Lidar

För annan användning, se Lidar (disambiguation) .
Lidar-härledd bild av Marching Bears Mound Group, Effigy Mounds National Monument
En frekvensadditionskälla för optisk strålning ( FASOR) som används vid Starfire Optical Range för lidar- och laserstyrstjärnexperiment är avstämd till natrium D2a-linjen och används för att excitera natriumatomer i den övre atmosfären .
Denna lidar kan användas för att skanna byggnader, klippformationer etc. för att producera en 3D-modell. Lidaren kan rikta sin laserstråle inom ett brett område: huvudet roterar horisontellt; en spegel lutar vertikalt. Laserstrålen används för att mäta avståndet till det första objektet på dess väg.
Ett flygplan som samlar in trädtoppsdata över en brasiliansk regnskog
I denna vy flyger betraktaren ner till regnskogens tak och flyger genom de virtuella löven.
Denna visualisering visar ett flygplan som samlar en 50-kilometer lång rad lidardata över den brasilianska regnskogen. För marknära funktioner sträcker sig färgerna från djupbrun till brun. Vegetationshöjder är avbildade i gröna nyanser, där mörkgröna är närmast marken och ljusgröna är högst.

Lidar ( / ˈ l aɪ d ɑːr / , även LIDAR , eller LiDAR ; ibland LADAR ) är en förkortning av "ljusdetektering och avståndstagning" eller "laseravbildning, detektering och avstånd". Det är en metod för att bestämma avstånd genom att rikta in ett objekt eller en yta med en laser och mäta tiden för det reflekterade ljuset att återvända till mottagaren. Det kallas ibland för 3D-laserskanning , en speciell kombination av 3D-skanning och laserskanning . LIDAR har markbaserade, luftburna och mobila applikationer.

Lidar används ofta för att göra högupplösta kartor, med applikationer inom lantmäteri , geodesi , geomatik , arkeologi , geografi , geologi , geomorfologi , seismologi , skogsbruk , atmosfärsfysik , laserguidning , luftburen lasersträckkartläggning (ALSM) och laserhöjdmätare . Den används för att göra digitala 3D-representationer av områden på jordens yta och havsbotten i tidvattenzonen och nära kustzonen genom att variera ljusets våglängd. Den har också alltmer använts i kontroll och navigering för autonoma bilar och för helikoptern Ingenuity på sina rekordflygningar över Mars terräng .

Historia och etymologi

Under ledning av Malcolm Stitch introducerade Hughes Aircraft Company det första lidarliknande systemet 1961, kort efter laserns uppfinning. Avsett för satellitspårning kombinerade detta system laserfokuserad bildbehandling med möjligheten att beräkna avstånd genom att mäta tiden för en signal att återvända med hjälp av lämpliga sensorer och datainsamlingselektronik. Det kallades ursprungligen "Colidar", en förkortning för "koherent ljusdetektering och avstånd", härledd från termen " radar ", i sig en förkortning för "radiodetektering och avstånd". Alla laseravståndsmätare , laserhöjdmätare och lidarenheter är härledda från de tidiga kolidarsystemen. Den första praktiska markbaserade tillämpningen av ett kolidarsystem var "Colidar Mark II", en stor gevärsliknande laseravståndsmätare tillverkad 1963 som hade en räckvidd på 7 miles och en noggrannhet på 15 fot, för att användas för militär målinriktning. Det första omnämnandet av lidar som ett fristående ord 1963 antyder att det har sitt ursprung som en portmanteau av " ljus " och "radar": "Så småningom kan lasern tillhandahålla en extremt känslig detektor av speciella våglängder från avlägsna objekt. Samtidigt håller den på att används för att studera månen med "lidar" (ljusradar) ..." Namnet " fotonisk radar " används ibland för att betyda räckviddssökning med synligt spektrum som lidar.

Lidars första tillämpningar var inom meteorologi, för vilken National Center for Atmospheric Research använde den för att mäta moln och föroreningar. Allmänheten blev medveten om noggrannheten och användbarheten av lidar-system 1971 under Apollo 15- uppdraget, när astronauter använde en laserhöjdmätare för att kartlägga månens yta. Även om det engelska språket inte längre behandlar "radar" som en akronym, (dvs. utan stor bokstav), var ordet "lidar" versaler som "LIDAR" eller "LiDAR" i vissa publikationer som började på 1980-talet. Det finns ingen konsensus om versaler. Olika publikationer refererar till lidar som "LIDAR", "LiDAR", "LIDaR" eller "Lidar". USGS , ibland i samma dokument; New York Times använder övervägande "lidar" för personalskrivna artiklar, även om bidragande nyhetsflöden som Reuters kan använda Lidar.

Allmän beskrivning

Lidar använder ultraviolett , synligt eller nära infrarött ljus för att avbilda objekt. Den kan rikta in sig på ett brett utbud av material, inklusive icke-metalliska föremål, stenar, regn, kemiska föreningar, aerosoler , moln och till och med enstaka molekyler . En smal laserstråle kan kartlägga fysiska egenskaper med mycket hög upplösning ; till exempel kan ett flygplan kartlägga terräng med en upplösning på 30 centimeter (12 tum) eller bättre.

Grundläggande flygtid-principer tillämpade på laseravståndsmätning
Flyger över den brasilianska Amazonas med ett LIDAR-instrument
Animation av en satellit som samlar in digitala höjdkartdata över Ganges- och Brahmaputraflodbassängen med hjälp av lidar

Det väsentliga konceptet med lidar uppstod av EH Synge 1930, som tänkte sig användningen av kraftfulla strålkastare för att undersöka atmosfären. Ja, lidar har sedan dess använts flitigt för atmosfärisk forskning och meteorologi . Lidar-instrument som är monterade på flygplan och satelliter utför kartläggning och kartläggning – ett färskt exempel är US Geological Survey Experimental Advanced Airborne Research Lidar. NASA har identifierat lidar som en nyckelteknologi för att möjliggöra autonom precisionssäker landning av framtida robot- och månlandningsfordon.

Våglängderna varierar för att passa målet: från cirka 10 mikrometer ( infraröd ) till cirka 250 nm ( UV ). Normalt reflekteras ljus via backscattering , i motsats till ren reflektion man kan hitta med en spegel. Olika typer av spridning används för olika lidar-applikationer: oftast Rayleigh-spridning , Mie-spridning , Raman-spridning och fluorescens . Lämpliga kombinationer av våglängder kan möjliggöra fjärrkartering av atmosfäriskt innehåll genom att identifiera våglängdsberoende förändringar i intensiteten hos den returnerade signalen. Namnet "fotonisk radar" används ibland för att betyda räckviddssökning med synligt spektrum som lidar, även om fotonisk radar mer strikt hänvisar till radiofrekvensavståndssökning med fotonikkomponenter .

Teknologi

Matematisk formel

En lidar bestämmer avståndet för ett objekt eller en yta med formeln :

där är ljusets hastighet , är avståndet mellan detektorn och objektet eller ytan som detekteras, och är den tid det tar för laserljuset att färdas till föremålet eller ytan som detekteras, och för sedan tillbaka till detektorn.

Design

Klicka på bilden för att se animationen. Ett grundläggande lidarsystem innefattar en laseravståndsmätare som reflekteras av en roterande spegel (överst). Lasern skannas runt scenen som digitaliseras, i en eller två dimensioner (mitten), och samlar in avståndsmätningar med specificerade vinkelintervall (nederst).

De två typerna av lidar-detekteringsscheman är "okoherent" eller direkt energidetektering (som huvudsakligen mäter amplitudförändringar hos det reflekterade ljuset) och koherent detektering (bäst för att mäta dopplerförskjutningar , eller förändringar i det reflekterade ljusets fas). Koherenta system använder i allmänhet optisk heterodyndetektering . Detta är känsligare än direkt detektering och gör att de kan arbeta med mycket lägre effekt, men kräver mer komplexa sändtagare.

Båda typerna använder pulsmodeller: antingen mikropuls eller högenergi . Mikropulssystem använder intermittenta energiskurar. De utvecklades som ett resultat av ständigt ökande datorkraft, i kombination med framsteg inom laserteknik. De använder betydligt mindre energi i lasern, vanligtvis i storleksordningen en mikrojoule , och är ofta "ögonsäkra", vilket innebär att de kan användas utan säkerhetsåtgärder. Högeffektsystem är vanliga inom atmosfärisk forskning, där de används i stor utsträckning för att mäta atmosfäriska parametrar: molnens höjd, skiktning och täthet, molnpartikelegenskaper (extinktionskoefficient, backscatter-koefficient, depolarisation), temperatur, tryck, vind , fuktighet , och spårgaskoncentration (ozon, metan, dikväveoxid, etc.).

Komponenter

Lidar-system består av flera huvudkomponenter.

Laser

600–1000 nm lasrar är vanligast för icke-vetenskapliga tillämpningar. Laserns maximala effekt är begränsad, eller så används ett automatiskt avstängningssystem som stänger av lasern på specifika höjder för att göra den ögonsäker för människorna på marken.

Ett vanligt alternativ, 1550 nm lasrar, är ögonsäkra vid relativt höga effektnivåer eftersom denna våglängd inte absorberas starkt av ögat, men detektortekniken är mindre avancerad och så vidare används dessa våglängder i allmänhet på längre avstånd med lägre noggrannhet. De används också för militära tillämpningar eftersom 1550 nm inte är synligt i mörkerseende , till skillnad från den kortare 1000 nm infraröda lasern.

Luftburna topografiska karteringslidarer använder i allmänhet 1064 nm diodpumpade YAG - lasrar, medan batymetriska (undervattensdjupforskning) system i allmänhet använder 532 nm frekvensfördubblade diodpumpade YAG-lasrar eftersom 532 nm penetrerar vatten med mycket mindre dämpning än 1064 nm. Laserinställningar inkluderar laserrepetitionsfrekvensen (som styr datainsamlingshastigheten). Pulslängden är i allmänhet ett attribut för laserkavitetslängden, antalet passager som krävs genom förstärkningsmaterialet (YAG, YLF , etc.) och Q-switch (pulserande) hastighet. Bättre målupplösning uppnås med kortare pulser, förutsatt att lidar-mottagarens detektorer och elektronik har tillräcklig bandbredd.

Fasade arrayer

En fasad array kan belysa vilken riktning som helst genom att använda en mikroskopisk grupp av individuella antenner. Att styra timingen (fasen) för varje antenn styr en sammanhängande signal i en specifik riktning.

Fasade arrayer har använts i radar sedan 1940-talet. Samma teknik kan användas med ljus. I storleksordningen en miljon optiska antenner används för att se ett strålningsmönster av en viss storlek i en viss riktning. Systemet styrs genom att tajma den exakta blixten. Ett enda chip (eller några få) ersätter ett elektromekaniskt system för USD 75 000, vilket drastiskt minskar kostnaderna.

Flera företag arbetar med att utveckla kommersiella solid-state lidar-enheter.

Kontrollsystemet kan ändra formen på objektivet för att aktivera zooma in/zooma ut funktioner. Specifika underzoner kan riktas in med intervaller på under sekunder.

Elektromekanisk lidar varar i mellan 1 000 och 2 000 timmar. Däremot kan solid-state lidar köras i 100 000 timmar.

Mikroelektromekaniska maskiner

Mikroelektromekaniska speglar (MEMS) är inte helt i solid state. Men deras lilla formfaktor ger många av samma kostnadsfördelar. En enda laser riktas mot en enda spegel som kan omorienteras för att se vilken del av målfältet som helst. Spegeln snurrar i snabb takt. Men MEMS-system fungerar vanligtvis i ett enda plan (vänster till höger). För att lägga till en andra dimension krävs vanligtvis en andra spegel som rör sig upp och ner. Alternativt kan en annan laser träffa samma spegel från en annan vinkel. MEMS-system kan störas av stötar/vibrationer och kan kräva upprepad kalibrering.

Scanner och optik

Bildframkallningshastigheten påverkas av hastigheten med vilken de skannas. Alternativen för att skanna azimut och höjd inkluderar dubbla oscillerande planspeglar, en kombination med en polygonspegel och en dubbelaxlig skanner . Optiska val påverkar vinkelupplösningen och räckvidden som kan detekteras. En hålspegel eller en stråldelare är alternativ för att samla in en retursignal.

Fotodetektor och mottagareelektronik

Två huvudsakliga fotodetektorteknologier används i lidar: halvledarfotodetektorer , såsom lavinfotodioder av kisel eller fotomultiplikatorer . Mottagarens känslighet är en annan parameter som måste balanseras i en lidardesign.

Positions- och navigationssystem

Lidar-sensorer monterade på mobila plattformar som flygplan eller satelliter kräver instrumentering för att bestämma sensorns absoluta position och orientering. Sådana anordningar inkluderar i allmänhet en Global Positioning System- mottagare och en tröghetsmätenhet (IMU).

Sensor

Lidar använder aktiva sensorer som ger sin egen belysningskälla. Energikällan träffar föremål och den reflekterade energin detekteras och mäts av sensorer. Avståndet till objektet bestäms genom att registrera tiden mellan sända och tillbakaspridda pulser och genom att använda ljusets hastighet för att beräkna tillryggalagd sträcka. Blixt LIDAR möjliggör 3D-avbildning på grund av kamerans förmåga att avge en större blixt och känna av de rumsliga förhållandena och dimensionerna av området av intresse med den återlämnade energin. Detta möjliggör mer exakt avbildning eftersom de fångade ramarna inte behöver sys ihop och systemet är inte känsligt för plattformsrörelser. Detta resulterar i mindre förvrängning.

3D-avbildning kan uppnås med både skannings- och icke-skannande system. "3-D gated viewing laser radar" är ett icke-skannande laseravståndssystem som applicerar en pulsad laser och en snabb gated kamera. Forskning har påbörjats för virtuell strålstyrning med hjälp av DLP-teknik ( Digital Light Processing) .

Bildåtergivning av lidar kan också utföras med arrayer av höghastighetsdetektorer och moduleringskänsliga detektorarrayer, vanligtvis byggda på enstaka chip med hjälp av komplementära metall-oxid-halvledare (CMOS) och hybrid CMOS/ Charge-coupled device (CCD) tillverkningstekniker. I dessa enheter utför varje pixel viss lokal bearbetning såsom demodulering eller grindning med hög hastighet, vilket nedkonverterar signalerna till videohastighet så att arrayen kan läsas som en kamera. Med denna teknik kan många tusen pixlar/kanaler erhållas samtidigt. Högupplösta 3-D lidar-kameror använder homodyndetektering med en elektronisk CCD- eller CMOS- slutare .

En koherent bildåtergivningslidar använder syntetisk array-heterodyne-detektion för att göra det möjligt för en stirrande enelementmottagare att agera som om den vore en bildåtergivningsarray.

2014 tillkännagav Lincoln Laboratory ett nytt bildchip med mer än 16 384 pixlar, som var och en kan avbilda en enda foton, vilket gör det möjligt för dem att fånga ett brett område i en enda bild. En tidigare generation av tekniken med en fjärdedel så många pixlar sändes av den amerikanska militären efter jordbävningen i Haiti i januari 2010. En enda passage av ett affärsjetflygplan på 3 000 meter (10 000 fot) över Port-au-Prince kunde fånga ögonblicksbilder av 600 meter stora kvadrater av staden med en upplösning på 30 centimeter (12 tum), som visar den exakta höjden av spillror strödda på stadens gator. Det nya systemet är tio gånger bättre och skulle kunna producera mycket större kartor snabbare. Chipet använder indiumgalliumarsenid (InGaAs), som verkar i det infraröda spektrumet vid en relativt lång våglängd som möjliggör högre effekt och längre räckvidder. I många applikationer, till exempel självkörande bilar, kommer det nya systemet att sänka kostnaderna genom att det inte krävs en mekanisk komponent för att rikta chippet. InGaAs använder mindre farliga våglängder än konventionella kiseldetektorer, som arbetar vid visuella våglängder.

Flash lidar

I flash lidar belyses hela synfältet med en bred divergerande laserstråle i en enda puls. Detta i motsats till konventionell scanning lidar, som använder en kollimerad laserstråle som lyser upp en enda punkt i taget, och strålen rasterskannas för att belysa synfältet punkt för punkt. Denna belysningsmetod kräver också ett annat detekteringsschema. I både skanning och blixtlidar används en flygtidskamera för att samla in information om både 3D-platsen och intensiteten av ljuset som faller in på den i varje bildruta. Men vid skanning av lidar innehåller denna kamera endast en punktsensor, medan i blixtlidar innehåller kameran antingen en 1-D eller en 2-D sensoruppsättning, vars varje pixel samlar in 3D-information om plats och intensitet . I båda fallen samlas djupinformationen in med hjälp av laserpulsens flygtid (dvs den tid det tar för varje laserpuls att träffa målet och återvända till sensorn), vilket kräver pulsering av lasern och inhämtning av kameran som ska synkroniseras. Resultatet är en kamera som tar bilder av avstånd, istället för färger. Blixt-lidar är särskilt fördelaktigt jämfört med att skanna lidar, när kameran, scenen eller båda rör sig, eftersom hela scenen är upplyst samtidigt. Med scanning lidar, kan rörelse orsaka "jitter" från förloppet i tid när lasern raster över scenen.

Som med alla former av lidar gör den inbyggda belysningskällan flash-lidar till en aktiv sensor. Signalen som returneras bearbetas av inbäddade algoritmer för att producera en nästan omedelbar 3D-rendering av objekt och terrängegenskaper inom sensorns synfält. Laserpulsrepetitionsfrekvensen är tillräcklig för att generera 3D-videor med hög upplösning och noggrannhet. Sensorns höga bildhastighet gör den till ett användbart verktyg för en mängd olika applikationer som drar nytta av realtidsvisualisering, såsom mycket exakta fjärrlandningsoperationer. Genom att omedelbart returnera ett 3D-höjdnät av mållandskap kan en blixtsensor användas för att identifiera optimala landningszoner i autonoma rymdfarkosters landningsscenarier.

Att se på avstånd kräver en kraftfull ljusskur. Kraften är begränsad till nivåer som inte skadar mänskliga näthinnor. Våglängder får inte påverka mänskliga ögon. Billiga kiselbilder läser dock inte ljus i det ögonsäkra spektrumet. Istället krävs gallium-arsenid- avbildare, vilket kan öka kostnaderna till $200 000. Gallium-arsenid är samma förening som används för att producera högkostnadseffektiva solpaneler som vanligtvis används i rymdtillämpningar

Klassificering

Baserat på orientering

Lidar kan vara orienterad till nadir , zenit eller lateralt. Till exempel, lidar-höjdmätare tittar ner, en atmosfärisk lidar tittar upp och lidar-baserade kollisionsundvikande system är sidoblickande.

Baserat på skanningsmekanism

Laserprojektioner av lidarer kan manipuleras med olika metoder och mekanismer för att producera en skanningseffekt: standardspindeltypen, som snurrar för att ge en 360-graders vy; solid-state lidar, som har ett fast synfält, men inga rörliga delar, och kan använda antingen MEMS eller optiska fasade arrayer för att styra strålarna; och flash lidar, som sprider en ljusblixt över ett stort synfält innan signalen studsar tillbaka till en detektor.

Baserat på plattform

Lidar-applikationer kan delas in i luftburna och terrestra typer. De två typerna kräver skannrar med varierande specifikationer baserat på datas syfte, storleken på området som ska fångas, önskat mätområde, kostnaden för utrustning och mer. Rymdburna plattformar är också möjliga, se satellitlaserhöjdmetri .

Luftburet

Luftburen lidar (även luftburen laserskanning ) är när en laserskanner, samtidigt som den är ansluten till ett flygplan under flygning, skapar en 3D-punktmolnmodell av landskapet. Detta är för närvarande den mest detaljerade och korrekta metoden för att skapa digitala höjdmodeller som ersätter fotogrammetri . En stor fördel i jämförelse med fotogrammetri är möjligheten att filtrera bort reflektioner från vegetation från punktmolnsmodellen för att skapa en digital terrängmodell som representerar markytor som floder, stigar, kulturarv etc. som är dolda av träd. Inom kategorin luftburen lidar görs ibland en skillnad mellan höghöjds- och låghöjdsapplikationer, men den största skillnaden är en minskning av både noggrannhet och punkttäthet för data som förvärvats på högre höjder. Luftburen lidar kan också användas för att skapa batymetriska modeller i grunt vatten.

Huvudbeståndsdelarna i luftburen lidar inkluderar digitala höjdmodeller (DEM) och digitala ytmodeller (DSM). Punkterna och jordpunkterna är vektorerna för diskreta punkter medan DEM och DSM är interpolerade rasternät av diskreta punkter. Processen innebär också att digitala flygfoton tas. För att tolka djupt liggande jordskred till exempel, under täckmantel av vegetation, används bränder, spänningssprickor eller tippade träd luftburen lidar. Luftburna lidar digitala höjdmodeller kan se genom trädkronorna av skog, utföra detaljerade mätningar av scarps, erosion och lutning av elektriska stolpar.

Luftburen lidar-data behandlas med hjälp av en verktygslåda som heter Toolbox for Lidar Data Filtering and Forest Studies (TIFFS) för lidar-datafiltrering och programvara för terrängstudier. Data interpoleras till digitala terrängmodeller med hjälp av programvaran. Lasern riktas mot området som ska kartläggas och varje punkts höjd över marken beräknas genom att subtrahera den ursprungliga z-koordinaten från motsvarande digitala terrängmodellhöjd. Baserat på denna höjd över marken erhålls icke-vegetationsdata som kan innefatta objekt som byggnader, elledningar, flygande fåglar, insekter etc. Resten av punkterna behandlas som vegetation och används för modellering och kartläggning. Inom var och en av dessa plotter beräknas lidarmått genom att beräkna statistik som medelvärde, standardavvikelse, skevhet, percentiler, kvadratiskt medelvärde, etc.

Lidar-skanning utförd med en multikopter- UAV

Drönare används nu med laserskannrar, såväl som andra fjärrsensorer, som en mer ekonomisk metod för att skanna mindre områden. Möjligheten till drönarfjärranalys eliminerar också alla faror som flygplansbesättningar kan utsättas för i svår terräng eller avlägsna områden.

Airborne Lidar Bathymetric Technology-Högupplöst multibeam lidarkarta som visar spektakulärt förkastad och deformerad havsbottengeologi, i skuggad relief och färgad av djup [ citat behövs ] [ tvivelaktigt – diskutera ]

Luftburen lidar-batymetri

Det luftburna lidar- batymetriska teknologiska systemet innefattar mätning av flygtiden för en signal från en källa till dess återgång till sensorn. Datainsamlingstekniken involverar en komponent för kartläggning av havsbotten och en marksanningskomponent som inkluderar videotransekter och sampling. Den fungerar med en grönt spektrum (532 nm) laserstråle. Två strålar projiceras på en snabbt roterande spegel, som skapar en rad punkter. En av balkarna tränger in i vattnet och känner även av vattnets bottenyta under gynnsamma förhållanden.

Vattendjup som kan mätas med lidar beror på vattnets klarhet och absorptionen av den använda våglängden. Vatten är mest genomskinligt för grönt och blått ljus, så dessa kommer att penetrera djupast i rent vatten. Blågrönt ljus på 532 nm producerat av frekvensfördubblad solid state IR-laserutgång är standarden för luftburen batymetri. Detta ljus kan penetrera vatten men pulsstyrkan dämpas exponentiellt med avståndet som tillryggalagts genom vattnet. Lidar kan mäta djup från cirka 0,9 m till 40 m, med en vertikal noggrannhet i storleksordningen 0,15 m. Ytreflektionen gör vatten grundare än cirka 0,9 m svårt att lösa upp, och absorptionen begränsar det maximala djupet. Grumlighet orsakar spridning och har en betydande roll för att bestämma det maximala djupet som kan lösas i de flesta situationer, och lösta pigment kan öka absorptionen beroende på våglängd. Andra rapporter tyder på att vatteninträngningen tenderar att vara mellan två och tre gånger Secchi-djupet. Batymetrisk lidar är mest användbar inom djupområdet 0 till 10 m vid kustkartering.

I genomsnitt kan lidar i ganska klart kustvatten tränga in till ca 7 m och i grumligt vatten upp till ca 3 m. Ett medelvärde som hittats av Saputra et al, 2021, är för det gröna laserljuset att penetrera vatten cirka 1,5 till 2 gånger Secchi-djupet i indonesiska vatten. Vattentemperatur och salthalt har en effekt på brytningsindex som har en liten effekt på djupberäkningen.

De erhållna uppgifterna visar den fulla utsträckningen av markytan som exponeras ovanför havsbotten. Denna teknik är extremt användbar eftersom den kommer att spela en viktig roll i det stora kartläggningsprogrammet för havsbotten. Kartläggningen ger såväl landtopografi som undervattenshöjder. Havsbottenreflektansavbildning är en annan lösningsprodukt från detta system som kan gynna kartläggning av undervattensmiljöer. Denna teknik har använts för tredimensionell bildkartering av Kaliforniens vatten med hjälp av en hydrografisk lidar.

Helvågs LiDAR

Luftburna LiDAR-system kunde traditionellt bara få ett fåtal toppavkastningar, medan nyare system förvärvar och digitaliserar hela den reflekterade signalen. Forskare analyserade vågformssignalen för att extrahera toppavkastning med Gaussisk nedbrytning. Zhuang et al, 2017 använde detta tillvägagångssätt för att uppskatta biomassa ovanjord. Att hantera de enorma mängderna fullvågsdata är svårt. Därför är Gaussisk nedbrytning av vågformerna effektiv, eftersom den minskar data och stöds av befintliga arbetsflöden som stöder tolkning av 3D- punktmoln . Nyligen genomförda studier undersökte voxelisering . Intensiteterna för vågformsproverna infogas i ett voxeliserat utrymme (dvs 3D-gråskalebild) som bygger upp en 3D-representation av det skannade området. Relaterad statistik och information kan sedan extraheras från det voxeliserade utrymmet. Strukturell information kan extraheras med hjälp av 3D-mått från lokala områden och det finns en fallstudie som använde voxeliseringsmetoden för att upptäcka döda stående Eucalypt-träd i Australien.

Markbundna

Terrestra tillämpningar av lidar (även markbaserad laserskanning ) sker på jordens yta och kan vara antingen stationära eller mobila. Stationär markbaserad skanning är vanligast som undersökningsmetod, till exempel inom konventionell topografi, övervakning, kulturarvsdokumentation och kriminalteknik. De 3D-punktmoln som erhållits från dessa typer av skannrar kan matchas med digitala bilder tagna av det skannade området från skannerns plats för att skapa realistiska 3D-modeller på relativt kort tid jämfört med andra tekniker. Varje punkt i punktmolnet får färgen på pixeln från bilden tagen på samma plats och riktning som laserstrålen som skapade punkten.

Mobil lidar (även mobil laserskanning ) är när två eller flera skannrar är anslutna till ett fordon i rörelse för att samla in data längs en väg. Dessa skannrar är nästan alltid ihopparade med annan typ av utrustning, inklusive GNSS- mottagare och IMU . Ett exempel på applikation är mätning av gator, där kraftledningar, exakta brohöjder, angränsande träd etc. måste beaktas. Istället för att samla in var och en av dessa mätningar individuellt i fält med en tachymeter , kan en 3D-modell från ett punktmoln skapas där alla mätningar som behövs kan göras, beroende på kvaliteten på insamlad data. Detta eliminerar problemet med att glömma att göra en mätning, så länge som modellen är tillgänglig, pålitlig och har en lämplig nivå av noggrannhet.

Terrestrisk lidar-kartläggning involverar en process för generering av beläggningsnätkartor . Processen involverar en uppsättning celler uppdelade i rutnät som använder en process för att lagra höjdvärdena när lidardata faller in i respektive rutnätscell. En binär karta skapas sedan genom att tillämpa en viss tröskel på cellvärdena för vidare bearbetning. Nästa steg är att behandla det radiella avståndet och z-koordinaterna från varje skanning för att identifiera vilka 3D-punkter som motsvarar var och en av de specificerade rutnätscellerna som leder till databildningsprocessen.

Ansökningar

Denna mobila robot använder sin lidar för att konstruera en karta och undvika hinder.

Det finns ett brett utbud av lidar-applikationer, förutom de applikationer som anges nedan, eftersom det ofta nämns i nationella lidar-datauppsättningsprogram . Dessa tillämpningar bestäms till stor del av intervallet för effektiv objektdetektering; upplösning, vilket är hur exakt lidar identifierar och klassificerar objekt; och reflektansförvirring, vilket betyder hur väl lidar kan se något i närvaro av ljusa föremål, som reflekterande tecken eller stark sol.

Företag arbetar för att sänka kostnaderna för lidarsensorer, för närvarande allt från cirka 1 200 USD till mer än 12 000 USD. Lägre priser kommer att göra lidar mer attraktivt för nya marknader.

Lantbruk

Graphic of a lidar return, featuring different crop yield rates.
Lidar används för att analysera avkastningen på jordbruksmarker.

Jordbruksrobotar har använts för en mängd olika ändamål, allt från spridning av utsäde och gödningsmedel, avkänningstekniker såväl som grödor för uppgiften att bekämpa ogräs.

Lidar kan hjälpa till att avgöra var man ska applicera kostsamt gödselmedel. Det kan skapa en topografisk karta över åkrarna och avslöja sluttningar och solexponering av jordbruksmarken. Forskare vid Jordbruksforskningstjänsten använde dessa topografiska data med resultaten från jordbruksmarkens avkastning från tidigare år för att kategorisera mark i zoner med hög, medel eller låg avkastning. Detta indikerar var man ska applicera gödningsmedel för att maximera avkastningen.

Lidar används nu för att övervaka insekter i fält. Användningen av Lidar kan upptäcka rörelser och beteende hos enskilda flygande insekter, med identifiering ner till kön och art. Under 2017 publicerades en patentansökan på denna teknologi i USA, Europa och Kina.

En annan tillämpning är kartläggning av grödor i fruktträdgårdar och vingårdar, för att upptäcka bladtillväxt och behov av beskärning eller annat underhåll, upptäcka variationer i fruktproduktionen eller räkna plantor.

Lidar är användbart i GNSS -förnekade situationer, såsom nöt- och fruktodlingar, där lövverk blockerar satellitsignaler till precisionsjordbruksutrustning eller en förarlös traktor . Lidar-sensorer kan upptäcka kanterna på rader, så att jordbruksutrustning kan fortsätta att röra sig tills GNSS-signalen återupprättas.

Växtarter klassificering

Att bekämpa ogräs kräver identifiering av växtarter. Detta kan göras genom att använda 3-D lidar och maskininlärning. Lidar producerar växtkonturer som ett "punktmoln" med räckvidds- och reflektansvärden. Denna data omvandlas och funktioner extraheras från den. Om arten är känd läggs egenskaperna till som ny data. Arten är märkt och dess egenskaper lagras initialt som ett exempel för att identifiera arten i den verkliga miljön. Denna metod är effektiv eftersom den använder en lågupplöst lidar och övervakad inlärning. Den innehåller en lättberäknad funktionsuppsättning med vanliga statistiska funktioner som är oberoende av anläggningens storlek.

Arkeologi

Lidar har många användningsområden inom arkeologi, inklusive planering av fältkampanjer, kartläggning av särdrag under skogstak och översikt över breda, sammanhängande objekt som inte kan skiljas från marken. Lidar kan producera högupplösta dataset snabbt och billigt. Lidar-härledda produkter kan enkelt integreras i ett geografiskt informationssystem (GIS) för analys och tolkning.

Lidar kan också hjälpa till att skapa högupplösta digitala höjdmodeller (DEM) av arkeologiska platser som kan avslöja mikrotopografi som annars är dold av vegetation. Intensiteten hos den returnerade lidarsignalen kan användas för att upptäcka särdrag begravda under plana vegeterade ytor såsom fält, speciellt när man kartlägger med hjälp av det infraröda spektrumet. Närvaron av dessa egenskaper påverkar växternas tillväxt och därmed mängden infrarött ljus som reflekteras tillbaka. Till exempel, vid Fort Beauséjour – Fort Cumberland National Historic Site, Kanada, upptäckte lidar arkeologiska särdrag relaterade till belägringen av fortet 1755. Funktioner som inte kunde särskiljas på marken eller genom flygfoton identifierades genom överliggande kullar av kullarna. DEM skapad med artificiell belysning från olika vinklar. Ett annat exempel är arbete på Caracol av Arlen Chase och hans fru Diane Zaino Chase . 2012 användes lidar för att söka efter den legendariska staden La Ciudad Blanca eller "Apgudens stad" i regionen La Mosquitia i Honduras djungel. Under en sjudagars kartläggningsperiod hittades bevis på konstgjorda strukturer. tillkännagavs återupptäckten av staden Mahendraparvata . I södra New England användes lidar för att avslöja stenmurar, byggnadsgrunder, övergivna vägar och andra landskapsdrag som skyms i flygfotografering av regionens täta skogstak. I Kambodja användes lidardata av Damian Evans och Roland Fletcher för att avslöja antropogena förändringar i Angkor-landskapet.

2012 avslöjade Lidar att Purépecha -bosättningen Angamuco i Michoacán , Mexiko hade ungefär lika många byggnader som dagens Manhattan; 2016 avslöjade dess användning vid kartläggning av forntida Maya-vägar i norra Guatemala 17 förhöjda vägar som förbinder den antika staden El Mirador med andra platser. Under 2018 upptäckte arkeologer som använde lidar mer än 60 000 konstgjorda strukturer i Maya Biosphere Reserve , ett "stort genombrott" som visade att Maya-civilisationen var mycket större än man tidigare trott.

Autonoma fordon

Cruise Automation självkörande bil med fem Velodyne LiDAR- enheter på taket
Prognostisera 3-D lasersystem med hjälp av en SICK LMC lidarsensor

Autonoma fordon kan använda lidar för att upptäcka och undvika hinder för att navigera säkert genom miljöer. Introduktionen av lidar var en avgörande händelse som var nyckeln bakom Stanley , det första autonoma fordonet som framgångsrikt klarade DARPA Grand Challenge . Punktmolnutgång från lidarsensorn tillhandahåller nödvändiga data för robotmjukvara för att avgöra var potentiella hinder finns i miljön och var roboten befinner sig i förhållande till dessa potentiella hinder. Singapores Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) utvecklar aktivt teknologier för autonoma lidar-fordon.

De allra första generationerna av adaptiva farthållare för bilar använde endast lidarsensorer.

Objektdetektering för transportsystem

I transportsystem är det viktigt att förstå fordonet och dess omgivande miljö för att säkerställa fordons- och passagerarsäkerhet och för att utveckla elektroniska system som ger förarassistans. Lidar-system spelar en viktig roll för säkerheten för transportsystem. Många elektroniska system som ökar förarassistansen och fordonssäkerheten, såsom adaptiv farthållare (ACC), nödbromsassistans och låsningsfritt bromssystem (ABS) är beroende av detekteringen av ett fordons miljö för att agera autonomt eller semi-autonomt. Lidar kartläggning och uppskattning uppnår detta.

Grundläggande översikt: Aktuella lidar-system använder roterande hexagonala speglar som delar laserstrålen. De tre övre strålarna används för fordon och hinder framför och de nedre strålarna används för att upptäcka körfältsmarkeringar och vägegenskaper. Den stora fördelen med att använda lidar är att den rumsliga strukturen erhålls och denna data kan smältas samman med andra sensorer såsom radar etc. för att få en bättre bild av fordonsmiljön vad gäller statiska och dynamiska egenskaper hos objekten som finns i miljö. Omvänt är ett betydande problem med lidar svårigheten att rekonstruera punktmolndata under dåliga väderförhållanden. I kraftigt regn, till exempel, reflekteras ljuspulserna som sänds ut från lidarsystemet delvis av regndroppar som lägger till brus till data, så kallade "ekon".

Nedan nämns olika tillvägagångssätt för att bearbeta lidar-data och använda dem tillsammans med data från andra sensorer genom sensorfusion för att upptäcka fordonets miljöförhållanden.

Hinderdetektering och vägmiljöigenkänning med hjälp av lidar

Denna metod föreslagen av Kun Zhou et al. fokuserar inte bara på objektdetektering och spårning utan känner också igen körfältsmarkering och vägegenskaper. Som tidigare nämnts använder lidarsystemen roterande sexkantiga speglar som delar upp laserstrålen i sex strålar. De tre övre skikten används för att upptäcka de främre föremålen såsom fordon och vägkantsobjekt. Sensorn är gjord av väderbeständigt material. Data som detekteras av lidar är klustrade till flera segment och spåras av Kalman-filter . Dataklustring här görs utifrån egenskaper hos varje segment baserat på objektmodell, som särskiljer olika objekt såsom fordon, skyltar etc. Dessa egenskaper inkluderar objektets dimensioner etc. Reflexerna på fordonens bakkanter används för att skilja fordon från andra föremål. Objektspårning görs med hjälp av ett 2-stegs Kalman-filter med hänsyn till stabiliteten av spårning och den accelererade rörelsen av föremål. Lidars reflekterande intensitetsdata används också för kantstensdetektering genom att använda robust regression för att hantera ocklusioner. Vägmarkeringen detekteras med en modifierad Otsu-metod genom att särskilja grova och blanka ytor.

Fördelar

Vägreflexer som indikerar körfältsgräns är ibland dolda på grund av olika anledningar. Därför behövs annan information för att känna igen väggränsen. Den lidar som används i denna metod kan mäta reflektionsförmågan från objektet. Därför kan väggränsen också kännas igen med dessa data. Dessutom hjälper användningen av sensor med väderrobust huvud att upptäcka föremålen även under dåliga väderförhållanden. Canopy Height Model före och efter översvämning är ett bra exempel. Lidar kan upptäcka mycket detaljerade data om kapellhöjden såväl som dess vägkant.

Lidarmätningar hjälper till att identifiera hindrets rumsliga struktur. Detta hjälper till att särskilja objekt baserat på storlek och uppskatta effekten av att köra över dem.

Lidar-system ger bättre räckvidd och ett stort synfält som hjälper till att upptäcka hinder på kurvorna. Detta är en stor fördel jämfört med RADAR-system som har ett smalare synfält. Sammanslagningen av lidarmätning med olika sensorer gör systemet robust och användbart i realtidsapplikationer, eftersom lidarberoende system inte kan uppskatta den dynamiska informationen om det detekterade objektet.

Det har visat sig att lidar kan manipuleras, så att självkörande bilar luras att vidta undvikande åtgärder.

Biologi och bevarande

Lidar-avbildning som jämför gammal skog (höger) med en ny plantering av träd (vänster)

Lidar har också hittat många tillämpningar inom skogsbruket . Baldakinhöjder , biomassamätningar och bladarea kan alla studeras med hjälp av luftburna lidarsystem. På samma sätt används lidar också av många industrier, inklusive energi och järnväg, och Department of Transportation som ett snabbare sätt att mäta. Topografiska kartor kan också enkelt genereras från lidar, inklusive för rekreationsbruk såsom vid produktion av orienteringskartor . Lidar har också använts för att uppskatta och bedöma den biologiska mångfalden hos växter, svampar och djur.

Dessutom har Save the Redwoods League genomfört ett projekt för att kartlägga de höga redwoodskogarna på norra Kaliforniens kust. Lidar tillåter forskare att inte bara mäta höjden på tidigare omartade träd, utan att bestämma redwoodskogens biologiska mångfald. Stephen Sillett , som arbetar med League på North Coast lidar-projektet, hävdar att denna teknik kommer att vara användbar för att styra framtida ansträngningar för att bevara och skydda gamla redwoodträd. [ fullständig hänvisning behövs ]

Geologi och markvetenskap

Högupplösta digitala höjdkartor genererade av luftburen och stationär lidar har lett till betydande framsteg inom geomorfologi (den gren av geovetenskap som handlar om ursprunget och utvecklingen av jordytans topografi). Lidarförmågan att upptäcka subtila topografiska egenskaper som flodterrasser och flodkanalbankar, glaciala landformer, att mäta landytans höjd under vegetationskronan, för att bättre lösa rumsliga derivator av höjd och att upptäcka höjdförändringar mellan upprepade undersökningar har möjliggjort många nya studier av de fysikaliska och kemiska processer som formar landskap. 2005 Tour Ronde i Mont Blanc-massivet det första högalpina berget där lidar användes för att övervaka den ökande förekomsten av allvarliga stenfall över stora klippväggar som påstås ha orsakats av klimatförändringar och nedbrytning av permafrost på hög höjd.

Lidar används också inom strukturgeologi och geofysik som en kombination mellan luftburen lidar och GNSS för detektering och studie av förkastningar , för mätning av höjningen . Resultatet av de två teknologierna kan producera extremt exakta höjdmodeller för terräng – modeller som till och med kan mäta markhöjden genom träd. Denna kombination användes mest känt för att hitta platsen för Seattle Fault i Washington , USA. Denna kombination mäter också höjningen vid Mount St. Helens genom att använda data från före och efter höjningen 2004. Luftburna lidarsystem övervakar glaciärer och har förmågan att upptäcka subtila mängder tillväxt eller nedgång. Ett satellitbaserat system, NASA ICESat , inkluderar ett lidar-undersystem för detta ändamål. NASA Airborne Topographic Mapper används också flitigt för att övervaka glaciärer och utföra kustförändringsanalyser. Kombinationen används också av markforskare när de skapar en markundersökning . Den detaljerade terrängmodelleringen gör att markforskare kan se lutningsförändringar och landformbrott som indikerar mönster i markens rumsliga relationer.

Atmosfär

Huvudartikel: Atmosfärisk lidar

Ursprungligen, baserat på rubinlasrar, konstruerades lidar för meteorologiska tillämpningar kort efter uppfinningen av lasern och representerar en av de första tillämpningarna av laserteknologi. Lidar-teknologin har sedan dess expanderat enormt i kapacitet och lidar-system används för att utföra en rad mätningar som inkluderar profilering av moln, mätning av vindar, studier av aerosoler och kvantifiering av olika atmosfäriska komponenter. Atmosfäriska komponenter kan i sin tur ge användbar information inklusive yttryck (genom att mäta absorptionen av syre eller kväve), växthusgasutsläpp (koldioxid och metan), fotosyntes (koldioxid), bränder (kolmonoxid) och fuktighet (vattenånga) . Atmosfäriska lidarer kan vara antingen markbaserade, luftburna eller satellit beroende på typ av mätning.

Atmosfärisk lidar-fjärravkänning fungerar på två sätt –

  1. genom att mäta backscatter från atmosfären, och
  2. genom att mäta den spridda reflektionen från marken (när lidaren är luftburen) eller annan hård yta.

Backscatter från atmosfären ger direkt ett mått på moln och aerosoler. Andra härledda mätningar från backscatter såsom vindar eller cirrusiskristaller kräver noggrant val av våglängd och/eller polarisation som detekteras. Doppler lidar och Rayleigh Doppler lidar används för att mäta temperatur och/eller vindhastighet längs strålen genom att mäta frekvensen av det bakåtspridda ljuset. Dopplerbreddningen av gaser i rörelse möjliggör bestämning av egenskaper via den resulterande frekvensförskjutningen . Skannade lidarer, som den koniskt skanande NASA HARLIE LIDAR, har använts för att mäta atmosfärisk vindhastighet. ESA: s vinduppdrag ADM-Aeolus kommer att utrustas med ett Doppler-lidarsystem för att ge globala mätningar av vertikala vindprofiler. Ett doppler-lidar-system användes under de olympiska sommarspelen 2008 för att mäta vindfält under yachttävlingen.

Doppler-lidar-system börjar nu också framgångsrikt tillämpas i sektorn för förnybar energi för att få data om vindhastighet, turbulens, vindsvängning och vindskjuvning. Både pulsade och kontinuerliga vågsystem används. Pulsade system använder signaltiming för att erhålla vertikal avståndsupplösning, medan kontinuerliga vågsystem är beroende av detektorfokusering.

Termen, eolics , har föreslagits för att beskriva den kollaborativa och tvärvetenskapliga studien av vind med hjälp av beräkningsvätskemekaniska simuleringar och Doppler-lidarmätningar.

Markreflektionen hos en luftburen lidar ger ett mått på ytreflektivitet (förutsatt att atmosfärstransmittansen är välkänd) vid lidarvåglängden, men markreflektionen används vanligtvis för att göra absorptionsmätningar av atmosfären. "Differential absorption lidar" (DIAL)-mätningar använder två eller flera tätt placerade (<1 nm) våglängder för att ta hänsyn till ytreflektivitet såväl som andra transmissionsförluster, eftersom dessa faktorer är relativt okänsliga för våglängd. När de är inställda på lämpliga absorptionslinjer för en viss gas, kan DIAL-mätningar användas för att bestämma koncentrationen (blandningsförhållandet) av den specifika gasen i atmosfären. Detta kallas en Integrated Path Differential Absorption (IPDA) tillvägagångssätt, eftersom det är ett mått på den integrerade absorptionen längs hela lidarbanan. IPDA-lidarer kan vara antingen pulsade eller CW och använder vanligtvis två eller flera våglängder. IPDA-lidarer har använts för fjärranalys av koldioxid och metan.

Syntetisk array -lidar tillåter avbildning av lidar utan behov av en arraydetektor. Den kan användas för avbildning av dopplerhastighet, ultrasnabb bildfrekvens (MHz) avbildning, såväl som för fläckreduktion i koherent lidar. En omfattande lidarbibliografi för atmosfäriska och hydrosfäriska tillämpningar ges av Grant.

Rättsväsende

Se även: Lidar speed gun

Lidar fartpistoler används av polisen för att mäta hastigheten på fordon i syfte att upprätthålla hastighetsbegränsningar . Dessutom används det inom kriminalteknik för att hjälpa till vid brottsplatsundersökningar. Skanningar av en scen tas för att registrera exakta detaljer om objektplacering, blod och annan viktig information för senare granskning. Dessa skanningar kan också användas för att fastställa kulbanan vid skottlossning.

Militär

Få militära applikationer är kända för att vara på plats och är klassificerade (som den lidarbaserade hastighetsmätningen av AGM-129 ACM smygande kärnkraftskryssningsmissil), men en betydande mängd forskning pågår när det gäller deras användning för avbildning. System med högre upplösning samlar in tillräckligt med detaljer för att identifiera mål, till exempel tankar . Exempel på militära tillämpningar av lidar inkluderar Airborne Laser Mine Detection System (ALMDS) för krigföring mot minor av Areté Associates.

En NATO-rapport (RTO-TR-SET-098) utvärderade den potentiella tekniken för att göra stand-off-detektering för diskriminering av biologiska krigföringsmedel. De potentiella teknikerna som utvärderades var Long-Wave Infrared (LWIR), Differential Scattering (DISC) och Ultraviolet Laser Induced Fluorescence (UV-LIF). Rapporten drog slutsatsen att: Baserat på resultaten av de lidar-system som testats och diskuterats ovan, rekommenderar arbetsgruppen att det bästa alternativet för en kortsiktig (2008–2010) tillämpning av avståndsdetektionssystem är UV-LIF . på lång sikt kan andra tekniker såsom stand-off Raman-spektroskopi visa sig vara användbara för identifiering av biologiska krigföringsmedel.

Kompakt spektrometrisk lidar med kort räckvidd baserad på laserinducerad fluorescens (LIF) skulle ta itu med förekomsten av biohot i aerosolform över kritiska arenor inomhus, halvslutna och utomhus som arenor, tunnelbanor och flygplatser. Denna nästan realtidskapacitet skulle möjliggöra snabb detektering av en bioaerosolfrisättning och möjliggöra snabb implementering av åtgärder för att skydda de åkande och minimera omfattningen av kontaminering.

Long-Range Biological Standoff Detection System (LR-BSDS) utvecklades för den amerikanska armén för att ge tidigast möjliga varning för en biologisk attack. Det är ett luftburet system som bärs med helikopter för att upptäcka syntetiska aerosolmoln som innehåller biologiska och kemiska ämnen på långa avstånd. LR-BSDS, med en detekteringsräckvidd på 30 km eller mer, sattes upp i juni 1997. Fem lidarenheter tillverkade av det tyska företaget Sick AG användes för kortdistansdetektering på Stanley , den autonoma bilen som vann 2005 års DARPA Grand Challenge .

En robot Boeing AH-6 utförde en helt autonom flygning i juni 2010, inklusive att undvika hinder med hjälp av lidar.

Brytning

För beräkning av malmvolymer utförs genom periodisk (månadsvis) skanning i områden där malm avlägsnas, och sedan jämföra ytdata med föregående skanning.

Lidar-sensorer kan också användas för att upptäcka och undvika hinder för robotbaserade gruvfordon som i Komatsu Autonomous Haulage System (AHS) som används i Rio Tintos framtidsgruva.

Fysik och astronomi

Ett världsomspännande nätverk av observatorier använder lidarer för att mäta avståndet till reflektorer placerade på månen, vilket gör att månens position kan mätas med millimeterprecision och tester av allmän relativitet kan göras. MOLA , Mars Orbiting Laser Altimeter, använde ett lidarinstrument i en Mars-satellit (NASA Mars Global Surveyor ) för att producera en spektakulärt exakt global topografisk undersökning av den röda planeten. Laserhöjdmätare producerade globala höjdmodeller av Mars, månen (Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA)), Mercury (Mercury Laser Altimeter (MLA)), NEAR–Shoemaker Laser Avståndsmätare (NLR). Framtida uppdrag kommer också att inkludera experiment med laserhöjdmätare som Ganymede Laser Altimeter (GALA) som en del av uppdraget Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE).

I september 2008 använde NASA Phoenix Lander lidar för att upptäcka snö i atmosfären på Mars.

Inom atmosfärsfysik används lidar som ett fjärrdetekteringsinstrument för att mäta tätheter av vissa beståndsdelar i den mellersta och övre atmosfären, såsom kalium , natrium eller molekylärt kväve och syre . Dessa mätningar kan användas för att beräkna temperaturer. Lidar kan också användas för att mäta vindhastighet och för att ge information om vertikal fördelning av aerosolpartiklarna .

Vid JET- forskningsanläggningen för kärnfusion , i Storbritannien nära Abingdon, Oxfordshire , används lidar Thomson-spridning för att bestämma plasmats elektrondensitets- och temperaturprofiler .

Bergmekanik

Lidar har använts i stor utsträckning inom bergmekanik för bergmassakarakterisering och detektering av lutningsförändringar. Vissa viktiga geomekaniska egenskaper från bergmassan kan extraheras från de 3-D punktmoln som erhålls med hjälp av lidar. Några av dessa egenskaper är:

  • Diskontinuitetsorientering
  • Diskontinuitetsavstånd och RQD
  • Diskontinuitetsöppning
  • Diskontinuitetsbeständighet
  • Diskontinuitetsgrovhet
  • Vatteninfiltration

Några av dessa egenskaper har använts för att bedöma bergmassans geomekaniska kvalitet genom RMR -index. Dessutom, eftersom orienteringarna av diskontinuiteter kan extraheras med hjälp av de befintliga metoderna, är det möjligt att bedöma den geomekaniska kvaliteten på en bergsluttning genom SMR- index. Utöver detta tillåter jämförelsen av olika 3D-punktmoln från en sluttning som förvärvats vid olika tidpunkter forskare att studera de förändringar som produceras på scenen under detta tidsintervall som ett resultat av stenfall eller andra jordskredprocesser.

THOR

THOR är en laser designad för att mäta jordens atmosfäriska förhållanden. Lasern går in i ett molntäcke och mäter tjockleken på den återkommande halo. Sensorn har en fiberoptisk bländare med en bredd på 7,5 tum som används för att mäta returljuset.

Robotik

Lidar-tekniken används inom robotik för uppfattning av miljön samt objektklassificering. Förmågan hos lidar-tekniken att tillhandahålla tredimensionella höjdkartor över terrängen, högt precisionsavstånd till marken och inflygningshastighet kan möjliggöra säker landning av robot- och besättningsfordon med hög precision. Lidar används också i stor utsträckning inom robotteknik för samtidig lokalisering och kartläggning och väl integrerade i robotsimulatorer. Se avsnittet Militär ovan för ytterligare exempel.

Rymdfärd

Lidar används i allt större utsträckning för avståndsmätning och beräkning av orbitalelement av relativ hastighet vid närhetsoperationer och stationshållning av rymdfarkoster . Lidar har också använts för atmosfäriska studier från rymden. Korta pulser av laserljus som utstrålas från en rymdfarkost kan reflektera från små partiklar i atmosfären och tillbaka till ett teleskop i linje med rymdfarkostens laser. Genom att exakt tajma lidars "ekot" och genom att mäta hur mycket laserljus som tas emot av teleskopet, kan forskare exakt bestämma partiklarnas placering, distribution och natur. Resultatet är ett revolutionerande nytt verktyg för att studera beståndsdelar i atmosfären, från molndroppar till industriella föroreningar, som är svåra att upptäcka på annat sätt."

Laserhöjdmätare används för att göra digitala höjdkartor över planeter, inklusive Mars Orbital Laser Altimeter (MOLA) kartläggning av Mars, Lunar Orbital Laser Altimeter (LOLA) och Lunar Altimeter (LALT) kartläggning av månen, och Mercury Laser Altimeter ( MLA) kartläggning av Merkurius. Den används också för att hjälpa till att navigera helikoptern Ingenuity i dess rekordflygningar över Mars terräng .

Undersökande

Denna TomTom kartbil är utrustad med fem lidarsensorer på takräcket.

Luftburna lidarsensorer används av företag inom fjärranalysområdet. De kan användas för att skapa en DTM (Digital Terrain Model) eller DEM ( Digital Elevation Model ); detta är ganska vanligt för större områden eftersom ett plan kan ta 3–4 km breda strängar på en enda övergång. Större vertikal noggrannhet på under 50 mm kan uppnås med en lägre övergång, även i skogar, där den kan ge höjden på kapellet såväl som markhöjden. Vanligtvis behövs en GNSS-mottagare konfigurerad över en georefererad kontrollpunkt för att länka data till WGS ( World Geodetic System) .

LiDAR används också vid hydrografisk mätning . Beroende på vattnets klarhet kan LiDAR mäta djup från 0,9m till 40m med en vertikal noggrannhet på 15 cm och horisontell noggrannhet på 2,5m.

Skogsbruk

Lidar-system har också använts för att förbättra skogsbruket. Mätningar används för att inventera i skogstomter samt beräkna enskilda trädhöjder, kronbredd och krondiameter. Andra statistiska analyser använder lidar-data för att uppskatta den totala tomtinformationen, såsom kapellvolym, medelvärde, minimi- och maximihöjder och uppskattningar av vegetationstäckning. Aerial LiDAR har använts för att kartlägga buskbränderna i Australien i början av 2020. Data manipulerades för att se bar jord och identifiera frisk och bränd vegetation.

Transport

Ett punktmoln genererat från en bil i rörelse med en enda Ouster OS1 lidar

Lidar har använts inom järnvägsindustrin för att generera hälsorapporter för tillgångar för tillgångsförvaltning och av transportavdelningar för att bedöma deras vägförhållanden. CivilMaps.com är ett ledande företag inom området. Lidar har använts i adaptiv farthållare (ACC) för bilar. System som de från Siemens, Hella, Ouster och Cepton använder en lidaranordning monterad på fordonets framsida, såsom stötfångaren, för att övervaka avståndet mellan fordonet och alla fordon framför det. I händelse av att fordonet framför saktar ner eller är för nära bromsar ACC bromsarna för att sakta ner fordonet. När vägen framför är fri låter ACC fordonet accelerera till en hastighet som föraren har ställt in. Se avsnittet Militär ovan för ytterligare exempel. En lidar-baserad enhet, Ceilometern används på flygplatser över hela världen för att mäta höjden av moln på banornas inflygningsbanor. [ citat behövs ]

Optimering av vindkraftsparker

Lidar kan användas för att öka energiuttaget från vindkraftsparker genom att noggrant mäta vindhastigheter och vindturbulens. Experimentella lidarsystem kan monteras på gondolen av ett vindturbin eller integreras i den roterande spinnern för att mäta mötande horisontella vindar, vindar i vindkraftverkets spår och proaktivt justera blad för att skydda komponenter och öka kraften. Lidar används också för att karakterisera den infallande vindresursen för jämförelse med vindkraftsproduktion för att verifiera vindkraftverkets prestanda genom att mäta vindkraftverkets effektkurva. Optimering av vindkraftsparker kan betraktas som ett ämne inom tillämpad eolics . En annan aspekt av Lidar i vindrelaterad industri är att använda beräkningsvätskedynamik över Lidar-skannade ytor för att bedöma vindpotentialen, som kan användas för optimal placering av vindkraftsparker.

Optimering av solcellsutbyggnad

Lidar kan också användas för att hjälpa planerare och utvecklare att optimera solcellssystem på stadsnivå genom att bestämma lämpliga tak och för att bestämma skuggförluster . Den senaste tidens insatser för luftburen laserskanning har fokuserat på sätt att uppskatta mängden solljus som träffar vertikala byggnadsfasader, eller genom att införliva mer detaljerade skuggförluster genom att beakta påverkan från vegetation och större omgivande terräng.

Videospel

Nya simuleringsracingspel som rFactor Pro , iRacing , Assetto Corsa och Project CARS har i allt större utsträckning racerbanor som återskapas från 3D-punktmoln som förvärvats genom Lidar-undersökningar, vilket resulterar i ytor som replikeras med centimeter- eller millimeterprecision i 3D-miljön i spelet .

Utforskningsspelet 2017 Scanner Sombre , av Introversion Software , använder Lidar som en grundläggande spelmekaniker.

I Build the Earth används Lidar för att skapa korrekta renderingar av terräng i Minecraft för att ta hänsyn till eventuella fel (främst gällande höjd) i standardgenerationen. Processen att rendera terräng till Build the Earth begränsas av mängden tillgänglig data i regionen samt hastigheten det tar att konvertera filen till blockdata.

Andra användningsområden

Lidar-skanner på en 4:e generationens iPad Pro

Videon till 2007 års låt " House of Cards " av Radiohead ansågs vara den första användningen av 3D-laserskanning i realtid för att spela in en musikvideo. Avståndsdata i videon är inte helt från en lidar, eftersom strukturerad ljusskanning också används.

2020 introducerade Apple den fjärde generationen av iPad Pro med en lidarsensor integrerad i den bakre kameramodulen , speciellt utvecklad för AR-upplevelser ( augmented reality ). Funktionen inkluderades senare i iPhone 12 Pro-serien och efterföljande Pro-modeller. På Apple-enheter ger LiDAR porträttlägesbilder med nattläge, men snabbar också upp autofokus och förbättrar noggrannheten i Measure -appen.

År 2022 började Wheel of Fortune använda lidar-teknik för att spåra när Vanna White flyttar sin hand över pusselbrädet för att avslöja bokstäver. Det första avsnittet med denna teknik var i säsong 40-premiären. Tekniken har dock fått blandade recensioner från fans av programmet.

Alternativa tekniker

Ytterligare information: 3D-skanner

Den senaste utvecklingen av Structure From Motion- teknologier (SFM) gör det möjligt att leverera 3D-bilder och kartor baserade på data som extraherats från visuell och IR-fotografering. Höjd- eller 3D-data extraheras med hjälp av flera parallella passager över kartlagt område, vilket ger både visuella ljusbilder och 3-D-struktur från samma sensor, som ofta är en speciellt vald och kalibrerad digitalkamera . [ citat behövs ]

Datorstereovision har visat sig lovande som ett alternativ till LiDAR för applikationer på nära håll.

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Lidar&oldid=1141422236 "