высохнут, чтобы на них можно было бы вывести соответствующую технику для сбора данных.
Археология
Там, где традиционные методы обследования больших, ценных с исторической точки зрения, ландшафтов требовали не одного года работы, теперь можно использовать технологию LiDAR, чтобы выполнить процесс по 3D-картографированию за считанные минуты. И снова наилучшим вариантом для такой процедуры будет установка ScanLock на дрон Matrice 600. “Потерянные” места и целые древние города будут открыты за самое короткое время.
Как концепция, лидар уже насчитывает несколько десятилетий. Впрочем, интерес к этой технологии в последние годы резко вырос, поскольку сенсоры становятся меньше, усложняются, а сфера применения продуктов с технологией лидара всё больше расширяется.
Слово лидар представляет собой транслитерацию LIDAR (Light Detection and Ranging - световая система обнаружения и измерения дальности). Это технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Лидар как прибор подобен радару, поэтому его применение - это наблюдение и обнаружение, но вместо радиоволн как в радаре в нем используется свет, генерируемый в подавляющем большинстве случаев лазером. Термин лидар зачастую используется равноправно с термином ладар, который означает laser detection and ranging (лазерное обнаружение и измерение дальности), хотя, по мнению Джо Бака, руководителя исследовательских работ в Coherent Technologies, входящего в дивизион космических систем компании Lockheed Martin, эти две концепции с технической точки зрения различны. «Когда вы смотрите на что-то, что может рассматриваться как мягкий объект, например твердые частицы или аэрозоль в воздухе, специалисты стремятся использовать лидар, когда говорят об обнаружении этих объектов. Когда вы смотрите на плотные, твердые объекты, например автомобиль или дерево, тогда вы склоняетесь к термину ладар». Чуть подробнее о лидаре с научной точки зрения смотрите раздел «Лидар: как это работает».
«Лидар был предметом исследований в течение многих десятилетий с момента своего появления в начале 60-х годов», - продолжил Бак. Впрочем, интерес к нему заметно вырос с начала этого столетия благодаря, прежде всего, техническому прогрессу. Он привел в качестве примера визуализацию с помощью синтезированной апертуры. Чем больше телескоп, тем более высокое разрешение объекта может быть получено. Если вам необходимо чрезвычайно высокое разрешение, тогда может понадобиться гораздо более крупная оптическая система, что может быть не очень удобным с практической точки зрения. Визуализация при помощи синтезированной апертуры решает эту проблему за счет использования движущейся платформы и обработки сигналов с целью получения действительной апертуры, которая может гораздо больше физической апертуры. Радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) используются уже много десятилетий. Однако, только в начале 2000-х начались практические демонстрации формирования оптических изображений с синтезированием апертуры, несмотря на то, что лазеры уже широко использовались в то время. «Реально понадобилось больше времени для разработки оптических источников, которые имели бы достаточную стабильность в широком диапазоне регулировки... Совершенствование материалов, источников света и детекторов (используемых в лидарах) продолжается. Вы не просто обладаете способностью проводить теперь эти измерения, вы способны выполнять их в небольших блоках, что делает системы практичными касательно размеров, веса и энергопотребления».
По данным компании Lockheed Martin, интерес к лидару возрос в начале этого столетия благодаря, конечно же, достижениям в области технологий. На фото система WindTracer компании Lockheed Martin на страже аэропорта Мюнхена
Также становится проще и практичнее собирать данные от лидара (или информацию, собранную лидаром). Традиционно она собиралась с сенсоров летательных аппаратов, говорит Ник Розенгартен, руководитель Geospatial Exploitation Products Group в компании ВАЕ Systems. Впрочем, сегодня сенсоры могут быть установлены на наземных транспортных средствах или даже в заплечных рюкзаках, что подразумевает сбор данных человеком. «Это открывает целый ряд возможностей, данные теперь могут собираться как в помещениях, так и на открытом воздухе», - пояснил Розенгартен. Руководитель дивизиона геопространственных решений в компании Textron Systems Мэт Моррис утверждает, что «лидар представляет собой реально удивительный массив данных, поскольку он предоставляет обширнейшую детализацию поверхности Земли. Он дает гораздо более детализированную и, если можно так выразиться, более оттеночную картинку, чем технология цифровых данных топографических высот DTED (Digital Terrain Elevation Data), которая предоставляет информацию касательно высоты земной поверхности в определенных точках. Возможно, одним из самых мощных сценариев использования, о котором я слышал от наших военных заказчиков, является сценарий развертывания в незнакомой местности, ведь им необходимо знать, куда им предстоит идти... подняться на крышу или перелезть изгородь. Данные DTED не позволяют вам видеть это. Вы не увидите даже зданий».
Моррис отметил, что даже некоторые традиционные данные о высотах точек рельефа местности с высоким разрешением не позволят вам увидеть эти элементы. А вот лидар позволяет это сделать из-за своего «шага позиций» - термин, описывающий дистанцию между позициями, которые могут быть точно показаны в массиве данных. В случае с лидаром «шаг позиций» может быть уменьшен до сантиметров, «поэтому вы можете точно узнать высоту крыши здания или высоту стены или высоту дерева. Это реально повышает уровень трехмерной (3D) ситуационной осведомленности». Кроме того, стоимость сенсоров лидар снижается, как и их размеры, что делает их более доступными. «Десять лет назад сенсорные системы лидаров были очень большими и очень дорогими. Они действительно имели высокое энергопотребление. Но по мере своего развития, совершенствования технологий, платформы становились значительно меньше, снижалось энергопотребление, а качество генерируемых ими данных повысилось».
Городской ландшафт, сгенерированный программным инструментом Lidar Analyst компании Textron. Он позволяет изучать местность, извлекать 3D ландшафты и показывать информацию в программах 3D визуализации
Серия снимков лидара, сделанная с помощью приложения SOCET GXP от ВАЕ Systems. Монтирование мозаики (сбор последовательных снимков) может быть выполнено с данными лидара вне зависимости от того, как они были получены
Моррис сказал, что основное применение лидара в военной области - это 3D планирование и отработка боевых задач. Например, продукт Lidar Analyst его компании для моделирования условий полетов позволяет пользователям принимать большие объемы данных и «быстро генерировать эти 3D модели, затем они могут очень точно планировать свои задачи». То же самое верно и для наземных операций. Моррис пояснил: «Наш продукт используется для планирования путей входа и выхода в район цели, а так как исходные данные имеют высокое разрешение, то можно проводить очень точный анализ обстановки в пределах прямой видимости».
Наряду с Lidar Analyst компания Textron разработала RemoteView - программный продукт анализа изображений, заказчиками которого являются американские военные и разведывательные структуры. Программное обеспечение RemoteView может использовать различные источники данных, в том числе данные с лидара. Компания BAE Systems также предоставляет программное обеспечение (ПО) для геопространственного анализа, ее флагманским продуктом здесь является SOCET GXP, который обеспечивает множество возможностей, включая использование данных лидара. Кроме того, как пояснил Розенгартен, компания разработала технологию GXP Xplorer, которая представляет собой приложение управления данными. Эти технологии вполне подходят для военного применения. Розенгартен, например, упомянул об инструменте для расчета посадочной зоны вертолета, который входит в состав ПО SOCET GXP. «Он может брать данные лидара и предоставляет пользователям информацию о зонах на земле, которых может быть достаточно для посадки вертолета». Например, он может подсказать им, есть ли вертикальные препятствия на пути, например, деревья: «Люди могут использовать этот инструмент для определения зон, которые могут быть лучше всего подходить в качестве эвакуационного пункта во время гуманитарных кризисов». Розенгартен также подчеркнул потенциал метода «монтирование мозаикой», когда множественные массивы данных лидара собираются с конкретной зоны и «сшиваются» друг с другом. Это стало возможным в связи с «повышенной точностью метаданных лидарных сенсоров в комбинации с таким ПО, как например, приложение SOCET GXP от BAE Systems, которое может превратить метаданные в точные зоны на земле, рассчитанные с помощью геопространственных данных. Процесс основывается на данных лидара и не зависит от того, как эти данные собраны».
Компания Lockheed Martin видит возможное военное применение для своей технологии WindTracer. Это коммерческий продукт, в котором используется лидар для измерения ветрового сдвига в аэропортах. Подобная технология может быть использована в военной сфере для повышения точности выброски с воздуха. На фото система WindTracer в аэропорту Дубая
Как это работает: лидар
Лидар работает, подсвечивая цель светом. В лидаре может использоваться свет видимого, ультрафиолетового или ближнего инфракрасного диапазонов. Принцип действия лидара прост. Объект (поверхность) освещается коротким световым импульсом, измеряется время, через которое сигнал вернется к источнику. Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени между передачей светового импульса и его отражением, исходя из постоянной скорости света равной 299792 км/с. Измеряя этот промежуток времени можно вычислить дистанцию между лидаром и отдельной частью объекта и, следовательно, построить изображение объекта на основе его положения относительно лидара.
Сдвиг ветра
Тем временем господин Бак указал на возможное военное применение технологии WindTracer от Lockheed Martin. Коммерческая технология WindTracer использует лидар для измерения ветрового сдвига в аэропортах. Такой же процесс может использоваться в военной сфере, например, для точной выброски с воздуха. «Вам необходимо сбросить запасы с достаточно большой высоты, для этого вы складываете их на поддоны и сбрасываете с парашюта. А теперь посмотрим, где они приземлятся? Вы можете попробовать и предсказать, куда они улетят, но проблема состоит в том, что пока вы снижаетесь, ветровой сдвиг на разных высотах меняет свое направление, - пояснил он. - И как вы после этого предскажите, где поддон приземлится? Если вы можете измерить ветер и оптимизировать траекторию, то вы можете доставить запасы с очень высокой точностью».
Лидар также используется в наземных безэкипажных транспортных средствах. Например, производитель автоматических наземных аппаратов (AHA), компания Roboteam, создал инструмент, названный Top Layer. Это 3D технология картографирования и автономной навигации, которая использует лидар. Top Layer задействует лидар двумя способами, рассказывает руководитель компании Roboteam Шахар Абухазира. Первый позволяет картографирование закрытых пространств в реальном времени. «Иногда видео недостаточно в подземных условиях, например, может быть слишком темно или видимость ухудшилась из-за пыли или дыма, - добавил Абухазира. - Возможности лидара позволяют вам уйти от ситуации с нулевыми ориентацией и пониманием окружающей обстановки... теперь он составляет карту комнаты, он составляет карту тоннеля. Незамедлительно вы можете понять обстановку, даже если вы ничего не видите и даже, если вы не знаете, где вы находитесь».
Второе применение лидара заключается в его автономности, помощи оператору в контролировании более одной системы в любой данный момент. «Один оператор может контролировать один AHA, но есть два других AHA, которые просто отслеживают управляемый человеком аппарат и следуют за ним автоматически», - пояснил он. Подобным же образом солдат может войти в помещение, а АНА просто следует за ним, то есть нет необходимости откладывать в сторону для того, чтобы управлять аппаратом. «Это делает работу простой и интуитивной». Более крупный AHA Probot компании Roboteam также имеет на борту лидар, который помогает проходить ему большие дистанции. «Вы не можете требовать от оператора, чтобы он жал кнопку три дня подряд... вы используете лидарный сенсор для того, чтобы просто следовать за солдатами, или следовать за машиной или даже в автоматическом режиме перемещаться от одного пункта к другому, лидар в этих ситуациях поможет избежать препятствий». Абухазира ожидает в будущем крупных прорывов в этой области. Например, пользователи хотели иметь ситуацию, в которой человек и АНА взаимодействуют подобно двум солдатам. «Вы не контролируете друг друга. Вы смотрите друг на друга, вы зовете друг друга и действуете точно так, как должны действовать. Я полагаю, что в известном смысле мы получим этот уровень общения между людьми и системами. Это будет более эффективно. Я считаю, что лидары ведут нас в этом направлении».
Программный продукт TopLayer компании Roboteam позволяет AHA картографировать закрытые пространства в реальном времени. Порой видеосъемки бывает недостаточно в этих условиях: может быть либо темно, либо видимость недостаточна из-за пыли и дыма
Идем под землю
Абухазира также надеется, что лидарные сенсоры улучшат проведение операций в опасных подземных условиях. Лидарные сенсоры дают дополнительную информацию, выполняя картографирование тоннелей. Кроме того, он заметил, что порой в небольшом и темном тоннеле оператор может даже не понять, что ведет AHA не в том направлении. «Лидарные сенсоры работают как GPS в реальном времени и делают процесс похожим на видеоигру. Вы можете видеть вашу систему в тоннеле, вы знаете, куда движетесь в реальном времени».
Стоить отметить, что лидарные сенсоры это еще один источник данных и не должны рассматриваться как прямая замена радара. Бак заметил, что имеются большая разница в длине волн этих двух технологий, которые имеют свои преимущества и недостатки. Зачастую лучшим решением является использование обеих технологий, например, проведение измерения параметров ветра при помощи аэрозольного облака. Более короткие длины волн оптических сенсоров обеспечивают лучшее определение направления по сравнению с более длинными волнами радиочастотного сенсора (радара). Впрочем, свойства пропускания атмосферы очень разнятся для двух типов сенсоров. «Радар способен проходить сквозь облака определенных типов, с которыми лидару было бы сложно справиться. Но в тумане, например, лидар может показать себя чуть лучше радара».
Розенгартен сказал, что сочетание лидара с другими источниками света, например, панхроматическими данными (когда изображение строится с использованием широкого диапазона световых волн) даст полную картинку исследуемой зоны. Хорошим примером здесь является определение посадочной площадки для вертолета. Лидар может просканировать зону и сказать, что она имеет нулевой уклон, не принимая во внимание, что фактически он смотрит на озеро. Этот тип информации может быть получен за счет использования других источников света. Розенгартен считает, что промышленность, в конечном счете, займется слиянием технологий, сведением вместе различных источников визуальных и иных световых данных. «Она найдет способы свести все данные под одним зонтиком... Получение точной и исчерпывающей информации - это не просто использование данных лидара, а комплексная задача с привлечением всех доступных технологий».
По материалам сайтов:
www.nationaldefensemagazine.org
www.lockheedmartin.com
www.baesystems.com
www.textron.com
www.robo-team.com
www.robotshop.com
www.Geo-Plus.com
www.nplus1.ru
Если вы видели автономные автомобили на фотографиях или вживую, то заметили – сверху у них на крыше закреплена какая-то странная штука.
Иногда она похожа на сирену, как в случае с прототипами Waymo от Google, что придает им вид очаровательного полицейского автомобиля.
Но, чаще эта штуковина напоминает крутящуюся консервную банку, установленную на распорках.
Это устройство на беспилотных автомобилях является лидаром, оборудованием, которое наделяет машину «зрением».
Слово лидар (LIDAR) состоит из начальных букв четырех английских слов – Light Identification Detection and Ranging, что означает «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света».
Автомобильный лидар в беспилотном автомобиле – это самая дорогостоящая штука. Ценой $75 000, лидар стОит дороже, чем многие автомобили. А между тем, это устройство лишь одно из многих, которым нужно оснащать беспилотный транспорт.
Однако, в этом году данная ситуация может измениться благодаря появлению так называемых твердотельных лидаров высокого разрешения и стоимостью всего несколько сотен долларов. На самом деле, слово твердотельные – не очень корректно. Лидары нового поколения отличаются от предыдущих, своей неподвижностью (статичностью).
Но, их изобретение серьезно приближает момент массового появления беспилотного транспорта на дорогах. Поэтому стоит понять, что такое автомобильный лидар, и в частности статичный (твердотельный).
Слово «лидар» передает саму суть его функционирования – это радар, который работает на световых волнах. Вспомнив школьную физику, мы знаем – излучая радиоволны, радар определяет расстояние до объекта на основании времени, которое требуется радиоволне для отражения от объекта.
Лидар действует по схожей схеме, но использует для этого не радиоволны, а короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Для получения более точной информации, лидары используют инфракрасное излучение и ближнее ультрафиолетовое.
Но, беспилотному автомобилю нужны данные о десятках объектов вокруг. Поэтому он крутится вокруг своей оси, испуская множество световых вспышек, и таким образом формирует из «облака точек» трехмерное 360-градусное изображение окружающей обстановки. И делать он это может в любых средах, погодных условиях и независимо от времени суток.
В этом музыкальном клипе группы Radiohead видно, как из таких «точек» формируется картинка.
Чтобы беспилотные автомобили могли без участия человека передвигаться в пространстве, им требуется комбинация видеокамер, радаров и лидаров. И лидар выполняет критически важную функцию – он дает автомобилю представление не только о собственной локализации, но и о местоположении окружающих объектов.
GPS в данном случае непригодно – оно определяет местоположение с формированием круга диаметром около 5 м, а лидар делает это с точностью до 10 см.
Уровень автономности – это международные критерии, принятые, дабы объяснить, насколько тот или иной транспорт является самостоятельным.
Существует 6 уровней автономности
И вот лидар необходим при автономности уровня 4 и выше.
Что такое статичный автомобильный лидар
На сегодняшний день большинство лидаров – это дорогостоящие подвижные устройства.
Конечно, как и все технологии, лидары со временем стали дешевле и уменьшились в размерах. Но, пока они стоят от $8 000 до $80 000, и быстро выходят из строя.
А вот статичные лидары – другое дело. Сделанные главным образом из кремния, в них нет подвижных частей и используется лазер с изменяемой длиной волны. Такое устройство легкое, маленькое, потребляет мало энергии (работает на батарейке АА), быстрое и точное, работает при любых погодных условиях, и стоит не тысячи, а сотни долларов.
Технологию статичных кремниевых лидаров изобрела американская компания Quanergy. Полный набор их лазерного сканера сейчас стоит $900, но разработчик обещает постоянно снижать цены, доведя до $100.
Твердотельный лидар не просто дешевле, он очень быстрый, высокоточный и работает дольше. Электромеханический лидар выдерживает максимум 2000 часов, что меньше, чем требуется на год эксплуатации автомобиля, а твердотельный – до 100 000 часов.
Когда беспилотные автомобили станут массовым продуктом
Первый лидар в 1999 году был установлен на автомобиль Jaguar стоимостью около $100 000. В то время лидары с датчиками были настолько дороги, что люди шутили «вы приобретаете лидар и получаете бесплатно в нагрузку Jaguar».
Сегодня эта функция в автомобилях уже стОит $18 000, а с применением твердотельных датчиков цена «лазерного зрения» упадет до $1000.
Предполагается, что первые твердотельные лидары Quanergy начнут устанавливать на серийный электромобиль Fisker EMotion с запасом хода до 640 км на одной зарядке.
Выпуск этого автомобиля пока еще большой стоимости – $130 000, запланирован на 2019 год.
А вот массовое появление беспилотных автомобилей, использующих технологию твердотельных лидаров, ожидают в 2020-2023 годах. Считается, что к этому времени минимум одна модель автономного транспорта будет почти у каждого крупного автопроизводителя. И хотя поначалу, скорее всего, способностью к автономности будут наделять дорогие и роскошные модели, очень скоро ею оснастят и бюджетные машины.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Научно-исследовательская работа студента (УНИРС) по теме:
«Зеркальные схемы лидарных объективов»
Санкт-Петербург
Введение
1. Принцип действия лидара
2. Устройство лидара
3. Оптические схемы объективов лидаров
3.1 Объектив Ньютона
3.2 Объектив Кассегрена
3.3 Объектив Грегори
Заключение
Введение
Термин “лидар” является аббревиатурой английского выражения light identification, detection and ranging (обнаружение и определение дальности с помощью света).
Лидар - технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.
Как прибор, лидар представляет собой оптический локатор для дистанционного зондирования воздушных и водных сред. Также к лидарам относят оптические локаторы, которые позволяют дистанционно получать информацию о твердых объектах.
Лидары востребованы и пользуются популярностью благодаря достоинствам используемых в них лазерах:
· Когерентность излучения
· Малая длина волны излучения и, как следствие, малые потери из-за расходимости
· Мгновенная мощность излучения
Совокупность этих свойств делает использование лидара незаменимым на дистанциях от сотен метров до нескольких километров.
1. Принцип действия лидара
Импульсное излучение лазера посылается в атмосферу. Затем, рассеянное атмосферой в обратном направлении, излучение собирается телескопом и регистрируется фотоприемником с последующей оцифровкой сигналов.
импульсный лидар телеобъектив оптический
Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени, необходимый для возврата импульса. Свет движется с постоянной и известной скоростью, поэтому лидар может вычислить расстояние между ним и цели с высокой точностью.
Существуют две основные категории импульсных лидаров: микроимпульсные и высокоэнергетические системы.
Микроимпульсные лидары работают на более мощной компьютерной технике с большими вычислительными возможностями.
Эти лазеры меньшей мощности и классифицируются как "безопасные для глаз", что позволяет использовать их практически без особых мер предосторожности.
Лидары с большой энергией импульса в основном применяются для исследования атмосферы, где они часто используются для измерения различных параметров атмосферы, таких как высота, наслоение и плотность облаков, свойства частиц облака, температуру, давление, ветер, влажность и концентрацию газов в атмосфере.
2 . Устройство лидара
Большинство лидаров состоит из трех частей:
· Передающая часть
· Приемная часть
· Система управления
Передающая часть (а) лидара содержит источник излучения - лазер и оптическую систему для формирования выходного лазерного пучка, т.е. для управления размером выходного пятна и расходимостью пучка.
В абсолютном большинстве конструкций излучателем служит лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и длины волн:
1550 нм -- инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн. Однако риск повреждения глаз на деле выше, чем у излучателей видимого света -- так как глаз не реагирует на ИК излучение, то не срабатывает и естественный защитный рефлекс человека
1064 нм -- ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения
532 нм -- зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды
355 нм -- ближнее ультрафиолетовое излучение
Приёмная часть (б) состоит из объектива (телескоп), спектрального и/или пространственных фильтров, поляризационного элемента и фотодетектора. Излучение, отраженно-рассеянное от исследуемого объекта, концентрируется приемной оптикой (телескопом), а затем проходит через анализатор спектра. Этот прибор служит для выделения интервала длин волн, в котором проводятся наблюдения, и, следовательно, для отсечки фонового излучения на других длинах волн. Анализатор может представлять собой либо сложный, тщательно настраиваемый моно- или полихроматор, либо набор узкополосных фильтров, включая фильтр отсечки излучения на длине волны лазерного передатчика.
Излучатель и приемный блок могут быть далеко разнесены друг от друга или выполнены в едином блоке, что в последние годы является обычным. Оси излучателя и приемника могут быть совмещены (коаксиальная схема) или разнесены (биаксиальная схема).
Система управления(в) выполняет следующие задачи:
ѕ Управление режимом работы лидара;
ѕ Управление частотой зондирующего излучения лазера;
ѕ Измерение энергии излучения в выходящем и принимаемом двухчастотном лазерном пучке на обеих частотах;
ѕ Обработка результатов, т.е. получение спектральных характеристик атмосферы, определение наличия и концентраций примесей по имеющимся в базе данных компьютера «спектральным портретам» молекул;
ѕ Управление системой наведения лидара на исследуемый объект.
В своем исследовании я решил подробно рассмотреть схемы объективов, используемых в различных лидарах.
3 . Оптические схемы объективов лидаров
Обратный сигнал от исследуемого объекта должен быть перехвачен приемным объективом лидара, отфильтрован (пространственно и спектрально) и направлен на чувствительную площадку фотоприемника. Все это должно быть сделано с максимальной эффективностью, без значительных потерь полезного светового сигнала, собранного объективом, и с максимальным подавлением всех помех, зашумляющих сигнал. Проследим прохождение полезного сигнала через приемную систему и рассмотрим отдельно каждый элемент этой системы.
Лазер освещает на объекте пятно, размер которого определяется расходимостью пучка 2 и расстоянием до объекта R: D=2Rtg2R. Часть отраженного и рассеянного в обратном направлении излучения собирается объективом, как показано на рис.: (лазер и приемный объектив соосны).
Показаны только крайние лучи пучков от точек в пятне, попадающих в объектив. При больших расстояниях лучи от точки практически параллельны друг другу. Назначение объектива - собрать достаточное количество света от пятна и спроецировать пятно на фотоприемник. Поэтому основными параметрами объектива являются светособирающая площадь, фокусное расстояние и поле зрения. Для космических лидаров, когда расстояние до исследуемых слоев атмосферы или земли достигает сотен километров, необходимо использовать объективы с большим диаметром 1…3 м и даже больше, чтобы собрать достаточно света, особенно при работе в режимах комбинационного рассеяния или дифференциального поглощения. Диаметр d и фокусное расстояние f" определяют светосилу объектива (относительное отверстие d/f"). Чем светосильнее система, тем меньше размер изображения, которое она формирует. Поле зрения объектива определяется углом, под которым луч от крайней точки пятна проходит через центр входного зрачка объектива (на рис.). Размер изображения (не более размера фотоприемника), эквивалентное фокусное расстояние (с учетом дополнительных перепроецирующих элементов в спектральном блоке приемника) и угол поля зрения связаны соотношением 2a = 2f"tg, которое позволяет выбрать параметры конкретных схем и подобрать необходимые элементы. Во многих случаях пятно проецируется не на фотоприемник непосредственно, а в плоскость полевой диафрагмы (первичное изображение), которая ограничивает поле зрения объектива. Регулируя размеры полевой диафрагмы, можно изменять эффективный размер пятна, проецируемого на фотоприемник. Другими словами, она позволяет менять пространственное разрешение измерений, а также уменьшать шумовую засетку от многократно рассеянного света. Перепроецирование первичного изображения также является способом борьбы с рассеянным внутри объектива светом. Когда полевая диафрагма имеет максимальный размер, производят взаимную юстировку лазера и приемного объектива лидара (по максимуму принятого сигнала). При измерениях диафрагма имеет минимальный размер. Диафрагма обычно бывает ирисовая или в виде диска с отверстиями разного диаметра.
Поскольку лидар работает с удаленными объектами, объектив должен строить изображение практически из бесконечности на конечное расстояние (в фокальной плоскости). Т.е. используются телеобъективы. Оптический расчет телеобъектива производят с учетом того, что аберрационное размытие края изображения должно быть минимальным или приемлемым с точки зрения световых потерь (виньетирование полевой диафрагмой). В системах типа дальномеров, сканеров, батиметров диаметр объектива небольшой - от 15 до 150 мм. Поэтому объективы обычно линзовые.
Объективы, используемые в лидарах:
· Зеркальные (рефлекторы) - используют в качестве светособирающего элемента зеркало.
· Зеркально - линзовые (катадиоптрические) - в качестве оптических элементов используются и зеркала, и линзы. Стоит отметить, что линзы по размеру сравнимы с главным зеркалом и служат для коррекции формируемого им изображения.
Зеркала можно сделать облегченными, что важно для авиационных и особенно космических систем. Зеркальные системы строят по классическим схемам телескопов: Ньютона), Грегори и Кассегрена. После первичного фокуса условно приведен линзовый объектив, что означает наличие некоторой дополнительной оптики в приемной системе. Зеркальные системы всегда имеют центральное экранирование, даже в схеме Ньютона, в которой в фокусе на оси размещен приемник. При небольших полях зрения в единицы угловых секунд и малых относительных отверстиях (d/f" менее 1:10) вместо параболоида в схеме Ньютона используют сферу, что предпочтительно из экономических соображений. Из-за невысоких требований к качеству изображения (надо только собрать энергию) иногда удается заменить вторичное гиперболическое зеркало на сферическое. Возможны также варианты схемы типа Кассегрена с главным сферическим зеркалом и вторичным асферическим зеркалом высокого порядка. Такие схемы полезны для космических лидаров с большими телескопами.
Варианты взаимного расположения лазера и приемного телескопа:
В первой схеме для совмещения оптических осей используется тыльная поверхность диагонального плоского зеркала. Во второй схеме приемный телескоп используется и как формирующий, что требует ужесточения требований к его качеству (иначе лазерный пучок сильно разойдется). Кроме того, в ней неизбежны потери из-за использования светоделителя. В третьей схеме используются отверстия в главном и диагональном (или вторичном) зеркалах. Центральные зоны всегда нерабочие. Используют также схемы, в которых оси лазера и телескопа не совмещены - параллельны или взаимно наклонены. Такие схемы не позволяют максимально эффективно использовать энергию лазерного пучка, но позволяют избавиться от яркого пятна на оси (почти нулевое поле зрения), которое может вызвать перенасыщение приемника. При энергетических расчетах следует учитывать гауссово распределение энергии в лазерном пучке
3.1 Объектив Ньютона
Данная схема была изобретена Исааком Ньютоном в 1668 году. Здесь главное (параболическое) зеркало направляет излучение на небольшое плоское диагональное зеркало, расположенное вблизи фокуса. Оно, в свою очередь, отклоняет пучок излучения за пределы трубы, где он попадает на приемное устройство.
Данная схема обладает минимальным количеством оптических элементов, что обуславливает простоту юстировки, невысокие требования к обработке зеркал и невысокую стоимость изготовления. Главное зеркало в силу своего большого размера требует времени на термостабилизацию. Также требуется периодическая подстройка зеркал, склонная утрачиваться при транспортировке и в процессе эксплуатации. Система несвободна от аберрации комы.
Объектив Ньютона используется во многих лидарах, рассмотрим некоторые из них:
1) Многоволновый рамановский лидар MRL-400
В основу работы этого лидара положено явление комбинационное рассеяния света (эффект Рамана) -- неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения. В спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества.
Излучение лазера телескопируется внеосевым параболическим зеркальным коллиматором. Лазер вместе с коллиматором крепится на приемном телескопе, что позволяет проводить измерения под любым углом к горизонту.
структура лидара MRL-400
Источник излучения: Nd:YAG лазер Quantel Brilliant с генератором третьей гармоники
Энергия в импульсе: 300/300/200 мДж - 1064/532/355 нм
Частота повторения: 10 Гц
Внеосевой параболический зеркальный коллиматор с коэффициентом увеличения 5. Диэлектрические зеркальные покрытия обеспечивают работу коллиматора на длинах волн 355, 532, 1064 нм.
Телескоп Ньютона с апертурой 400 мм и фокусным расстоянием 1200 мм.
2) Многоволновый аэрозольный лидар PL-200
структура лидара PL-200
Источник излучения: Nd:YAG лазер с генератором третьей гармоники.
Энергия на длине волны 355 нм: 70 мДж
Частота повторения: 25 Гц
Расходимость пучка: < 1 мрад
Коллиматор: Внеосевой параболический коллиматор с диэлектрическими покрытиями и коэффициентом увеличения 5 предназначен для одновременного телескопирования излучаемых длин волн (1064, 532, 355 нм).
В лидаре используется телескоп Ньютона с апертурой 300 мм. Главное зеркало является параболическим с фокальным расстоянием 970 мм.
3.2 Объектив Кассегрена
Схема была предложена Лореном Кассегреном в 1672 году. Главное зеркало большего диаметра (вогнутое; в оригинальном варианте параболическое) отбрасывает излучение на вторичное выпуклое меньшего диаметра (обычно гиперболическое). Вторичное зеркало расположено между главным зеркалом и его фокусом и полное фокусное расстояние объектива больше, чем у главного. Объектив при том же диаметре и фокусном расстоянии имеет почти вдвое меньшую длину трубы и несколько меньшее экранирование, чем у Грегори. Традиционный рефлектор Кассегрена сложен в производстве (сложные поверхности зеркал - парабола, гипербола), а также имеет недоисправленную аберрацию комы. Последний недостаток исправлен в различных модификациях схемы Кассегрена.
Из зеркальных объективов построенный по схеме Кассегрена пользуется наибольшей популярностью благодаря сочетанию компактности и большого фокусного расстояния.
Рассмотрим некоторые лидары, в которых используется приёмный телескоп, построенный по схеме Кассегрена:
1) Стационарный лидарный комплекс МВЛ-60
Многоволновой лидар МВЛ-60 предназначен для оперативного дистанционного анализа характеристик атмосферного аэрозоля и облачных образований в атмосфере с помощью лазера, работающего на длинах волн 1064 (ИК), 532 (зеленый) и 355 (УФ) нм.
Приемная антенна лидара представляет собой телескоп, чаще всего зеркальный, построенный обычно по схеме Ньютона или Кассегрена. В телескопе лидара МВЛ-60 с диаметром главного параболического зеркала 60 см реализованы обе эти схемы.
При работе в качестве приемной антенны лидара в телескопе реализуется схема Кассегрена, когда принятый отраженный сигнал лазера попадает вначале на главное параболическое зеркало, затем на вторичное гиперболическое зеркало, а далее через отверстие в центре параболического зеркала в блок анализатора, где затем разводится по разным фотоприемникам и регистрируется компьютером.
При работе в качестве обычного астрономического прибора в телескопе реализуется схема Ньютона: на оптическую ось главного параболического зеркала вводится плоское зеркало, при помощи которого принятое главным зеркалом изображение выводится под углом 90 град. вдоль поворотной оси телескопа. В этом фокусе Ньютона можно поместить окуляр либо видеокамеру и получать изображения объектов звездного неба.
2) Многоволновой лидар с Рамановскими каналами
Излучатель импульсный: Nd:YAG лазер
Длина волны:1064, 532 и 355 нм
Энергия импульса: 100/55/30 мДж
Длительность импульса: 10 нс
Частота посылки импульсов: 10 Гц
Диаметр лазерного пучка (расширенный): 50 мм
Расходимость лазерного излучения: 0.3 мрад
Телескоп (диаметр): Кассегрен, 300 мм первичное зеркало
Угол приема излучения: 0.6 - 5 мрад
Длины волн упругого рассеяния: 1064, 532, 532 деполяризация и 355 нм
Рамановские длины волн: 387, 407, 607 нм
3 . 3 Объектив Грегори
Данная схема была изобретена Джеймсом Грегори в 1663 году. В системе Грегори излучение от главного вогнутого параболического зеркала направляется на небольшое вогнутое эллиптическое зеркало, которое отражает пучок в фотоприемное устройство, помещённое в центральном отверстии главного зеркала. Наличие вторичного зеркала удлиняет фокусное расстояние и тем самым даёт возможность применять большие увеличения.
Размер приемного телескопа, построенного по схеме Грегори, получается больше, чем телескоп Ньютона и почти вдвое больше, чем объектив Кассегрена, что увеличивает экранирование, усложняет юстировку и её сохранность, транспортировку и эксплуатацию в целом.
Данная схема не получила такого распространения, как схемы Ньютона и Кассегрена, так как при прочих равных ее недостатки более существенны, и используется в некоторых специфических случаях.
Заключение
В процессе изучения зеркальных объективов, используемых в лидарах, и сравнения между собой различных схем, я сделал следующий вывод:
Зеркальные объективы имеют ряд преимуществ (по сравнению с линзовыми):
ѕ Высокая светосила и разрешающая способность
ѕ Отсутствие хроматических аберраций у зеркал
ѕ Высокий коэффициент светопропускания
ѕ При сравнительно несложной конструкции зеркальных систем можно получить достаточно совершенную коррекцию сферической аберрации
ѕ Зеркальные системы не содержат преломляющих поверхностей и поэтому удобны для использования в ИК и УФ областях спектра
Но кроме преимуществ зеркальные объективы имеют и недостатки:
ѕ Сложность изготовления и контроля асферических поверхностей зеркал
ѕ Сложность юстировки зеркальных систем
ѕ Сложности, связанные с использованием больших зеркал (влияние погодных условий, необходимость термостабилизации)
ѕ Зеркальные системы, как правило, имеют большую кому, что уменьшает полезное поле системы. Данный недостаток устраняют применением зеркально - линзовых схем.
Подобные документы
Призменный монокуляр: понятие, назначение, особенности конструкции. Рассмотрение оптической схемы монокуляров с призменными системами О. Малафеева, основные элементы: объектив, окуляр. Этапы аберрационного расчета окуляра с призмой в обратном ходе лучей.
курсовая работа , добавлен 18.01.2013
Габаритный расчет оптической системы прибора. Обоснование компонентов микроскопа. Исследование оптический системы объектива на ЭВМ. Расчет конструктивных параметров. Числовая апертура объектива в пространстве. Оптические параметры окуляра Гюйгенса.
курсовая работа , добавлен 19.03.2012
Фотоаппарат как оптический прибор. Фокусное расстояние фотообъектива. Поле зрения фотообъектива. Светосила объектива. Просветляющие покрытия. Стандартный ряд относительных отверстий. Разрешающая способность фотообъектива и гиперфокальное расстояние.
презентация , добавлен 30.01.2015
Многообразие рынка оптических приборов. Методы контрастирования изображения. Предметные и покровные стекла. Устройства защиты объектива. Система призм и зеркал. Счетные камеры и измерительные приспособления. Современные прямые металлургические микроскопы.
реферат , добавлен 27.11.2014
Идеальная оптическая система. Расчет призмы, выбор окуляра. Осесимметричная и пространственная оптическая система. Конструкционные параметры, аберрация объектив и призма. Расчет аберраций монокуляра. Выпуск чертежа сетки. Триора пространства предметов.
контрольная работа , добавлен 02.10.2013
Виды световых микроскопов, их комплектация. Правила использования и ухода за микроскопом. Классификация применяемых объективов в оптических приборах. Иммерсионные системы и счетные камеры световых микроскопов. Методы контрастирования изображения.
реферат , добавлен 06.10.2014
Роль электротехники в развитии судостроения. Функциональная схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Принцип работы электрической схемы вентилятора. Технология монтажа электрической схемы, используемые материалы и инструменты.
курсовая работа , добавлен 12.12.2009
Теоретический анализ основных контуров газонаполненного генератора импульсных напряжений, собранного по схеме Аркадьева-Мракса. Расчет разрядной схемы ГИН, разрядного контура на апериодичность. Измерение тока и напряжения ГИНа. Конструктивное исполнение.
курсовая работа , добавлен 19.04.2011
Выбор схемы генератора импульсов напряжения и общей компоновки конструкции. Расчет разрядного контура генератора, разрядных, фронтовых и демпферных сопротивлений, коммутаторов импульсной испытательной установки. Разработка схемы управления установкой.
курсовая работа , добавлен 29.11.2012
Понятие и сферы практического использования электронно-оптических преобразователей как устройств, преобразующих электронные сигналы в оптическое излучение или в изображение, доступное для восприятия человеком. Устройство, цели и задачи, принцип действия.
