Să fie lumină... lidar
Ca concept, lidar există de zeci de ani. Cu toate acestea, interesul pentru această tehnologie a explodat în ultimii ani, pe măsură ce senzorii devin mai mici, mai complexi, iar domeniul de aplicare al produselor cu tehnologie lidar se extinde din ce în ce mai mult.
Cuvântul lidar este o transliterare a LIDAR (Light Detection and Ranging - sistem de detectare a luminii și ranging). Aceasta este o tehnologie de obținere și procesare a informațiilor despre obiecte îndepărtate folosind sisteme optice active care utilizează fenomenele de reflectare și împrăștiere a luminii în medii transparente și translucide. Lidar ca dispozitiv este similar cu radarul, deci aplicarea lui este observarea și detectarea, dar în locul undelor radio ca în radar, folosește lumină, generată în marea majoritate a cazurilor de un laser. Termenul lidar este adesea folosit în mod interschimbabil cu ladar, care înseamnă detecție și distanță cu laser, deși conform lui Joe Buck, șeful de cercetare la Coherent Technologies, parte a diviziei de sisteme spațiale a Lockheed Martin, cele două concepte sunt diferite din punct de vedere tehnic. „Când te uiți la ceva care poate fi văzut ca un obiect moale, cum ar fi particulele sau aerosolii din aer, experții tind să folosească lidar atunci când vorbesc despre detectarea acestor obiecte. Când te uiți la obiecte dense, solide, cum ar fi o mașină sau un copac, atunci te înclini spre termenul ladar.” Mai multe despre lidar din punct de vedere științific, vezi secțiunea „Lidar: cum funcționează”.
„Lidar a făcut obiectul cercetării timp de zeci de ani de la introducerea sa la începutul anilor 60”, a continuat Buck. Cu toate acestea, interesul pentru ea a crescut considerabil de la începutul acestui secol, în primul rând datorită progresului tehnologic. El a citat ca exemplu imagistica cu deschidere sintetică. Cu cât telescopul este mai mare, cu atât se poate obține o rezoluție mai mare a obiectului. Dacă aveți nevoie de o rezoluție extrem de mare, atunci este posibil să aveți nevoie de un sistem optic mult mai mare, care poate să nu fie foarte convenabil din punct de vedere practic. Imaginile cu deschidere sintetică rezolvă această problemă prin utilizarea unei platforme mobile și a procesării semnalului pentru a obține o deschidere reală care poate fi mult mai mare decât deschiderea fizică. Radarul cu deschidere sintetică (SAR) a fost folosit de multe decenii. Cu toate acestea, abia la începutul anilor 2000 au început demonstrațiile practice ale imaginilor optice cu sinteză a diafragmei, chiar dacă laserele erau deja utilizate pe scară largă la acea vreme. „Într-adevăr a fost nevoie de mai mult timp pentru a dezvolta surse optice care să aibă suficientă stabilitate pe o gamă largă de reglare... Îmbunătățirile materialelor, surselor de lumină și detectoarelor (utilizate în lidar) continuă. Nu numai că aveți acum capacitatea de a efectua aceste măsurători, ci și le puteți face în unități mici, făcând sistemele practice în ceea ce privește dimensiunea, greutatea și consumul de energie.”
Potrivit lui Lockheed Martin, interesul pentru lidar a crescut la începutul acestui secol, datorită, desigur, progreselor tehnologice. În imagine este sistemul Lockheed Martin WindTracer de pază pe aeroportul din München
De asemenea, devine mai ușor și mai practic să colectați date de la lidar (sau informații colectate de lidar). În mod tradițional, a fost colectat de la senzorii aeronavei, spune Nick Rosengarten, șeful Grupului de produse pentru exploatare geospațială la BAE Systems. Cu toate acestea, astăzi senzorii pot fi instalați pe vehicule terestre sau chiar în rucsacuri, ceea ce implică colectarea datelor umane. „Acest lucru deschide o gamă întreagă de posibilități, datele pot fi acum colectate atât în interior, cât și în exterior”, a explicat Rosengarten. Mat Morris, Head of Geospatial Solutions la Textron Systems, spune: „Lidar este un set de date cu adevărat uimitor, deoarece oferă cele mai mari detalii de pe suprafața Pământului. Oferă o imagine mult mai detaliată și, dacă pot spune așa, mai colorată decât tehnologia digitală de date topografice DTED (Digital Terrain Elevation Data), care oferă informații cu privire la înălțimea suprafeței terestre 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, pentru că trebuie să știe unde vor merge... să urce pe un acoperiș sau să urce un gard. Datele DTED nu vă permit să le vedeți. Nici măcar nu vei vedea clădiri.”
Morris a remarcat că nici măcar unele dintre datele tradiționale de înaltă rezoluție ale cotei punctului de teren nu vă vor permite să vedeți aceste caracteristici. Dar lidar face acest lucru din cauza „spațierii dintre poziții”, un termen care descrie distanța dintre poziții care poate fi afișată cu precizie în setul de date. În cazul lidarului, „pasul de poziție” poate fi redus la centimetri, „deci puteți cunoaște cu exactitate înălțimea acoperișului unei clădiri, sau înălțimea unui perete, sau înălțimea unui copac. Chiar crește nivelul de conștientizare a situației tridimensionale (3D). În plus, costul senzorilor lidar este în scădere, la fel ca și dimensiunea acestora, făcându-i mai accesibile. „Acum zece ani, sistemele de senzori lidar erau foarte mari și foarte scumpe. Chiar aveau un consum mare de energie. Dar, pe măsură ce tehnologia a evoluat, platformele au devenit semnificativ mai mici, consumul de energie a scăzut și calitatea datelor pe care le generează s-a îmbunătățit.”
Un peisaj urban generat de instrumentul software Lidar Analyst de la Textron. Vă permite să explorați zona, să extrageți peisaje 3D și să afișați informații în programe de vizualizare 3D.
O serie de imagini lidar realizate cu aplicația SOCET GXP de la BAE Systems. Montarea mozaicului (colecția de imagini succesive) se poate realiza cu date lidar, indiferent de modul în care au fost obținute
Morris a spus că principala aplicație a lidarului în domeniul militar este planificarea 3D și misiunile de luptă. De exemplu, produsul Lidar Analyst al companiei sale pentru simularea zborului permite utilizatorilor să preia cantități mari de date și „să genereze rapid aceste modele 3D, apoi își pot planifica sarcinile 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 de ieșire în zona țintă și, deoarece datele sursă sunt de înaltă rezoluție, se poate efectua o analiză foarte precisă a situației în raza vizuală.”
Împreună cu Lidar Analyst, Textron a dezvoltat RemoteView, un produs software de analiză a imaginilor pentru agențiile militare și de informații din SUA. Software-ul RemoteView poate folosi o varietate de surse de date, inclusiv date lidar. BAE Systems oferă, de asemenea, software pentru analiză geospațială, produsul său emblematic aici este SOCET GXP, care oferă multe capabilități, inclusiv utilizarea datelor lidar. În plus, după cum a explicat Rosengarten, 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 Instrumentul de calcul al 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 ca un elicopter să aterizeze”. De exemplu, 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 evidențiat, de asemenea, potențialul metodei „tiling”, în care mai multe seturi de date lidar sunt colectate dintr-o anumită zonă și „împletite” împreună. Acest lucru este posibil datorită „preciziei îmbunătățite a metadatelor senzorului lidar atunci când sunt combinate cu software precum aplicația SOCET GXP a BAE Systems, care poate transforma metadatele în zone precise de la sol calculate folosind date geospațiale. Procesul se bazează pe date lidar și este independent de modul în care sunt colectate datele.”
Lockheed Martin vede o posibilă aplicație militară pentru tehnologia WindTracer. Acesta este un produs comercial care folosește lidar pentru a măsura forfecarea vântului în aeroporturi. O tehnologie similară ar putea fi folosită în armată pentru a îmbunătăți acuratețea drop-urilor. În imagine este sistemul WindTracer de pe aeroportul din Dubai
Cum funcționează: lidar
Lidar funcționează prin iluminarea unei ținte cu lumină. Lidar poate folosi lumină vizibilă, ultravioletă sau aproape infraroșie. Principiul de funcționare al unui lidar este simplu. Obiectul (suprafața) este iluminat cu un impuls scurt de lumină, se măsoară timpul după care semnalul revine la sursă. Lidar declanșează impulsuri rapide și scurte de radiație laser la un obiect (suprafață) cu o frecvență de până la 150000 de impulsuri pe secundă. Senzorul de pe dispozitiv măsoară intervalul de timp dintre transmiterea unui impuls de lumină și reflectarea acestuia, pe baza vitezei constante a luminii egală cu 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 acestuia față de lidar.
forfecarea vântului
Între timp, domnul Buck a arătat o posibilă aplicație militară pentru tehnologia WindTracer de la Lockheed Martin. Tehnologia comercială WindTracer folosește lidar pentru a măsura forfecarea vântului în aeroporturi. Același proces poate fi folosit în armată, de exemplu pentru drop-uri de precizie. „Trebuie să aruncați proviziile de la o înălțime suficient de mare, pentru aceasta le stivuiți pe paleți și le aruncați dintr-o parașută. Acum să vedem unde aterizează? Poți încerca să prezici unde vor ajunge, dar problema este că în timp ce cobori, forfecarea vântului la diferite înălțimi își schimbă direcția, a explicat el. - Și cum preziceți atunci unde va ateriza paletul? Dacă puteți măsura vântul și optimiza traiectoria, atunci puteți livra provizii 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. Aceasta este o tehnologie de cartografiere 3D și de navigație autonomă care utilizează lidar. Top Layer folosește lidar în două moduri, spune CEO-ul Roboteam, Shahar Abuhazira. Prima permite cartografierea spațiilor închise în timp real. „Uneori, videoclipul nu este suficient în condiții subterane, de exemplu, poate fi prea întuneric sau vizibilitatea s-a deteriorat din cauza prafului sau a fumului”, a adăugat Abuhazira. - Puterea lidarului vă permite să scăpați de situație fără orientare și înțelegere a mediului înconjurător... acum cartografiază camera, cartografiază tunelul. Imediat poți înțelege situația chiar dacă nu vezi nimic și chiar dacă nu știi unde te afli.”
A doua aplicație a lidar este în autonomia sa, ajutând operatorul să controleze mai mult de un sistem la un moment dat. „Un operator poate controla un AHA, dar există alte două AHA care pur și simplu urmăresc un vehicul operat de om și îl urmăresc automat”, a explicat el. În mod similar, un soldat poate intra într-o cameră și ANA urmează pur și simplu, așa că nu este nevoie să-l lași deoparte armă pentru a opera dispozitivul. „Face munca simplă și intuitivă.” AHA Probot mai mare de la Roboteam are și lidar la bord pentru a-l ajuta să parcurgă distanțe mai lungi. „Nu poți cere unui operator să apese un buton timp de trei zile la rând... folosești un senzor lidar pentru a urmări pur și simplu soldații, sau pentru a urmări o mașină, sau chiar să te muți automat dintr-un punct în altul, lidar în aceste situații va ajuta la evitarea obstacolelor. Abuhazira se așteaptă la descoperiri majore în acest domeniu în viitor. De exemplu, utilizatorii doreau să aibă o situație în care un om și un ANA interacționează ca doi soldați. „Nu vă controlați unul pe altul. Vă priviți unul la altul, vă chemați unul pe altul și procedați exact așa cum ar trebui să acționați. Cred că într-un fel vom obține acest nivel de comunicare între oameni și sisteme. Va fi mai eficient. Cred că lidarii ne conduc în această direcție.”
Software-ul TopLayer de la Roboteam permite AHA-urilor să cartografieze spații închise în timp real. Uneori filmarea video nu este suficientă în aceste condiții: poate fi fie întuneric, fie vizibilitatea este insuficientă din cauza prafului și a fumului
Mă duc în subteran
Abuhazira speră, de asemenea, că senzorii lidar vor îmbunătăți operațiunile în medii subterane periculoase. Senzorii Lidar oferă informații suplimentare prin cartografierea tunelurilor. În plus, el a observat că, uneori, într-un tunel mic și întunecat, operatorul poate nici măcar să nu realizeze că AHA conduce în direcția greșită. „Senzorii Lidar funcționează ca un GPS în timp real și fac ca procesul să arate ca un joc video. Îți poți vedea sistemul în tunel, știi unde mergi în timp real.”
Este de remarcat faptul că senzorii lidar sunt o altă sursă de date și nu ar trebui considerați un înlocuitor direct pentru radar. Buck a observat că există o mare diferență în lungimile de undă ale celor două tehnologii, care au propriile avantaje și dezavantaje. Adesea, cea mai bună soluție este utilizarea ambelor tehnologii, de exemplu, pentru a măsura parametrii vântului cu un nor de aerosoli. Lungimile de undă mai scurte ale senzorilor optici oferă o direcție mai bună decât lungimile de undă mai mari ale unui senzor RF (radar). Cu toate acestea, proprietățile de transmisie atmosferică sunt foarte diferite pentru cele două tipuri de senzori. „Radarul este capabil să treacă prin anumite tipuri de nori cu care lidar ar fi dificil să le facă față. Dar în ceață, de exemplu, lidarul poate funcționa puțin mai bine decât radarul.”
Rosengarten a spus că combinarea lidar cu alte surse de lumină, cum ar fi datele pancromatice (când imaginea este construită folosind o gamă largă de unde luminoase), va oferi o imagine completă a zonei de interes. Un bun exemplu aici este definiția unei platforme de aterizare pentru elicopter. Un lidar poate scana o zonă și poate spune că are pantă zero, indiferent de faptul că se uită de fapt la un lac. Acest tip de informații pot fi obținute prin utilizarea altor surse de lumină. Rosengarten consideră că industria se va concentra în cele din urmă pe îmbinarea tehnologiilor, reunind diferite surse de date vizuale și alte date luminoase. „Va găsi modalități de a aduce toate datele sub o singură umbrelă... Obținerea de informații precise și cuprinzătoare nu înseamnă doar utilizarea datelor lidar, ci o sarcină complexă care implică toate tehnologiile disponibile.”
Conform site-urilor:
www.nationaldefensemagazine.org
www.lockheedmartin.com
www.baesystems.com
www.textron.com
www.robo-team.com
www.robotshop.com
www.geoplus.com
www.nplus1.ru
informații