Konseptina lidar on ollut olemassa vuosikymmenien ajan. Kiinnostus tätä tekniikkaa kohtaan on kuitenkin kasvanut jyrkästi viime vuosina, kun anturit pienenevät, monimutkaistuvat ja lidar -tekniikkaa sisältävien tuotteiden valikoima laajenee yhä enemmän.
Sana lidar on LIDARin (valon tunnistus ja etäisyys) translitterointi. Tämä on tekniikka tiedon saamiseksi ja käsittelemiseksi kaukaisista esineistä käyttämällä aktiivisia optisia järjestelmiä, jotka käyttävät valon heijastumisen ja sironnan ilmiöitä läpinäkyvässä ja puoliläpinäkyvässä mediassa. Lidar laitteena on samanlainen kuin tutka, joten sen käyttö on havaintoa ja havaitsemista, mutta radioaaltojen sijaan, kuten tutkassa, se käyttää valoa, jonka valtaosassa tapauksista tuottaa laser. Termiä lidar käytetään usein vaihtokelpoisesti Ladarin kanssa, joka tarkoittaa lasertunnistusta ja -etäisyyttä, vaikka Joe Buck, Lockheed Martinin avaruusjärjestelmien osaston Coherent Technologies -tutkimuksen johtaja, sanoo, että nämä kaksi käsitettä ovat teknisestä näkökulmasta erilaisia. "Kun katsot jotain, jota voidaan pitää pehmeänä esineenä, kuten hiukkasia tai ilmassa olevaa aerosolia, asiantuntijat käyttävät yleensä lidaria, kun puhutaan näiden esineiden havaitsemisesta. Kun katsot kiinteitä, kiinteitä esineitä, kuten autoa tai puuta, sinulla on taipumus taipua termiin Ladar. " Lisätietoja lidarista tieteellisestä näkökulmasta on kohdassa "Lidar: Kuinka se toimii".
"Lidar on ollut tutkimuksen kohteena jo vuosikymmeniä sen perustamisesta lähtien 1960 -luvun alussa", Buck jatkoi. Kiinnostus sitä kohtaan on kuitenkin kasvanut huomattavasti tämän vuosisadan alusta lähtien, ensinnäkin teknologisen kehityksen ansiosta. Hän käytti esimerkkinä synteettisen aukon renderointia. Mitä suurempi teleskooppi, sitä korkeampi kohteen tarkkuus voidaan saada. Jos tarvitset erittäin korkeaa resoluutiota, saatat tarvita paljon suuremman optisen järjestelmän, joka ei välttämättä ole kovin käytännöllinen käytännön kannalta. Synteettisen aukon kuvantaminen ratkaisee tämän ongelman käyttämällä liikkuvaa alustaa ja signaalinkäsittelyä saadakseen todellisen aukon, joka voi olla paljon suurempi kuin fyysinen aukko. Synteettiset aukotutkat (SAR) ovat olleet käytössä vuosikymmenien ajan. Kuitenkin vasta 2000 -luvun alussa alkoivat käytännön esittelyt synteettisen aukon optisesta kuvantamisesta huolimatta siitä, että laserit olivat jo laajalti käytössä.”Itse asiassa kesti enemmän aikaa sellaisten optisten lähteiden kehittämiseen, joilla olisi riittävä vakaus monenlaisilla säätöalueilla … Materiaalien, valonlähteiden ja ilmaisimien (joita käytetään ledoreissa) parantaminen jatkuu. Sen lisäksi, että sinulla on nyt kyky tehdä näitä mittauksia, voit tehdä ne pieninä lohkoina, mikä tekee järjestelmistä käytännöllisiä koon, painon ja virrankulutuksen kannalta."
Tietojen kerääminen (tai lidarin keräämät tiedot) on myös helpompaa ja käytännöllisempää. Perinteisesti se on koottu lentokoneiden antureista, sanoo Nick Rosengarten, BAE Systemsin geospatiaalisten hyödyntämistuotteiden ryhmän johtaja. Nykyään antureita voidaan kuitenkin asentaa maa -ajoneuvoihin tai jopa reppuihin, mikä merkitsee ihmisten tietojen keräämistä. "Tämä avaa monia mahdollisuuksia, tietoja voidaan nyt kerätä sekä sisällä että ulkona", Rosengarten selitti. Mattronris, Textron Systemsin geospatiaalisten ratkaisujen johtaja, sanoo:”Lidar on todella hämmästyttävä aineisto, koska se tarjoaa yksityiskohtaisimmat tiedot maan pinnalla. Se antaa paljon yksityiskohtaisemman ja niin sanotusti sävytetyn kuvan kuin DTED (Digital Terrain Elevation Data) -tekniikka, joka antaa tietoa maan pinnan korkeudesta tietyissä kohdissa. Ehkä yksi tehokkaimmista käyttötapauksista, joita olen kuullut sotilasasiakkailtamme, on skenaario sijoittautumisesta vieraaseen maastoon, koska heidän on tiedettävä, minne he ovat menossa … kiipeämään katolle tai kiipeämään aidalle. DTED -tiedot eivät salli sinun nähdä tätä. Et edes näe rakennuksia."
Morris totesi, että edes jotkut perinteiset korkean resoluution maaston korkeustiedot eivät salli sinun nähdä näitä ominaisuuksia. Mutta lidarin avulla voit tehdä tämän sen "sijaintiväli" - termi, joka kuvaa etäisyyden sijaintien välillä, jotka voidaan näyttää tarkasti tietotaulukossa. Lidarin tapauksessa "nousu" voidaan pienentää senttimetreiksi, "joten voit tietää tarkasti rakennuksen katon korkeuden tai seinän korkeuden tai puun korkeuden. Tämä todella lisää kolmiulotteisen (3D) tilannetietoisuuden tasoa. " Lisäksi lidar -antureiden kustannukset pienenevät samoin kuin niiden koko, mikä tekee niistä edullisempia.”Kymmenen vuotta sitten lidar -anturijärjestelmät olivat erittäin suuria ja erittäin kalliita. Heillä oli todella suuri virrankulutus. Mutta kehittyessään tekniikat kehittyivät, alustat pienenivät paljon, energiankulutus väheni ja tuottamien tietojen laatu parani."
Morris sanoi, että lidarin pääasiallinen käyttö sotilaskentässä on 3D -suunnittelussa ja taistelutehtävien koulutuksessa. Esimerkiksi hänen yrityksensä Lidar Analyst -lentosimulaatiotuotteen avulla käyttäjät voivat ottaa suuria määriä dataa ja "luoda nopeasti nämä 3D -mallit, jotta he voivat suunnitella tehtävänsä erittäin tarkasti". Sama pätee maaoperaatioihin. Morris selitti: "Tuotettamme käytetään suunnittelemaan tulo- ja poistumisreittejä kohdealueelle, ja koska raakatiedot ovat korkean resoluution, on mahdollista tehdä erittäin tarkka analyysi tilanteesta näköyhteyden sisällä."
Textron on yhdessä Lidar Analystin kanssa kehittänyt RemoteView -kuvankäsittelyohjelmistotuotteen Yhdysvaltain armeijalle ja tiedustelupalveluille. RemoteView -ohjelmisto voi käyttää erilaisia tietolähteitä, mukaan lukien lidar -tiedot. BAE Systems tarjoaa myös ohjelmiston paikkatietoanalyysiin, ja sen lippulaivatuote on SOCET GXP, joka tarjoaa monia ominaisuuksia, mukaan lukien lidar -datan käytön. Lisäksi Rosengarten selitti, että yhtiö on kehittänyt GXP Xplorer -teknologian, joka on tiedonhallintasovellus. Nämä tekniikat ovat varsin sopivia sotilaskäyttöön. Esimerkiksi Rosengarten mainitsi työkalun helikopterin laskeutumisvyöhykkeen laskemiseen, joka on osa SOCET GXP -ohjelmistoa. "Se voi ottaa lidar -tietoja ja tarjota käyttäjille tietoja kentällä olevista alueista, jotka voivat riittää helikopterin laskeutumiseen." Hän voi esimerkiksi kertoa heille, onko tiellä vertikaalisia esteitä, kuten puita: "Ihmiset voivat käyttää tätä työkalua tunnistamaan alueita, jotka saattavat parhaiten sopia evakuointipaikaksi humanitaaristen kriisien aikana." Rosengarten korosti myös laatoituksen mahdollisuuksia, joissa useita lidar -tietojoukkoja kerätään tietystä alueesta ja ommellaan yhteen. Tämä on mahdollista, koska”lidar -anturin metatietojen uskottavuus yhdistettynä ohjelmistoon, kuten BAE Systemsin SOCET GXP -sovellukseen, voi muuttaa metatiedot maantieteellisiksi tiedoiksi lasketuiksi alueiksi. Prosessi perustuu lidar -tietoihin, eikä se ole riippuvainen siitä, miten tiedot kerätään."
Kuinka se toimii: lidar
Lidar valaisee kohteen valolla. Lidar voi käyttää valoa näkyvällä, ultraviolettivalolla tai lähellä infrapuna -aluetta. Lidarin toimintaperiaate on yksinkertainen. Kohde (pinta) valaistaan lyhyellä valopulssilla, mitataan aika, jonka jälkeen signaali palaa lähteeseen. Lidar laukaisee nopeita lyhyitä lasersäteilypulsseja esineeseen (pintaan), jonka taajuus on jopa 150 000 pulssia sekunnissa. Laitteen anturi mittaa ajan valopulssin lähettämisen ja heijastumisen välillä olettaen, että valon nopeus on vakio 299792 km / s. Tätä aikaväliä mittaamalla on mahdollista laskea etäisyys lidarin ja kohteen erillisen osan välillä ja siten rakentaa kuva objektista sen sijainnin perusteella suhteessa lidariin.
Tuulen leikkaus
Samaan aikaan Buck viittasi Lockheed Martinin WindTracer -tekniikan mahdollisiin sotilaallisiin sovelluksiin. Kaupallinen tekniikka WindTracer käyttää lidaria tuulileikkausten mittaamiseen lentokentillä. Samaa prosessia voidaan käyttää sotilaskentässä esimerkiksi tarkkojen ilmapisaroiden kohdalla.”Sinun on pudotettava tarvikkeita riittävän korkealta, tätä varten laitat ne lavoille ja pudotat laskuvarjosta. Katsotaan nyt mihin ne laskeutuvat? Voit yrittää ennustaa minne ne menevät, mutta ongelma on se, että laskeutuessasi tuulen leikkaus muuttaa suuntaa eri korkeuksilla”, hän selitti. - Ja miten sitten ennustat, minne lava laskeutuu? Jos pystyt mittaamaan tuulen ja optimoimaan liikeradan, voit toimittaa tarvikkeita erittäin tarkasti.”
Lidaria käytetään myös miehittämättömissä maakulkuneuvoissa. Esimerkiksi automaattisten maa -ajoneuvojen (AHA) valmistaja Roboteam on luonut työkalun nimeltä Top Layer. Se on 3D -kartoitus ja itsenäinen navigointitekniikka, joka käyttää lidaria. Top Layer käyttää lidaria kahdella tavalla, sanoo Roboteamin johtaja Shahar Abukhazira. Ensimmäinen mahdollistaa suljettujen tilojen reaaliaikaisen kartoittamisen. "Joskus video on riittämätön maanalaisissa olosuhteissa, esimerkiksi se voi olla liian tumma tai näkyvyys on huonontunut pölyn tai savun vuoksi", Abukhazira lisäsi. - Lidarin kykyjen avulla voit päästä eroon tilanteesta, jossa ei ole suuntausta ja ymmärrystä ympäristöstä … nyt hän kartoittaa huoneen, hän tunnelin. Voit heti ymmärtää tilanteen, vaikka et näe mitään ja vaikka et tiedä missä olet."
Lidarin toinen käyttötarkoitus on autonomia, joka auttaa käyttäjää hallitsemaan useampaa kuin yhtä järjestelmää milloin tahansa. "Yksi kuljettaja voi ohjata yhtä AHA: ta, mutta on kaksi muuta AHA: ta, jotka yksinkertaisesti seuraavat ja ohjaavat ihmisen ohjaamaa ajoneuvoa", hän selitti. Samoin sotilas voi tulla tiloihin ja ANA yksinkertaisesti seuraa häntä, toisin sanoen ei tarvitse laittaa aseita sivuun laitteen käyttämiseksi. "Se tekee työstä yksinkertaisen ja intuitiivisen." Roboteamin suuremmassa AHA Probot -laitteessa on myös lidar, jonka avulla se voi matkustaa pitkiä matkoja. "Et voi vaatia operaattoria painamaan painiketta kolme päivää peräkkäin … käytät lidar -anturia yksinkertaisesti seuraamaan sotilaita tai seuraamaan autoa tai jopa siirtymään automaattisesti pisteestä toiseen, lidar auttaa näissä tilanteissa. vältä esteitä. " Abukhazira odottaa suuria läpimurtoja tällä alalla tulevaisuudessa. Käyttäjät halusivat esimerkiksi tilanteen, jossa ihminen ja ANA ovat vuorovaikutuksessa kahden sotilaan kanssa. "Ette hallitse toisianne. Katsot toisiasi, soitat toisillesi ja toimit täsmälleen niin kuin pitääkin. Uskon, että tietyllä tavalla saamme tämän tason viestinnän ihmisten ja järjestelmien välillä. Se on tehokkaampi. Uskon, että lidaarit johtavat meitä siihen suuntaan."
Mennään maan alle
Abukhazira toivoo myös, että lidar -anturit parantavat toimintaa vaarallisissa maanalaisissa ympäristöissä. Lidar -anturit antavat lisätietoja tunneleita kartoitettaessa. Lisäksi hän huomasi, että joskus pienessä ja pimeässä tunnelissa käyttäjä ei ehkä edes ymmärrä, että AHA johtaa väärään suuntaan.”Lidar -anturit toimivat GPS: n tavoin reaaliajassa ja saavat prosessin tuntumaan videopeliltä. Näet järjestelmän tunnelissa, tiedät minne olet menossa reaaliajassa."
On syytä huomata, että lidar -anturit ovat toinen tietolähde, eikä niitä pidä pitää tutkan suorana korvaajana. Buck huomasi, että aallonpituuksissa on suuri ero näiden kahden tekniikan välillä, joilla on omat etunsa ja haittansa. Usein paras ratkaisu on käyttää molempia tekniikoita, esimerkiksi mitata tuulen parametreja aerosolipilvellä. Optisten antureiden lyhyemmät aallonpituudet tarjoavat paremman suunnan havaitsemisen kuin RF -anturin (tutka) pidemmät aallonpituudet. Ilmakehän lähetysominaisuudet ovat kuitenkin hyvin erilaiset molemmilla antureilla.”Tutka pystyy kulkemaan tietyntyyppisten pilvien läpi, joita lidarin olisi vaikea käsitellä. Mutta esimerkiksi sumussa lidar voi toimia hieman paremmin kuin tutka."
Rosengarten sanoi, että lidarin yhdistäminen muihin valonlähteisiin, kuten pankromaattiseen dataan (kun kuvataan laajalla valon aallonpituusalueella), antaa täydellisen kuvan kiinnostavasta alueesta. Hyvä esimerkki tässä on helikopterin laskeutumispaikan määritelmä. Lidar voi skannata alueen ja sanoa, että sen kaltevuus on nolla, riippumatta siitä, että hän todella katsoo järveen. Tämän tyyppistä tietoa voidaan saada käyttämällä muita valonlähteitä. Rosengarten uskoo, että teollisuus sulautuu lopulta teknologioihin, jotka yhdistävät erilaisia visuaalisen ja muun valodatan lähteitä. "Se löytää tapoja tuoda kaikki tiedot saman katon alle … Tarkan ja kattavan tiedon saaminen on enemmän kuin pelkkä lidar -datan käyttö, mutta monimutkainen tehtävä, johon kuuluu kaikki käytettävissä olevat tekniikat."
