Лидары

Теги: Лидар, излучатель, сигнал, когерентный, некогерентный, сканирующая оптика

Лидары

Лидар (LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging — световое обнаружение и определение дальности) — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.

Лидар как прибор представляет собой активный дальномер оптического диапазона. Сканирующие лидары в системах машинного зрения формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства. «Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет. Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары, определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.

Принцип действия

Таб. 1 Зависимость времени отклика от расстояния до цели.
Расстояние до цели	1 м	10 м	100 м	1 км	10 км	100 км
Время отклика	6.7 нс	67 нс	0.67 мкс	6.7 мкс	67 мкс	0.67 с

Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара — светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели.

Рис. 2. Схема простейшей лидарной системы

Принцип действия лидара прост. Объект (поверхность) освещается коротким световым импульсом, и измеряется время, через которое сигнал вернется к источнику. Свет распространяется очень быстро - 3∙10⁸ м/с. Однако он возвращается с некоторой задержкой, которая зависит от расстояния до объекта.

Расстояние, которое прошел фотон на пути до объекта и обратно, можно рассчитать по формуле:

L = \frac{{c ∙ t}_{пролёта}}{2}

Оборудование, необходимое для измерения этого малого промежутка времени, должно работать чрезвычайно быстро.

Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени, необходимый для возврата импульса. Свет движется с постоянной скоростью, поэтому лидар может вычислить расстояние между ним и цели с высокой точностью.

Когерентное и некогерентное обнаружение сигналов

Во всех случаях радиотехническая система обнаруживает сигналы на фоне помех. Считается, что полезный сигнал имеет частоту, равную резонансной частоте настройки системы ω_c= ω₀. Начальная фаза равна нулю:

u_{c} (t) = U_{cm} \sin (ω_{0} t)

Сумма сигнала и помехи:

u_{сп} (t) = u_{с} (t) + u_{п} (t) = (U_{cm} + U_{п1}) \sin (ω_{0} t) + U_{п2} \cos (ω_{0} t)

где U_п1 и U_п2 – амплитуды помех.

Некогерентное детектирование (прямой метод измерения): Реагирование происходит на амплитуду суммарного колебания и помехи U_спm .Превышением сигнала над помехой называется следующее отношение: $m_{нкг}^{2} = \frac{U_{cm}^{2}}{(U_{п1}^{2} + U_{п2}^{2})} = \frac{U_{cm}^{2}}{{2σ}^{2}}$ где σ² – дисперсия каждой из амплитуд помехи U_п1 и U_п2
Когерентное детектирование: Полностью исключает ортогональную к сигналу составляющую помех. Оно предусматривает реагирование лишь на колебание, равное сумме амплитуды сигнала Ucm и синфазной составляющей помехи U п1. Превышением сигнала над помехой при когерентном обнаружении называется отношение $m_{нкг}^{2} = \frac{U_{cm}^{2}}{{\overline{U}}_{п1}^{2}}$ , где ${\overline{U}}_{п1}^{2}$ – дисперсия амплитуды синфазной составляющей. Когерентные системы лучше всего подходят для доплеровских или фазочувствительных измерений и, как правило, используют оптическое гетеродинное детектирование. Это позволяет им работать при гораздо меньшей мощности, но при этом конструкция фотоприемной схемы намного сложнее.

Существуют две основные категории импульсных лидаров: микроимпульсные и высокоэнергетические системы.

Микроимпульсные лидары работают на более мощной компьютерной технике с большими вычислительными возможностями. Эти лазеры меньшей мощности и классифицируются как "безопасные для глаз", что позволяет использовать их практически без особых мер предосторожности.
Лидары с большой энергией импульса в основном применяются для исследования атмосферы, где они часто используются для измерения различных параметров атмосферы, таких как высота, наслоение и плотность облаков, свойства частиц облака, температуру, давление, ветер, влажность и концентрацию газов в атмосфере.

В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды — достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.

Излучатель

В абсолютном большинстве конструкций излучателем служит лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и следующие длины волн (в нанометрах):

1550 нм — инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн
1064 нм — ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения
532 нм — зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды
355 нм — ближнее ультрафиолетовое излучение

Также возможно использование вместо коротких импульсов непрерывной амплитудной модуляции излучения переменным напряжением.

Сканирующая оптика

Простейшие атмосферные лидарные системы не имеют средств наведения и направлены вертикально в зенит.

Для сканирования горизонта в одной плоскости применяются простые сканирующие головки. В них неподвижные излучатель и приёмник также направлены в зенит; под углом 45° к горизонту и линии излучения установлено зеркало, вращающееся вокруг оси излучения. В авиационных установках, где надо сканировать полосу, перпендикулярную направлению полёта самолёта-носителя, ось излучения — горизонтальна. Для синхронизации мотора, вращающего зеркало, и средств обработки принимаемого сигнала используются точные датчики положения ротора, а также неподвижные реперные риски, наносимые на прозрачный кожух сканирующей головки.

Сканирование в двух плоскостях добавляет к этой схеме механизм, поворачивающий зеркало на фиксированный угол с каждым оборотом головки — так формируется цилиндрическая развёртка окружающего мира. При наличии достаточной вычислительной мощности можно использовать жёстко закреплённое зеркало и пучок расходящихся лучей — в такой конструкции один «кадр» формируется за один оборот головки.

Приём и обработка сигнала

Важную роль играет динамический диапазон приёмного тракта. Чтобы избежать перегрузки приёмника интенсивной засветкой от рассеивания в «ближней зоне», в системах дальнего радиуса действия применяют высокоскоростные механические затворы, физически блокирующие приёмный оптический канал. В устройствах ближнего радиуса со временем отклика менее микросекунды такой возможности нет.

Современное состояние и перспективы

Исследования атмосферы

Исследования атмосферы стационарными лидарами является наиболее массовой отраслью применения технологии. В мире развёрнуто несколько постоянно действующих исследовательских сетей (межгосударственных и университетских), наблюдающих за атмосферными явлениями.

Раннее оповещение о лесных пожарах

Лидар, размещённый на возвышенности (на холме или на мачте) и сканирующий горизонт, способен различать аномалии в воздухе, порождённые очагами пожаров. В отличие от пассивных инфракрасных систем, распознающих только тепловые аномалии, лидар выявляет дымы по аномалиям, порождаемым частицами горения, изменению химического состава и прозрачности воздуха и т. п.

Исследования Земли

Вместо установки лидара на земле, где принимаемый отражённый свет будет зашумлён из-за рассеяния в загрязнённых, нижних слоях атмосферы, «атмосферный» лидар может быть поднят в воздух или на орбиту, что существенно улучшает соотношение сигнал-шум и эффективный радиус действия системы.

Строительство и горное дело

Лидары, сканирующие неподвижные объекты (здания, городской ландшафт, открытые горные выработки), относительно дёшевы: так как объект неподвижен, то особого быстродействия от системы обработки сигнала не требуется, а сам цикл обмера может занимать достаточно долгое время (минуты).

Морские технологии

Измерение глубины моря. Для этой задачи используется дифференциальный лидар авиационного базирования. Красные волны почти отражаются поверхностью моря, тогда как зелёные частично проникают в воду, рассеиваются в ней, и отражаются от морского дна. Технология пока не применяется в гражданской гидрографии из-за высокой погрешности измерений и малого диапазона измеряемых глубин.

Поиск рыбы. Аналогичными средствами можно обнаруживать признаки косяков рыбы в приповерхностных слоях воды. Специалисты американской государственной лаборатории ESRL утверждают, что поиск рыбы лёгкими самолётами, оборудованных лидарами, как минимум на порядок дешевле, чем с судов, оборудованных эхолотами.

Спасение людей на море. В 1999 ВМС США запатентовали конструкцию авиационного лидара, применимого для поиска людей и человеческих тел на поверхности моря; принципиальная новизна этой разработки — в применении оптического маскирования отражённого сигнала, снижающего влияние помех.

Разминирование. Обнаружение мин возможно с помощью лидаров, непосредственно погруженных в воду (например, с буя, буксируемого катером или вертолётом), однако не имеет особых преимуществ по сравнению с активными акустическими системами (сонарами).

На транспорте

Определение скорости транспортных средств. В Австралии простейшие лидары используются для определения скорости автомобилей — так же, как и полицейские радары. Оптический «радар» существенно компактнее традиционного, однако менее надёжен в определении скорости современных легковых автомобилей: отражения от наклонных плоскостей сложной формы «запутывают» лидар.

Беспилотные транспортные средства. В 1987—1995 годах в ходе проекта EUREKA Prometheus, стоившего Европейскому союзу более 1 млрд долларов, были выработаны первые практические разработки беспилотных автомобилей. Наиболее известный прототип, VaMP (разработчик — Университет бундесвера в Мюнхене) не использовал лидары из-за недостатка вычислительной мощности тогдашних процессоров. Новейшая их разработка, MuCAR-3 (2006), использует единственный лидар кругового обзора, поднятый высоко над крышей машины, наравне с направленной мультифокальной камерой обзора вперёд и инерциальной навигационной системой.

Промышленные и сервисные роботы. Системы машинного зрения ближнего радиуса действия для роботов, основанные на сканирующем лидаре IBM, формируют цилиндрическую развёртку с углом охвата горизонта 360° и вертикальным углом зрения до +30..-30°. Собственно дальномер, установленный внутри сканирующей оптической головки, работает на постоянном излучении малой мощности, модулированном несущей частотой порядка 10 МГц. Расстояние до целей (при несущей 10 МГц — не более 15 м) пропорционально сдвигу фаз между опорным генератором, модулирующим источник света, и ответным сигналом.

Q&A

Всё ещё не понятно? – пиши вопросы на ящик