Содержание |
Принцип работы лидара
LiDAR — это аббревиатура от Light Detection and Ranging – детекция света и расстояния. В LiDAR лазерный свет отправляется от источника (передатчика) и отражается от объектов на сцене. Отраженный свет обнаруживается приемником системы, а время пролета (TOF) используется для построения карты расстояний до объектов в сцене.
LiDAR — это оптическая технология, которую в середине 2022 года часто называют ключевым методом определения расстояния для автономных транспортных средств. Многие производители работают над созданием недорогих компактных систем LiDAR. Практически все производители, занимающиеся автономным вождением в 2022 году, считают LiDAR ключевой технологией, и некоторые системы LiDAR уже доступны для усовершенствованных систем помощи водителю (ADAS).
Основная концепция лидара была предложена Э. Х. Сингом (Edward Hutchinson Synge) в 1930 году, который предложил использовать мощные прожекторы для исследования атмосферы. С тех пор лидар широко используется для исследования атмосферы и метеорологии.
Лидар — это метод определения дальности (переменного расстояния) путем нацеливания на объект или поверхность с помощью лазера и измерения времени, за которое отраженный свет возвращается к получателю. Его также можно использовать для создания цифровых трехмерных изображений областей на поверхности Земли и океанского дна в приливной и прибрежной зонах путем изменения длины волны света. Он имеет наземное, бортовое и мобильное исполнения.
Система LiDAR может использовать сканирующее зеркало, несколько лазерных лучей или другие средства для «сканирования» пространства объекта. Благодаря способности обеспечивать точное измерение расстояний LiDAR можно использовать для решения множества различных задач.Цифровизация ТЭК: тренды, перспективы, крупнейшие ИТ-поставщики. Обзор TAdviser 
В дистанционном зондировании системы LiDAR используются для измерения рассеяния, поглощения или повторного излучения частиц или молекул в атмосфере. Для этих целей к системам могут предъявляться особые требования по длине волны лазерных лучей. Можно измерить концентрацию определенных молекулярных частиц в атмосфере, например, метана и аэрозольной нагрузки. Капли дождя в атмосфере можно измерить, чтобы оценить расстояние до шторма и скорость выпадения дождя.
Другие системы LiDAR обеспечивают профили трехмерных поверхностей в пространстве объекта. В этих системах зондирующие лазерные лучи не привязаны к конкретным спектральным характеристикам. Вместо этого длина волны лазерных лучей может быть выбрана так, чтобы обеспечить безопасность для глаз или избежать атмосферных спектральных особенностей. Зондирующий луч сталкивается с «жесткой целью» и отражается обратно в приемник LiDAR.
LiDAR также можно использовать для определения скорости цели. Это можно сделать либо с помощью доплеровского метода, либо путем быстрого последовательного измерения расстояния до цели. Например, скорость атмосферного ветра и скорость автомобиля могут быть измерены системой LiDAR.
Кроме того, системы LiDAR можно использовать для создания трехмерной модели динамической сцены, например, той, с которой может столкнуться автономный автомобиль. Это можно сделать различными способами, обычно с помощью метода сканирования.
Устройство лидаров
По данным НПК ФОТОНИКА [1] на рынке РФ в 2022 году представлено несколько вариантов исполнения 3D-лидаров, включая:
- Механические с горизонтальным углом обзора 360 градусов;
- Твердотельные с горизонтальным углом обзора до 120 градусов.
Механические лидары
Источник фото:npk-photonica.ru
В качестве лазерного излучателя используются лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), количество которых напрямую влияет на качество формируемого облака точек. Фотоприемное устройство обычно изготавливается на базе кремниевых фотоумножителей (SiPM).
Источник фото:npk-photonica.ru
На начальном этапе свет от лазера попадает на линзу, затем на дифракционный оптический элемент и после этого достигает окружающие лидар объекты. На следующем этапе отраженный свет попадает на линзу фотоприемного устройства, проходит через оптический фильтр и фиксируется светочувствительной матрицей.
Источник фото:npk-photonica.ru
Сенсорная электронная компонентная база монтируется на вращающуюся механическую платформу, что позволяет осуществлять сбор информации об окружающем пространстве с горизонтальным углом обзора 360° и высокой точностью.
Еще одним вариантом исполнения механического 3D-лидара является использование резонансного зеркала, которое выступает в качестве вращающегося элемента между излучателем и приемником.
Источник фото:npk-photonica.ru
Твердотельные лидары
Одной из особенностью таких изделий является возможность задавать желаемый угол обзора с помощью перемещения MEMS-зеркал. В дополнение к этому, небольшой вес и размеры твердотельных лидаров являются еще одним неоспоримым преимуществом при их использовании в качестве полезной нагрузки на беспилотные летательные аппараты (БПЛА).
Источник фото:npk-photonica.ru
В состав твердотельного лидара входят модуль по обработке сигнала, лазерный модуль, MEMS-зеркала и линзы. В качестве фотоприемного устройства могут выступать лавинный фотодиод, кремниевые фотоумножители и источник сигнала VSCEL на длине волны 905 нм.
Обработка сигналов
- Лазер генерирует оптический сигнал, который, отразившись от окружающих объектов, попадает в чувствительную область приемника.
- Оптический сигнал конвертируется в цифровой с помощью ADC-преобразователя.
- За счет вычислительных мощностей AI-, ПЛИС-модуля или иных схем, цифровой сигнал поступает на дисплей в режиме реального времени или сохраняется на накопитель для последующей обработки.
Источник фото:npk-photonica.ru
Применение лидаров
Лидары в метеорологии
Области применения LiDAR глубоки и разнообразны. В атмосферных науках LiDAR используется для обнаружения многих типов атмосферных компонентов. Он использовался для характеристики аэрозолей в атмосфере, исследования ветров в верхних слоях атмосферы, профилирования облаков, сбора данных о погоде и многих других приложений. Данные LiDAR поддерживают такие виды деятельности, как моделирование наводнений и штормовых нагонов, гидродинамическое моделирование, картографирование береговой линии, реагирование на чрезвычайные ситуации, гидрографические исследования и анализ уязвимости побережья.
Лидары в автомобилях
Одним из применений для LiDAR является ситуационная осведомленность для таких направлений, как автономная навигация. Система ситуационной осведомленности для любого движущегося транспортного средства должна знать как о стационарных, так и о движущихся объектах вокруг него. Например, радар уже используется для обнаружения самолетов. LiDAR оказался очень полезным для наземных транспортных средств, поскольку он может определять расстояние до объектов и очень точно определяет направление.
Зондирующие лучи можно направлять под точным углом и быстро сканировать для создания облака точек для трехмерной модели. Возможность быстрого сканирования является ключевой для этого применения, поскольку ситуация вокруг автомобиля очень динамична.
Лидары в географии
Лидарные системы — это способ дистанционного определения изменений на поверхности Земли и на ней. Лучи света излучаются лазером, который отражается от объектов в географической области. Скорость возврата светового луча используется для расчета расстояния между лазерным сканером и землей.
Лазерные данные о дальности объединяются с данными о местоположении и ориентации, предоставляемыми интегрированными системами GPS и инерциальными измерительными устройствами, углами сканирования и данными калибровки. Результатом является трехмерный набор географических координат (широта, долгота и высота), известный как облако точек.
Лазер, специальный GPS-приемник и сканер являются основными компонентами устройств LiDAR, которые часто устанавливаются на самолет или вертолет для использования в большой области. Лидар также можно собирать с помощью наземных лидарных систем.
Система LiDAR посылает импульс света на поверхность Земли, а обратные импульсы передают информацию о местоположении объекта и расстоянии от системы LiDAR. В зависимости от порядка, в котором возвращаются эти импульсы, разные возвратные импульсы могут передавать информацию о географической местности.
Данные лидара классифицируются по порядку, в котором свет отражается обратно в систему. Первое возвращение измеряется как самая высокая точка ландшафта. Это может быть вершина холма, горы, здание или полог леса. Последнее возвращение записывается как самая низкая точка ландшафта и известна как «голая земля».
Планировка улиц и зданий легко идентифицируются. Высота зданий показана цветовой шкалой. Самые высокие здания окрашены в красный цвет, а самые низкие возвышения, такие как уровень улиц, - в синий. Так же лидары могут использоваться при борьбе с лесными пожарами и оценке их последствий.
Сельское хозяйство
Сельскохозяйственные роботы используются для самых разных целей, начиная от рассеивания семян и удобрений, методов обнаружения, а также для наблюдения за посевами для борьбы с сорняками.
Лидар может помочь определить, где применять дорогостоящие удобрения. Он может создать топографическую карту полей и показать склоны и солнечное освещение сельскохозяйственных угодий. Полученные от лидара топографические данные с результатами урожайности сельскохозяйственных угодий за предыдущие годы можно использовать чтобы разделить земли на зоны высокой, средней или низкой урожайности. Чтобы понимать, где применять удобрения, для максимизации урожая.
Лидар используется для наблюдения за насекомыми в полевых условиях. Использование лидара позволяет обнаруживать движение и поведение отдельных летающих насекомых с идентификацией вплоть до половой принадлежности и вида. В 2017 году была опубликована патентная заявка на эту технологию в США, Европе и Китае.
Еще одним приложением является картирование культур в садах и виноградниках для обнаружения роста листвы и необходимости обрезки или другого ухода, выявления изменений в урожайности фруктов или подсчета растений.
Лидар полезен в ситуациях, когда использование GPS невозможно, например, в ореховых и фруктовых садах, где листва блокирует спутниковые сигналы для точного сельскохозяйственного оборудования или трактора без водителя. Лидарные датчики могут обнаруживать края рядов, поэтому сельскохозяйственное оборудование может продолжать движение до тех пор, пока не восстановится сигнал GPS.
Борьба с сорняками требует определения видов растений. Это можно сделать с помощью трехмерного лидара и машинного обучения. Лидар создает контуры растений в виде «облака точек» со значениями дальности и коэффициента отражения. Эти данные преобразуются, и из них извлекаются признаки. Если вид известен, признаки добавляются как новые данные. Вид маркируется, и его признаки изначально сохраняются в качестве примера для идентификации вида в реальной среде. Этот метод эффективен, поскольку использует лидар с низким разрешением и контролируемое обучение. Он включает простой в вычислении набор функций с общими статистическими характеристиками, которые не зависят от размера предприятия.
Лидары в археологии
Лидар имеет множество применений в археологии, включая планирование полевых кампаний, картографирование объектов под пологом леса и обзор широких непрерывных объектов, неотличимых от земли. Лидар может быстро и дешево создавать наборы данных с высоким разрешением. Продукты лидара можно легко интегрировать в географическую информационную систему (ГИС) для анализа и интерпретации.
Лидар также может помочь в создании цифровых моделей рельефа (ЦМР) археологических памятников с высоким разрешением, которые могут выявить микротопографию, скрытую растительностью. Интенсивность возвращаемого лидарного сигнала можно использовать для обнаружения особенностей, скрытых под плоскими растительными поверхностями, такими как поля, особенно при картографировании с использованием инфракрасного спектра. Наличие этих особенностей влияет на рост растений и, следовательно, на количество отраженного инфракрасного света. Например, в форте Босежур – Национальное историческое место Форт-Камберленд, Канада, лидар обнаружил археологические объекты, связанные с осадой форта в 1755 году. Особенности, которые нельзя было различить на земле или при аэрофотосъемке, были идентифицированы путем наложения оттенков холмов на ЦМР, созданную с искусственным освещением под различными углами.
В 2012 году лидар использовался для поиска легендарного города Ла-Сьюдад-Бланка или «Города обезьяньего бога» в районе Ла-Москития в гондурасских джунглях. В течение семидневного периода картографирования были обнаружены свидетельства существования искусственных сооружений. В июне 2013 года было объявлено о повторном открытии города Махендрапарвата. В южной части Новой Англии лидар использовался для выявления каменных стен, фундаментов зданий, заброшенных дорог и других особенностей ландшафта, скрытых на аэрофотосъемке из-за густого полога леса.
В 2012 году лидар показал, что в поселении Пурепеча Ангамуко в Мичоакане, Мексика, было примерно столько же зданий, сколько в 20 веке на Манхэттене.
Лидары в космосе
К 2022 году лидар все чаще используется для определения дальности и расчета относительной скорости элемента орбиты в операциях сближения и удержании космических аппаратов на месте. Лидар также использовался для атмосферных исследований из космоса. Короткие импульсы лазерного излучения, излучаемого космическим кораблем, могут отражаться от мельчайших частиц в атмосфере и возвращаться обратно в телескоп, совмещенный с лазером космического корабля. Точно рассчитывая «эхо» лидара и измеряя количество лазерного света, получаемого телескопом, ученые могут точно определить местоположение, распределение и природу частиц. Результатом стал инструмент для изучения компонентов атмосферы, от облачных капель до промышленных загрязнителей, которые трудно обнаружить другими средствами.
Лазерная альтиметрия используется для создания цифровых карт высот планет, включая картографирование Марса с помощью Марсианского орбитального лазерного альтиметра (MOLA), лунного орбитального лазерного альтиметра (LOLA) и лунного альтиметра (LALT) для картирования Луны, и для картирования Меркурия с помощью лазерного высотомера Меркурия (MLA). Он также используется для помощи вертолету Ingenuity в его полетах над территорией Марса.
Рынок России
2022: Российские ученые из МТУСИ и ИОФ РАН протестировали мобильный лидар
14 марта 2022 года Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ) сообщил о завершении в его квантовом центре первого этапа тестирования мобильного лидара, разработанного учеными Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН). Исследование проведено на научной установке (УНУ) МТУСИ «Аппаратно-программный комплекс оценки основных технических характеристик оборудования беспроводной подводной лазерной связи», созданной специалистами вуза. Подробнее здесь.
2021
Обзор лидеров рынка
По данным исследования НПК "Фотоника" основные сегменты применения лидаров в России в 2021 году это - Автопилотируемый транспорт, БПЛА, Автоматизация производства и охрана.
На протяжении 2021 года прослеживается сокращение доли, приходящейся на автопилотируемый транспорт, что вызвано сроком полезного использования лидаров свыше 1 года. Вместе с тем отмечен рост сектора «Полезная нагрузка для БПЛА» с 51% до 77%.
Лидирующими компаниями по итогам 2021 года стали:
- Американская компания Velodyne, штаб-квартира которой находится в Сан-Хосе, Калифорния. Изделия данного производителя нашли широкое применение в автомобильной индустрии и активно используются для создания автопилотируемых транспортных средств. Лидары Velodyne также применяются в качестве полезной нагрузки для беспилотных летательных платформ, с помощью которых можно получать информацию об исследуемых объектах на дистанции до 200 метров в сжатые сроки.
- Американская компания Ouster, головной офис которой находится в Сан-Франциско. К достоинствам изделий Ouster можно отнести высокую степень защиты, небольшой размер и малый вес корпуса. Лидары данного производителя также успешно применяются в автопилотируемых грузовых транспортных средствах и в качестве полезной нагрузки для БПЛА. Возможности лидаров от Ouster позволяют осуществлять построение цифровых моделей рельефа, а также проводить инспекцию зданий и сооружений на дистанции до 120 метров.
- Китайская компания Robosense, головной офис которой находится в городе Шэньчжэнь. Robosense специализируется на производстве механических и твердотельных лидаров для автопилотируемых транспортных средств. Организация имеет опыт создания комплексных решений с использованием AI-модулей NVidia и собственного программного обеспечения, позволяющего определять различные препятствия на своем пути.
- Китайский производитель Hesai Technology специализируется на создании твердотельных и механических лидаров высокой точности. Компания была основана в 2014 году и имеет богатый опыт в создании оптических сенсоров для роботизированных платформ, автопилотируемого транспорта и полезной нагрузки БПЛА при решении задач по созданию цифровых моделей рельефа на дистанции до 300 метров.
- Немецкий разработчик твердотельных лидаров Blickfeld. Компания была основана в 2017 году в Мюнхене. К достоинствам лидаров Blickfeld можно отнести малые массогабаритные и программно-управляемые технические характеристики.
- Канадский производитель лидар-модулей и твердотельных лидаров LeddarTech с головным офисом в Квебеке. Лидарные модули данного разработчика широко применяются в системах предотвращения столкновений на карьерной технике, а твердотельные лидары повсеместно используются в системах контроля трафика и в составе систем охраны периметра.
- Производитель твердотельных лидаров для дронов DJI из Китая Livox. Изделия производителя применяются для создания систем по предотвращению столкновений и в составе решений для автопилотируемых подвижных платформ.
«Яндекс» запустил производство лидаров для беспилотных авто
23 ноября 2021 года стало известно о производстве «Яндексом» собственных лидаров, предназначенных для беспилотных автомобилей. Компания оснастила такими датчиками все свои самоуправляемые машины четвёртого поколения на базе Hyundai Sonata, а в будущем планируется использовать только эти решения вместо сторонних. Подробнее здесь.
2020
2019: «Яндекс» начал использовать в беспилотных авто лидары и камеры собственного производства
В середине декабря 2019 года стало известно о том, что «Яндекс» начал использовать в беспилотных автомобилях лидары и камеры собственного производства. В компании утверждают, что её решения наполовину дешевле иностранных аналогов. Подробнее здесь.
Мировой рынок
2021: Рост рынка лидаров для авто на 28% до $560 млн
По данным исследования по итогам 2021 года от Precedence Research [2] - рост мирового автомобильного рынка LiDAR увеличивается со среднегодовым темпом роста (CAGR) на 28,5%. Объем рынка по оценке компании в 2021 году составил $560 млн.
По данным Allied Market Research основной проблемой на пути внедрения лидаров в 2021 году стала их стоимость. Так по данным исследователей полная стоимость лидара включая сами сенсоры, железо для обработки, и необходимое ПО, может составлять от $ 20 тыс. до $75 тыс.
2019
Intel вышла на рынок лидаров
11 декабря 2019 года Intel представила первый в своём ассортименте лидар. Такая мини-камера высокого разрешения получилась самой маленькой в отрасли, заявили в компании. Подробнее здесь.
Google начала продавать лидары своих беспилотных авто
6 марта 2019 года Google объявила о начале продаж лидаров, которые компания использует в своих беспилотных автомобилях. Разработанный автомобильным подразделением Waymo датчик называется Honeycomb и применяется для того, чтобы определять расстояния, классифицировать объекты и распознавать людей, а также создавать трехмерные карты местности. Подробнее здесь.
2018: Испытания виртуальной стены с лидарами на границе США и Мексики
В сентябре 2018 года калифорнийская компания Quanergy закончила испытания своей лидарной системы охраны границ, которую проводила с разрешения шерифа округа Вал-Верде на одном из местных ранчо у границы с Мексикой. Компания заключила контракт с таможенной службой США и построила на границе с Мексикой виртуальную стену, которая сдержала бы нелегалов. Подробнее здесь.
Примечания
