Jako koncepcja lidar istnieje od dziesięcioleci. Jednak zainteresowanie tą technologią gwałtownie wzrosło w ostatnich latach, ponieważ czujniki stają się mniejsze, bardziej złożone, a zakres produktów z technologią lidar coraz bardziej się rozszerza.
Słowo lidar jest transliteracją słowa LIDAR (Light Detection and Ranging). Jest to technologia pozyskiwania i przetwarzania informacji o odległych obiektach za pomocą aktywnych układów optycznych wykorzystujących zjawiska odbicia i rozpraszania światła w ośrodkach przezroczystych i półprzezroczystych. Lidar jako urządzenie jest podobny do radaru, dlatego jego zastosowanie to obserwacja i detekcja, ale zamiast fal radiowych, jak w radarze, wykorzystuje światło generowane w zdecydowanej większości przez laser. Termin lidar jest często używany zamiennie z Ladar, co oznacza wykrywanie laserowe i zasięg, chociaż Joe Buck, szef badań w Coherent Technologies, części działu systemów kosmicznych Lockheed Martin, mówi, że te dwie koncepcje są z technicznego punktu widzenia różne. „Kiedy patrzysz na coś, co można uznać za miękki obiekt, taki jak cząstki stałe lub aerozol w powietrzu, eksperci mają tendencję do używania lidaru, mówiąc o wykrywaniu tych obiektów. Kiedy patrzysz na solidne, solidne przedmioty, takie jak samochód lub drzewo, masz tendencję do skłaniania się ku terminowi Ladar”. Więcej informacji na temat lidaru z naukowego punktu widzenia można znaleźć w rozdziale „Lidar: Jak to działa”.
„Lidar był przedmiotem badań przez wiele dziesięcioleci od jego powstania we wczesnych latach 60.” – kontynuował Buck. Jednak zainteresowanie nią wyraźnie wzrosło od początku tego stulecia, przede wszystkim dzięki postępowi technologicznemu. Jako przykładu użył renderowania z syntetyczną aperturą. Im większy teleskop, tym wyższą rozdzielczość obiektu można uzyskać. Jeśli potrzebujesz ekstremalnie wysokiej rozdzielczości, może być potrzebny znacznie większy system optyczny, co może nie być zbyt praktyczne z praktycznego punktu widzenia. Obrazowanie z aperturą syntetyczną rozwiązuje ten problem, wykorzystując ruchomą platformę i przetwarzanie sygnału w celu uzyskania rzeczywistej apertury, która może być znacznie większa niż apertura fizyczna. Radary z aperturą syntetyczną (SAR) są używane od wielu dziesięcioleci. Jednak dopiero na początku XXI wieku rozpoczęły się praktyczne demonstracje obrazowania optycznego z syntetyczną aperturą, mimo że lasery były już wówczas szeroko stosowane. „W rzeczywistości opracowanie źródeł optycznych, które miałyby wystarczającą stabilność w szerokim zakresie regulacji, zajęło więcej czasu… Udoskonalanie materiałów, źródeł światła i detektorów (stosowanych w lidarach) trwa nadal. Nie tylko masz teraz możliwość wykonywania tych pomiarów, ale jesteś w stanie wykonać je w małych blokach, dzięki czemu systemy są praktyczne pod względem wielkości, wagi i zużycia energii.”
Łatwiejsze i bardziej praktyczne staje się również zbieranie danych z lidaru (lub informacji zebranych przez lidar). Jak mówi Nick Rosengarten, szef Geospatial Exploitation Products Group w BAE Systems, tradycyjnie składa się go z czujników lotniczych. Jednak obecnie czujniki można instalować w pojazdach naziemnych, a nawet w plecakach, co oznacza gromadzenie danych dotyczących ludzi. „Otwiera to całe mnóstwo możliwości, dane można teraz zbierać zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz” – wyjaśnił Rosengarten. Matt Morris, dyrektor ds. rozwiązań geoprzestrzennych w Textron Systems, mówi: „Lidar jest naprawdę niesamowitym zbiorem danych, ponieważ dostarcza najbardziej szczegółowych szczegółów na powierzchni Ziemi. Daje to znacznie bardziej szczegółowy i, że tak powiem, bardziej przyciemniony obraz niż technologia DTED (Digital Terrain Elevation Data), która dostarcza informacji o wysokości powierzchni Ziemi w określonych punktach. Być może jednym z najpotężniejszych przypadków użycia, jakie słyszałem od naszych klientów wojskowych, jest scenariusz rozmieszczenia w nieznanym terenie, ponieważ muszą wiedzieć, dokąd zmierzają… aby wspiąć się na dach lub wspiąć się na ogrodzenie. Dane DTED nie pozwalają tego zobaczyć. Nie zobaczysz nawet budynków”.
Morris zauważył, że nawet niektóre tradycyjne dane wysokości terenu w wysokiej rozdzielczości nie pozwalają zobaczyć tych funkcji. Ale lidar pozwala to zrobić ze względu na „odstępy między pozycjami” - termin opisujący odległość między pozycjami, które można dokładnie wyświetlić w tablicy danych. W przypadku lidara „nachylenie” można zredukować do centymetrów, „dzięki czemu można dokładnie poznać wysokość dachu budynku lub wysokość ściany lub wysokość drzewa. To naprawdę zwiększa poziom trójwymiarowej (3D) świadomości sytuacyjnej.” Ponadto koszt czujników lidarowych maleje, podobnie jak ich rozmiar, co czyni je bardziej przystępnymi cenowo. „Dziesięć lat temu systemy czujników lidarowych były bardzo duże i bardzo drogie. Naprawdę mieli wysoki pobór mocy. Jednak wraz z rozwojem technologii ulepszano, platformy stały się znacznie mniejsze, zużycie energii spadło, a jakość generowanych przez nie danych wzrosła.”
Morris powiedział, że głównym zastosowaniem lidaru na polu wojskowym jest planowanie 3D i szkolenie misji bojowych. Na przykład, opracowany przez jego firmę produkt do symulacji lotu Lidar Analyst, umożliwia użytkownikom pobieranie dużych ilości danych i „szybkie generowanie tych modeli 3D, dzięki czemu mogą oni bardzo dokładnie planować swoje misje”. To samo dotyczy operacji naziemnych. Morris wyjaśnił: „Nasz produkt służy do planowania tras wejścia i wyjścia do obszaru docelowego, a ponieważ surowe dane są wysokiej rozdzielczości, możliwe jest przeprowadzenie bardzo dokładnej analizy sytuacji w zasięgu wzroku”.
Wraz z Lidar Analyst, Textron opracował RemoteView, oprogramowanie do analizy obrazu dla amerykańskich agencji wojskowych i wywiadowczych. Oprogramowanie RemoteView może korzystać z różnych źródeł danych, w tym danych lidarowych. BAE Systems dostarcza również oprogramowanie do analiz geoprzestrzennych, jego sztandarowym produktem jest tutaj SOCET GXP, który zapewnia wiele możliwości, w tym wykorzystanie danych lidarowych. Ponadto Rosengarten wyjaśnił, że firma opracowała technologię GXP Xplorer, czyli aplikację do zarządzania danymi. Te technologie są całkiem odpowiednie do zastosowań wojskowych. Rosengarten wspomniał na przykład o narzędziu do obliczania strefy lądowania śmigłowca, które jest częścią oprogramowania SOCET GXP. „Może pobierać dane lidarowe i dostarczać użytkownikom informacji o obszarach na ziemi, które mogą wystarczyć do lądowania helikoptera”. Na przykład może im powiedzieć, czy na drodze znajdują się pionowe przeszkody, takie jak drzewa: „Ludzie mogą używać tego narzędzia do identyfikowania obszarów, które najlepiej nadają się jako punkt ewakuacji podczas kryzysów humanitarnych”. Rosengarten podkreślił również potencjał kafelkowania, w którym wiele zestawów danych lidarowych jest zbieranych z określonego obszaru i łączonych ze sobą. Jest to możliwe dzięki „zwiększonej wierności metadanych czujnika lidarowego w połączeniu z oprogramowaniem, takim jak aplikacja SOCET GXP firmy BAE Systems, które może przekształcać metadane w precyzyjne strefy na ziemi, obliczane na podstawie danych geoprzestrzennych. Proces opiera się na danych lidarowych i nie zależy od tego, w jaki sposób dane są gromadzone.”
Jak to działa: lidar
Lidar działa poprzez oświetlanie celu światłem. Lidar może wykorzystywać światło w zakresie widzialnym, ultrafioletowym lub bliskiej podczerwieni. Zasada działania lidara jest prosta. Obiekt (powierzchnia) oświetlany jest krótkim impulsem świetlnym, mierzony jest czas, po którym sygnał powraca do źródła. Lidar wysyła na obiekt (powierzchnię) szybkie krótkie impulsy promieniowania laserowego o częstotliwości do 150 000 impulsów na sekundę. Czujnik na urządzeniu mierzy czas pomiędzy transmisją impulsu świetlnego a jego odbiciem, przy założeniu stałej prędkości światła 299792 km/s. Mierząc ten odstęp czasu, można obliczyć odległość lidaru od oddzielnej części obiektu, a tym samym zbudować obraz obiektu na podstawie jego położenia względem lidaru.
uskok wiatru
Tymczasem Buck wskazał na możliwe zastosowania wojskowe technologii WindTracer firmy Lockheed Martin. Komercyjna technologia WindTracer wykorzystuje lidar do pomiaru uskoku wiatru na lotniskach. Ten sam proces można zastosować na polu wojskowym, na przykład do precyzyjnych zrzutów. „Trzeba zrzucić zapasy z odpowiednio dużej wysokości, w tym celu kładzie się je na paletach i zrzuca ze spadochronu. Zobaczmy teraz, gdzie wylądują? Możesz spróbować przewidzieć, dokąd pójdą, ale problem polega na tym, że gdy schodzisz, uskok wiatru zmienia kierunek na różnych wysokościach”- wyjaśnił. - A potem jak przewidzisz, gdzie wyląduje paleta? Jeśli potrafisz zmierzyć wiatr i zoptymalizować trajektorię, możesz dostarczać dostawy z bardzo dużą dokładnością”.
Lidar jest również stosowany w bezzałogowych pojazdach naziemnych. Na przykład producent automatycznych pojazdów naziemnych (AHA), Roboteam, stworzył narzędzie o nazwie Top Layer. Jest to technologia mapowania 3D i autonomicznej nawigacji, która wykorzystuje lidar. Top Layer używa lidaru na dwa sposoby, mówi Shahar Abukhazira, szef Roboteam. Pierwsza umożliwia mapowanie w czasie rzeczywistym zamkniętych przestrzeni. „Czasami wideo jest niewystarczające w warunkach podziemnych, na przykład może być zbyt ciemno lub widoczność pogorszyła się z powodu kurzu lub dymu” – dodał Abukhazira. - Możliwości Lidara pozwalają uciec od sytuacji z zerową orientacją i zrozumieniem otoczenia… teraz mapuje pomieszczenie, mapuje tunel. Natychmiast możesz zrozumieć sytuację, nawet jeśli nic nie widzisz, a nawet jeśli nie wiesz, gdzie jesteś”.
Drugim zastosowaniem lidar jest jego autonomia, która pomaga operatorowi kontrolować więcej niż jeden system w danym momencie. „Jeden operator może kontrolować jeden AHA, ale istnieją dwa inne AHA, które po prostu śledzą i podążają za pojazdem kontrolowanym przez człowieka” – wyjaśnił. Podobnie żołnierz może wejść do lokalu, a ANA po prostu za nim podąża, to znaczy nie ma potrzeby odkładania broni, aby obsługiwać aparat. „Dzięki temu praca jest prosta i intuicyjna”. Większy robot AHA firmy Roboteam ma również na pokładzie lidar, który pomaga mu pokonywać duże odległości. „Nie można wymagać od operatora, aby naciskał przycisk przez trzy dni z rzędu… używasz czujnika lidarowego, aby po prostu podążać za żołnierzami lub podążać za samochodem, a nawet automatycznie przemieszczać się z jednego punktu do drugiego, lidar pomoże w w takich sytuacjach unikaj przeszkód.” Abuchazira spodziewa się w przyszłości znaczących przełomów w tej dziedzinie. Na przykład użytkownicy chcieli mieć sytuację, w której człowiek i ANA współdziałają jak dwaj żołnierze. „Nie macie nad sobą kontroli. Patrzycie na siebie, dzwonicie do siebie i zachowujecie się dokładnie tak, jak powinniście. Wierzę, że w pewnym sensie osiągniemy ten poziom komunikacji między ludźmi i systemami. Będzie bardziej wydajny. Wierzę, że lidary prowadzą nas w tym kierunku.”
Zejdźmy pod ziemię
Abukhazira ma również nadzieję, że czujniki lidarowe poprawią działanie w niebezpiecznych środowiskach podziemnych. Czujniki lidarowe dostarczają dodatkowych informacji podczas mapowania tuneli. Ponadto zauważył, że czasami w małym i ciemnym tunelu operator może nawet nie zdawać sobie sprawy, że AHA prowadzi w złym kierunku. „Czujniki lidarowe działają jak GPS w czasie rzeczywistym i sprawiają, że proces przypomina grę wideo. Możesz zobaczyć swój system w tunelu, wiesz, dokąd zmierzasz w czasie rzeczywistym.”
Warto zauważyć, że czujniki lidarowe są kolejnym źródłem danych i nie powinny być traktowane jako bezpośredni zamiennik radaru. Buck zauważył, że istnieje duża różnica w długości fali między dwiema technologiami, które mają swoje wady i zalety. Często najlepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie obu technologii, np. pomiar parametrów wiatru za pomocą chmury aerozolu. Krótsze długości fal czujników optycznych zapewniają lepszą detekcję kierunkową w porównaniu z dłuższymi falami czujnika RF (radar). Jednak właściwości transmisyjne atmosfery są bardzo różne dla obu typów czujników. „Radar jest w stanie przejść przez pewne rodzaje chmur, z którymi trudno byłoby sobie poradzić lidarowi. Ale na przykład we mgle lidar może działać nieco lepiej niż radar.”
Rosengarten powiedział, że połączenie lidaru z innymi źródłami światła, takimi jak dane panchromatyczne (przy obrazowaniu przy użyciu szerokiego zakresu długości fal świetlnych), da pełny obraz obszaru zainteresowania. Dobrym przykładem jest tutaj definicja lądowiska helikoptera. Lidar może zeskanować obszar i powiedzieć, że ma zerowe nachylenie, niezależnie od tego, że faktycznie patrzy na jezioro. Tego typu informacje można uzyskać dzięki wykorzystaniu innych źródeł światła. Rosengarten wierzy, że branża ostatecznie będzie łączyć technologie, łącząc różne źródła danych wizualnych i innych danych świetlnych. „Znajdzie sposoby na zebranie wszystkich danych pod jednym parasolem… Uzyskiwanie dokładnych i wyczerpujących informacji to coś więcej niż tylko wykorzystanie danych lidarowych, ale złożone zadanie obejmujące wszystkie dostępne technologie”.
