Рабочий принцип LiDAR сенсоров

Простая техника работы LiDAR сенсоров включает 4 основных этапа: излучение лазера, распространение луча, прием эха и обработку данных.

1. Излучение лазера:

Излучатель в системе LiDAR испускает высокоэнергетические лазерные импульсы на заданных частотах, обычно в ближнем инфракрасном спектре, с высокой направленностью и яркостью, способные распространяться по прямой линии через воздух.

2. Распространение и рассеяние луча:

Лазерные импульсы фокусируются оптической системой и проецируются в заданном направлении. При касании с целевым объектом происходит рассеяние, и часть рассеянного света отражается обратно.

3. Прием эха:

Сенсор оснащен высокоточным оптическим приемником для захвата и сбора отраженных лазерных импульсов, минимизируя шумовые помехи и улучшая соотношение сигнал/шум для обеспечения эффективного сбора сигналов.

4. Расчет расстояния и позиционирование:

Используя известную скорость света, LiDAR может точно рассчитывать расстояние до целевого объекта, фиксируя временную разницу (Time-of-Flight, TOF) между излучением импульса и приемом эха.

5. Обработка данных и моделирование:

Принятые эхосигналы преобразуются в электрические сигналы и обрабатываются алгоритмами для определения положения, размера и формы целевого объекта. Продвинутые системы LiDAR сканируют с разных углов и накапливают несколько импульсов, чтобы получить богатые данные точечного облака, формируя высокоточные 3D географические информационные модели.

Характеристики различных типов LiDAR

LiDAR можно классифицировать по методам сканирования:

1. Механический вращающийся LiDAR:

При помощи мотора инструмент излучения лазера вращается для получения 360° всенаправленного сканирования, фиксируя панорамные данные окружающей среды.

2. Твердотельный LiDAR:

Использует MEMS-зеркала или другие немеханические компоненты для достижения сканирования луча, обеспечивая компактный размер, низкую стоимость и долгий срок службы.

3. Flash LiDAR:

Излучает большую площадь лазера мгновенно, покрывая всю область видимости за один раз, быстро получая 3D изображения статичных сцен без механического вращения.

4. Фазированный массив LiDAR:

Контролирует фазовые отношения нескольких блоков излучения лазера для достижения электронного сканирования без механических компонентов, обеспечивая быструю реакцию и компактную структуру.

Преимущества и недостатки LiDAR сенсоров

Преимущества:

1. Высокоточное позиционирование и измерение расстояния:

LiDAR сенсоры могут измерять положение и расстояние до целей с субмиллиметровой точностью, что позволяет точно позиционировать и отслеживать, широко применяются в автономном вождении и навигации роботов.

2. Широкое поле зрения:

Покрывает широкое поле зрения, способное обнаруживать несколько целей одновременно, что выгодно в сценариях с несколькими целями.

3. Сильная помехоустойчивость:

Не подвержены влиянию окружающего света, обеспечивая стабильную и надежную работу в различных условиях освещения.

4. Длинная рабочая дистанция:

Покрывает рабочие дистанции от нескольких метров до нескольких сотен метров, подходя для различных применений.

Недостатки:

1. Влияние экстремальных погодных условий:

Производительность LiDAR страдает от экстремальных погодных условий, таких как снег и дождь, что может привести к неточной 3D картографии и повлиять на точность местоположения беспилотных транспортных средств.

2. Медленная скорость сканирования:

Несмотря на всенаправленное сканирование, LiDAR сканирует медленнее других радиолокационных технологий, ограничивая его использование в быстро движущихся и высокодинамичных сценариях.

3. Влияние сильного света:

В условиях сильного света LiDAR может испытывать помехи, что приводит к ошибкам.

4. Высокая стоимость:

Высокие производственные и разработочные затраты ограничивают его применение в некоторых областях.

Области применения и случаи

LiDAR сенсоры играют важную роль в различных областях:

1. Автономное вождение:

Автономные транспортные средства зависят от LiDAR для построения карт окружающей среды в реальном времени, помогая выявлять препятствия, пешеходов и других участников дорожного движения для принятия безопасных решений при вождении.

2. Картография дронов:

Дроны, оснащенные LiDAR, выполняют высокоточную картографию сложных рельефов и ландшафтов, предоставляя детальные пространственные данные для сельского хозяйства, лесного хозяйства, геологических исследований, городского строительства и других областей.

3. Интеллектуальный транспорт:

Используется для мониторинга дорог, статистики потока трафика и планирования сети, повышая безопасность и эффективность дорожного движения.

4. Экологический мониторинг:

Отслеживает загрязнение воздуха, частицы пыли и распределение лесной растительности с помощью LiDAR, предоставляя научные данные для климатических исследований и экологической защиты.

Резюме

С уникальными принципами работы и отличными характеристиками LiDAR сенсоры стали неотъемлемой частью современной технологии. В базовых научных исследованиях и практических применениях LiDAR движет многие отрасли к повышению точности и интеллектуализации. С развитием технологий и снижением стоимости LiDAR найдет более широкое применение в различных областях, становясь важной инфраструктурой для поддержки строительства цифрового общества.