Лидар что это такое

Лидар: просто о сложном

LIDAR (Light Detection And Ranging — световая система обнаружения и измерения дальности) — технология, которая незаметно, но прочно входит в жизнь автолюбителей. Все больше автомобилей комплектуются лидар-сенсорами, а значит, пришло время рассказать, что здесь к чему. Тем более, что DENSO стоит у истоков автомобильных лидар-технологий.

Экскурс в историю

В середине 1930-х годов был изобретен ЭОП — электронно-оптический преобразователь, в котором электроны, выбитые инфракрасным излучением с фотокатода, разгонялись и фокусировались электромагнитным полем на аноде, буквально рисуя видимое излучение. Технология заинтересовала военных, и на этой основе немецкие и советские конструкторы создали несколько экспериментальных систем ночного видения. Причем немецкая система к концу Второй мировой войны даже пошла в серию. Активный инфракрасный прожектор подсвечивал местность, а оптический приемник улавливал отражение ИК-волн и выводил (пусть и нечеткую) картинку ночной местности.

Приборы ночного видения, созданные на принципе улавливания отраженных в ИК-диапазоне волн, с тех пор прошли долгую эволюцию, и постепенно инфракрасные оптические технологии перестали быть военным эксклюзивом. Принцип взаимодействия с отраженными инфракрасными волнами использует и современный лидар.

Первые в отрасли

Прогресс сделал возможным поместить активный источник инфракрасного излучения и его приемник в компактный корпус. Еще в начале 1990-х годов автомобильным инженерам стало понятно, что при современном росте скоростей и плотности движения необходимо создать технологию автоматического распознавания препятствий впереди машины.

В 1996 году компания DENSO показала оптический датчик, который широким горизонтальным лучом «сканировал» местность впереди машины. Еще через год, в 1997 году, DENSO разработала первый в мире оптический датчик, работающий в двух измерениях. Так компания представила первый лидар современного вида.

Лидар направляет перед собой инфракрасный свет в широком диапазоне (до 180̊) на расстояние до 400 м. Свет частично отражается от препятствий впереди, а частично рассеивается. Отраженный импульс возвращается обратно, где воспринимается фотодиодом. Ток на фотодиоде пропорционален воздействующему свету. На основании принятого цифрового сигнала процессор определяет расстояние до препятствия, а в случае с движущимся впереди автомобилем — и его скорость. Множество ИК-лучей и их одновременная обработка позволяют лидару строить 3D-изображение окружающей обстановки:

Мастер на все руки

Помимо этого, благодаря особенностям отражения, лидар «умеет» читать разметку — она отражает ИК-лучи иначе, чем асфальт. Лидару также под силу определить влажность воздуха, наличие осадков и тумана. Впрочем, при интенсивном дожде и снеге лидар пасует и не может адекватно оценить информацию — инфракрасные лучи хаотично преломляются и отражаются каплями воды в воздухе. По этой причине лидар практически всегда дублируется субмиллиметровым радаром (первенство в установке которого на автомобиль, к слову, также принадлежит DENSO).

Сегодня на основе информации, полученной от оптического датчика-лидара, функционируют многие системы безопасности автомобиля. Это и адаптивный круиз-контроль, и система аварийного торможения, и система распознавания дорожной разметки и удержания в полосе. Большим плюсом лидара по сравнению с радаром является его относительно дешевизна, а также простота и отработанный процесс производства. Лидар можно сравнить с оптической технологией, применяемой в дистанционных пультах для бытовой техники — никто уже давно не удивляется их наличию. Примерно то же ждет лидар в контексте использования в автомобильной промышленности.

Создание все более сложных, умных и надежных систем безопасности — это одна из глобальных целей DENSO. Однако не стоит забывать и о простом. К примеру, о том, что основа основ безопасности автомобиля – это нормальный обзор. Который обеспечивают качественные щетки стеклоочистителя. Подобрать подходящие щетки DENSO можно с помощью электронного каталога.

Источник

Что такое LiDAR и почему это будущее камер смартфонов

Что такое LiDAR и где он используется

Определение LiDAR можно написать по разному: это датчик измерения света и дальности или лазерная проекция с обнаружением и определением расстояния. Особо популярны они стали с появлением первых беспилотных автомобилей. Например, LiDAR установлен в беспилотных авто «Яндекса», датчик помогает ориентироваться машине в пространстве.

Так видят беспилотники «Яндекс»

Но история LiDAR начинается намного дальше. Технология была создана в 1960-х годах и первоначально предназначалась для отслеживания спутников и военных целей. Как и LiDAR, идея подразумевала использование света для отслеживания положения объектов.

Измеряя как быстро свет попадает во что-то и возвращается можно определить положение этого объекта. Так работали самые первые системы LiDAR и так они работают в iPad Pro (2020).

Пример работы сенсора LiDAR

Существенное улучшение технологии LiDAR произошло в 1980-х годах, когда инфракрасные лазерные системы стали широко использоваться для составления карт зданий и местности с помощью самолётов. Эти же методы позволили измерить глубину океана и найти скрытые поселения Майя.

За счёт регистрации не только времени, которое требуется лазерному лучу для возврата, но и угла, под которым он отражается, данные LiDAR можно комбинировать с другой информацией для получения очень точных трёхмерных карт. Профессиональные системы LIDAR часто объединяются с устройствами GPS — ещё одна технология, которая в настоящее время широко распространена в смартфонах.

Анализ поверхности земли с самолёта

Некоторые из современных датчиков LiDAR настолько чувствительны, что могут обнаруживать загрязняющие вещества в воздухе, или способны контролировать поток трафика в аэропорту. Общим для всех таких датчиков является то, что они основаны на балансе сбора и анализа данных, что будет всегда актуально для смартфонов и планшетов.

Чем LiDAR полезен для смартфонов и планшетов

Первым смартфоном Apple с датчиком глубины стал iPhone 7 Plus. Тогда это стал телеобъектив и использовался он для создания портретных снимков с размытием фона. Но LiDAR поможет вывести эту функцию на новый уровень.

Согласно данным Apple, сканер LiDAR внутри нового iPad Pro может работать на уровне отдельных фотонов света, на расстоянии до пяти метров и на скоростях, которые уходят в наносекунды (то есть кадр может быть захвачен моментально). Сканер работает в связке с чипом A12Z Bionic, который берёт на себя тяжелую работу с точки зрения интерпретации данных. Поэтому в ближайшее время не стоит ждать LiDAR на бюджетных смартфонах.

Самые заметные улучшения пользователь сможет заметить в дополненной реальности. Например, приложение «Рулетка» становится более быстрым и точным, когда подключается LiDAR. Теперь его можно использовать как полноценный инструмент измерения, а не просто как пример использования AR.

Благодаря сенсору LiDAR новый iPad Pro может анализировать среду в 3D-пространстве — точно также, как это делали самолёты с океаном и горами. В теории это позволит строить изображение дополненной реальности вокруг любых предметов в вашей квартире. Например, в играх герои смогут выглядывать из угла и ходить по любым предметам.

Размещение объектов будет более точным и реалистичным, захват движения в реальном времени будет более полным, а физические объекты в середине сцены будут лучше обрабатываться любым приложением AR, поскольку возможности LiDAR автоматически добавляются в фреймворк Apple ARKit.

А как же сенсор ToF?

Но всё это не означает, что появление LiDAR в телефонах неизбежно. Доступны и другие технологии измерения глубины, к тому же искусственный интеллект продолжает улучшаться и уже сейчас для замера глубины может использовать стандартные датчики камер. Но LiDAR может работать в любых условиях освещения, очень быстро и очень точно, что является одной из причин, по которым Apple делает на него ставку.

В Galaxy S20 Ultra используется сенсор ToF

Сенсор LiDAR отличается от того, что используется во многих флагманах Android. Там популярен датчик времени полета (ToF), который по многим функциям является аналогом LiDAR. ToF также использует отражённый свет для измерения расстояний для портретного режима и AR. Но в ToF использует один импульс света для оценки всего пространства, а LiDAR используется сканер, который с помощью нескольких точек света получает эти показания чаще и с большей точностью.

Таким образом LiDAR является важным и логичным шагом на пути развития камер смартфонов. Их популяризация должна начаться как раз с линейки iPhone 12 Pro, которую покажут осенью.

Источник

Технология будущего. Зачем нужен LiDAR, который появился в iPad Pro

Судя по анализу железа нового iPad Pro, его главная особенность – это новый датчик расстояния LiDAR.

Apple говорит, что NASA отправит с ним людей на Марс, а многие думают, что это прокачанный Face ID. Но многие пока не понимают, как его будут использовать разработчики.

Мы разобрались, в каких индустриях лидар используют прямо сейчас, чем его датчик отличается от чёлки в iPhone, и кому на самом деле нужна эта новая версия планшета.

Спойлер: произошла революция.

Как работает обычный лидар

По принципу работы радар и лидар отличаются только в источнике энергии, которым они измеряют величины. В первом это радио-волны, во втором лазер. Чаще всего инфракрасный, невидимый человеком.

Название LiDAR идёт от аббревиатуры light detection and ranging, на русском как «обнаружение и определение дальности через свет»

Простейшая система работы такая:

1. Излучатель бьёт лазером со скоростью света
2. Ресивер получает его обратно
3. Компьютер рассчитывает время возвращения луча
4. Формируется информация о расстоянии до объекта

Скорость света – величина неизменная, она всегда одинакова. Считывая разницу в скорости возвращения луча, можно составить глубинную 3D-карту местности, улицы или комнаты. Масштаб и точность такой карты зависит от размера датчиков, количества лучей, их яркости и множества других факторов.

Например, вот здесь можно пощупать информацию, которая получается на выходе сенсора для автомобилей OS1 от компании OUSTER.

NASA составила огромный список того, что умеют лидеры разного типа.

В зависимости от размера и точности сенсора, можно получить следующие данные:

Излучатели отличаются размерами, мощностью, типом лучей, их количеством, статичностью и многим другим. Их цепляют на спутники, самолёты, дроны и автомобили.

Учитывая, сколько материала можно собрать и обработать, становится понятно, что лидар может быть полезен в десятке разных областей. Пройдёмся по некоторым.

Технологию применяют в автопилотах, космосе и земледелии

С помощью сенсора можно предположить, какую область зальёт при наводнении

Все сканеры работают за счёт лучей, но площадь покрытия зависит от их количества. Это может был один лазер, который сканирует плотность газа, или полоса, которая формирует карту глубины двухмерной территории, как на примере выше.

В третьем виде излучатель бьёт квадратным полем, как это сделано в iPad Pro, и формирует объёмный отпечаток помещения, здания, метеорита и так далее.

Самоуправляемые машины выглядят самым очевидным применением для LiDAR. Почти каждая компания внедряет их по несколько штук за раз в свои проекты.

С другой стороны, Элон Маск год назад агрессивно противился им и сказал, что распознавание объектов эффективнее. Директор ИИ в Tesla Андрей Карпати считает лидар ненадёжным “костылём” по той же причине.

Анализ биосферы проводят датчиками повсеместно. У NASA есть список миссий с отчётами по ним. В них исследуют состояние озонового слоя, ищут связь выбросов и климата и изучают экосистему. Для последнего иногда даже задействуют спутники.

Но в основном в самолёты или дроны встраивают лазеры с приёмником, которые как валик с краской накрывают территорию под собой. А учёные на базе этих данных строят карты материалов и грунта.

Агрикультура и городское планирование занимают первое место по применению LiDAR. Анализ земли и воздуха помогает выбрать места для плодородных полей – такие, чтобы избежать оползней и загрязнённого воздуха.

LiDAR не умеет делать то, что может Face ID. И наоборот

Разобрались, что LiDAR стреляет лазером из дронов, самолётов и спутников. В iPad Pro это работает по тому же принципу, но на “минималках”.

В iPad Pro стоит не один луч, а 1152 штук в шахматном порядке.

Расчёт сделал так. Судя по изображению в обзоре, айпэд выпускает лазеры в 9 секторов. В каждом по 8 точек на ряд, который дублируется по диагонали. Получаем 8*8*2*9=1152.

Лучи крупнее в диаметре и намного дальше друг от друга, чем в Face ID. Из-за этого планшет технически не сможет составить точную карту глубины, потому что не считывает волосы и даже крупные детали, например уши.

Вот почему портретного режима в нём нет.

Зато у LiDAR шире покрытие. В отличие от Face ID, работает это приблизительно так:

1. Излучатель бьёт дальше крупными точками
2. «Приёмник» их ловит
3. Процессор A12Z собирает из отметок полигоны
4. Из полигонов под разными углами составляется карта

Точный сенсор айпэда нужен везде. Развлечениям и образованию особенно

Пока система стоит в сравнительно непопулярном устройстве, ей мало кто будет пользоваться. Вот только парк AR-устройств уже огромный, компания зря время не теряли.

Всё те же люди продолжат использовать AR-приложения, просто чаще. Раньше текстуры прыгали друг на друга, а положение объектов неудачно отслеживалось.

1. Студенты и профессоры с приложением по анатомии
2. Дизайнеры квартир с быстрым составлением плана
3. Ритейлеры, вроде IKEA, которые удобно покажут свои товары
4. Музеи смогут рендерить в AR скульптуры, а не только картины

Это та часть, которая хоть как-то активна в дополненной реальности. Скорее всего, теперь к ней увереннее подключатся спорт и бьюти-сфера.

Apple такая же технологичная компания, как и все остальные. Бывает, что инновации не заходят в массы, как это было с 3D Touch, и их постепенно выпилывают. Но мне кажется, что LiDAR за следующие десятилетие взлетит до ключевой технологии.

В ближайшие годы сканер рискует стать стандартом из-за AR

Если у вас iPhone 7 или новее, откройте сайт Apple и активируйте режим дополненной реальности, например с iPad или MacBook Pro.

Этот опыт будет идеальным, чтобы люди начали включать игры и приложения не на один раз рад интереса, а пользовались ими постоянно.

А там и до звонков по FaceTime в стиле Звёздных Войн недалеко. Взгляните, к примеру, научились заменять на искусственный в iOS 13.

Дополненная реальность уже здесь, и у неё нет финала

То, что раньше было неудачным Kinect для XBOX, переродилось в киллер-фичу iOS

Пока я искал информацию для материала, заметил одну вещь. Большинство заголовков о развитии лидаров вышли в последние два года, и в основном в 2019-м. Видно, что индустрия плотно развивается, в ней около десятка конкурентов, и впереди много лет прогресса.

Бесконечные маски в Инстаграме, перебрасывающие сразу на сайт QR-метки, грядущие уведомления об опасных контактах от коллаборации Apple | Google.

В общем, реальности смешиваются и, как это бывает с прогрессом, незаметно для его участников. LiDAR может станет ступенью для осязания всего процесса.

Ходит много слухов о том, что грядущие iPhone 12 Pro тоже оснастят таким сенсором. С учётом потенциала и места для улучшения технологии, легко верю в то, что Apple лучше нас понимает важность лидара, а для использования AR сканер станет критичным параметром.

Источник

Что такое лидар

Сканирование местности — одна из главных задач для беспилотных роботов, которые самостоятельно прокладывают путь из точки А в Б. Решать её можно по-разному: всё зависит от бюджета и поставленных целей, но общая суть инженерного подхода остаётся похожей. Лидарные системы стали стандартом де-факто для беспилотных автомобилей и роботов. А ещё лидар можно приладить к своему проекту на Arduino!

Как это работает

Название LiDAR расшифровывается как «Light Identification Detection and Ranging» — дословно, система световой идентификации, обнаружения и определения дальности. Из названия понятно, что лидар имеет что-то общее с радаром. Вся разница в том, что вместо СВЧ-радиоволн здесь используются волны оптического диапазона.

Давайте вспомним общий принцип работы подобных систем: у нас есть устройство, которое посылает наружу направленное излучение, затем ловит отражённые волны и строит исходя из этого картину пространства. Именно так и работает лидар: в качестве активного источника используют инфракрасный светодиод или лазер, лучи которого мгновенно распространяются в среде. Рядом с излучателем расположен светочувствительный приёмник — он и улавливает отражения.

Обозначения: D — измеренное расстояние; c — скорость света в оптической среде; f — частота сканирующих импульсов; Δφ — фазовый сдвиг.

Получив время, за которое вернулась отражённая волна, мы можем определить расстояние до объекта в поле зрения датчика. Подобный принцип определения дистанции называют времяпролётным — от английского Time-of-flight (ToF). А что дальше? У вас появляются разные возможности, как распорядиться этими данными.

Оптический дальномер

Однако быстродействующий дальномер может пригодиться и в самодельных роботах на Arduino и Raspberry Pi: лидары не боятся засветки солнцем, а скорость реакции у них выше, чем у ультразвуковых датчиков. Используя лидар в качестве датчика пространства, ваше детище сможет видеть препятствия на увеличенной дистанции. Разные модели отличаются дальностью работы и степенью защиты. Модификации в герметичном корпусе позволят роботу работать на улице.

Лидарная камера

Следующая ступень развития — лидар в роли 3D-камеры. Добавляем к одномерному лучу систему развёртки и получаем прибор, который может построить модель пространства из облака точек в определённой зоне обзора. Для перемещения сканирующего луча чего только не применяют: от поворотных зеркал и призм до микроэлектромеханических систем (МЭМС). Подобные решения используют, например, для быстрого построения 3D-карты местности или оцифровки архитектурных объектов.

Сканирующий лидар с круговым обзором

Вот и мечта любого автопроизводителя — главный сенсор, который заменяет беспилотной машине почти все глаза. Здесь мы имеем комбинацию излучателей и приёмников, установленных на поворотной платформе, которая вращается со скоростью в сотни оборотов в минуту. Плотность генерируемых точек такова, что лидар строит полноценную картину местности, в которой видно другие машины, пешеходов, столбы и деревья на обочине, и даже изъяны дорожного покрытия или рельефную разметку!

Лидары с круговым обзором 360° — наиболее сложные и дорогие из всех разновидностей, но и самые желанные для разработчиков, поэтому они часто встречаются на прототипах беспилотных автомобилей, где вопрос стоимости не стоит слишком остро.

В заключение

Дожидаться светлого беспилотного будущего совсем необязательно, ведь можно начать собственные эксперименты с инфракрасным лидаром на Arduino или Raspberry Pi уже сейчас. Если вам нужен дальномер с рабочей дистанцией до 40 метров и моментальной реакцией — это подходящий вариант. А если заморочиться и моторизовать лидар, то у вас получится сделать и любительский 3D-сканер на принципе ToF.

Источник

Лидар

Технология существует с 1960-х годов, когда лазерные сканеры были установлены на самолетах. Лишь в конце 1980-х годов, с появлением коммерчески жизнеспособных систем GPS, данные с лидаров стали полезным инструментом для обеспечения точных геопространственных измерений.

Лидар принцип работы

Он работает аналогично радару и сонару, но использует световые волны от лазера вместо радио или звуковых волн. Система лидар рассчитывает, сколько времени требуется свету, для попадания в объект и отражения обратно в сканер. Расстояние рассчитывается с использованием скорости света.

Lidar

Использование технологии Lidar. Система чаще всего используются для геодезических задач. Благодаря своей способности собирать трехмерные измерения, системы лазерного сканирования стали активно использоваться для съемки искусственной среды (например: зданий, дорожных сетей и железных дорог), а также для создания цифровых моделей рельефа (DTM) и рельефа конкретных ландшафтов (DEM).

Лазерное сканирование является популярным методом обнаружения риска наводнений, накопления углерода в лесном хозяйстве и мониторинга береговой эрозии.

С использованием данной технологии также наблюдается повышенный уровень внедрения приложений автоматизации. Многие производители автомобилей используют сканеры меньшего диапазона и с более низкой дальностью, чтобы помочь в навигации автономных транспортных средств. Именно с использованием этой технологии работают системы автоматического управления в автомобилях Тесла и им подобных.

Применение лидаров

На сегодняшний день наиболее распространенными сферами использования системы лидар являются приложения для географического и атмосферного картографирования. Такие организации, как USGS (Геологическая служба США), NOAA (Национальное управление океанографии и атмосферы) и NASA, десятилетиями использовали лидар для создания карт Земли и космоса.

Одним из наиболее распространенных применений является полицейское оборудование для измерения скорости автомобилей, хотя мы обычно думаем, что это радар.

Портативные приборы гораздо чаще используют лазеры с длиной волны 905 нм, которые дешевые, безопасные и очень эффективные.

У лидаров большое будущее, так как данная технология не стоит на месте, постоянно развивая приложения и утилиты. От базовых приложений для датчиков до систем 3D печати, 3D сканирования, моделирования и умных городов. Lidar трансформирует мир разными способами.

Лидар в дополненной реальности (AR)

Технология в автономных транспортных средствах
Ожидается, что автономные автомобили скоро появятся на дорогах, которые произведут революцию в автомобильном секторе. Без лидара автономные транспортные средства перестанут существовать. Лидар следует называть глазами автономного транспортного средства, поскольку он смотрит на окружение, вычисляет расстояние, определяет препятствия впереди, освещает объекты лазером, а затем создает цифровое изображение высокого разрешения. Он также используется для предотвращения столкновений, путем измерения расстояния между автомобилем и любым другим препятствием перед ним. Это делается путем установки модуля на бампер или крышу. Адаптивная система круиз-контроля в автономном автомобиле получает информацию от датчиков, с помощью которых она решает, когда включать тормоза, замедляться либо ускоряться.

Lidar и изменение климата
Сверхвысокое разрешение и точные изображения захвата подчеркивают даже мельчайшие детали. По этой причине ученые и геологи все чаще отдают предпочтение данной технологии. Лидар может помочь отслеживать процессы ведения сельского хозяйства более эффективно, чем любой другой метод.

LiDAR в космосе
НАСА разработало для международной космической станции инструмент под названием GEDI (исследование динамики глобальной экосистемы), который обеспечивает уникальное трехмерное изображение лесов Земли и помогает предоставить информацию об углеродном цикле, который ранее не был доступен. GEDI предоставляет жизненно важную информацию о влиянии деревьев на количество углерода в атмосфере. Используя эту информацию, ученые теперь могут определить точный уровень углерода, который хранится в лесах, и количество деревьев, которые необходимо посадить, чтобы компенсировать влияние выбросов парниковых газов.

Геодезия
Геодезия является одной из самых известных областей применения технологии. Съемка используется в областях строительства, городского планирования и изучения топографии региона. При съемке материалы собираются очень быстро, превосходя обычные методы. Пространственные модели, созданные с использованием LiDAR, имеют незначительную погрешность, экономят деньги и позволяют принимать решения быстрее. При съемке точки преобразуются в цифровую модель рельефа (ЦМР). ЦМР может иметь любую текстуру в зависимости от области применения и плотности.

Археология
Для исследование старых археологических раскопок, здесь лидар полезен из-за исключительной детализации, которую он может сделать. При этом экономится время, а также усилия археологов, позволяя им «воскрешать» объекты, которые раньше было практически невозможно создать.
Потрясающие трехмерные изображения древнего города майя, были созданы двумя археологами с помощью лидара. Эта модель позволила совершенно по-другому взглянуть на структуру города и назначение отдельных зданий.

Карты лидара

LiDAR Mapping (Карты лидара). При картировании используется лазерная сканирующая система со встроенным инерциальным измерительным блоком (IMU) и приемником GNSS, который позволяет осуществлять географическую привязку каждого измерения или точки. Каждая точка объединяется с другими для создания трехмерного представления объекта или области.

Карты лидара могут использоваться для определения точности позиционирования.

Материалы LiDAR в форме или облаке точек можно использовать для создания карт целых городов, с точностью до миллиметра. Элементы и объекты, такие как дорожные сети, мосты, растительность, могут быть классифицированы и нанесены на трехмерные карты.

Карты LiDAR также можно использовать для выделения изменений и отклонений, таких как эрозия земли, изменения наклона почвы и рост растительности.

Источник

Как десяток ведущих компаний пытаются создать мощный и недорогой лидар

Лидар совершенно необходим для робомобилей – и вот, как работают некоторые из ведущих датчиков

Лидар, или световой радар, это технология, критически важная для создания робомобилей. Датчики предоставляют компьютеру трёхмерное облако точек, обозначающее окружающее автомобиль пространство, а его концепт помог командам выиграть конкурс DARPA Urban Challenge в 2007 году. С тех пор системы лидаров стали стандартом для робомобилей.

В последние годы были созданы десятки стартапов, работающих с лидарами, и соревнующимися с лидером индустрии Velodyne. Все они наобещали более приемлемые цены и улучшенную эффективность работы. В 2018 году журнал Ars уже делал подборку основных тенденций в индустрии лидаров, и описал, почему эксперты ожидали появления улучшенных и менее дорогих систем в ближайшие несколько лет. В той статье не было подробностей по поводу самих компаний – в основном потому, что они держали информацию о работе своей технологии в тайне.

Но за последний год я получал непрерывный поток рекламы, исходящей от разработчиков лидаров, и побеседовал с большим количеством их представителей. Журнал Ars находится на связи директорами, по меньшей мере, восьми таких компаний, а также с компаниями, занимающимися анализом индустрии или их клиентами. Всё это общение позволило составить неплохое представление не только о тенденциях индустрии лидаров, но и о технологиях и бизнес-тратегиях отдельных компаний.

Сегодня существует три основных отличия лидаров друг от друга. После описания этих возможностей будет легче понять технологии девяти ведущих компаний, разрабатывающих лидары.

Чтобы не раздувать зря статью, мы опишем независимые компании, которые в основном занимаются лидарами. Поэтому мы не будем описывать собственную технологию лидаров от Waymo, стартапы, работающие с лидарами, которые купили себе GM и Ford в 2017 году, или попытки разработки лидаров от более крупных компаний, таких, как Valeo (сделавшая лидар для моделей Audi 2018 и 2019 годов A7 и A8), Pioneer или Continental. Сложно выпытать у этих крупных компаний подробности об их технологиях, но и без них есть, что описать.

Три крупных фактора, отличающих лидары друг от друга

Базовая идея лидара проста: датчик испускает лазерные лучи в разных направлениях, и ждёт, пока их отражения вернутся. Скорость света известна, и время в пути туда и обратно даёт точную оценку расстояния.

И хотя базовая идея проста, детали усложняют всё очень быстро. Каждый изготовитель лидаров должен принять три базовых решения: как направлять лазер в разные стороны, как измерять время на путь туда и обратно, и свет какой частоты использовать. Мы рассмотрим каждое из них по очереди.

Технология управления лучом

Большинство ведущих лидаров используют один из четырёх методов направления лазерных лучей в разные стороны (две компании, Baraja и Cepton, сообщили, что используют другие технологии, которые они не объяснили):

Измерение расстояния

Лидар измеряет время, которое требуется свету для того, чтобы дойти до объекта, и отразиться от него. Есть три простых способа сделать это:

Длина волны лазера

Описанные в данной статье лидары используют один из трёх вариантов длин волн: 850, 905 или 1550 нм.

Этот выбор имеет значение по двум причинам. Одна из них – безопасность глаз. Жидкость внутри глаза прозрачна для света с длиной волны 850 и 905 нм, что позволяет свету дойти до сетчатки. Если лазер будет слишком мощным, он может причинить глазу непоправимый вред.

С другой стороны, глаз непрозрачен для излучения с длиной волны 1550 нм, что позволяет таким лидарам работать на большей мощности, не вредя сетчатке. Увеличение мощности позволяет увеличивать дальность действия.

Так почему же все не используют лазеры с длиной волны 1550 нм в лидарах? Детекторы, работающие с частотами 850 и 905 нм, можно создать на основе недорогих и распространённых кремниевых технологий. Для создания лидара с длиной волны 1550 нм требуется использовать экзотические и дорогие материалы, такие, как арсенид галлия-индия.

И хотя лазеры на 1550 нм могут работать с большей мощностью, не представляя угрозы для глаз, такие уровни мощности могут приводить к другим проблемам. На выставке CES в Лас-Вегасе в этом году один человек сообщил, что мощный лазер на 1550 нм в лидаре от AEye испортил ему камеру. И, конечно, лазеры большей мощности потребляют больше энергии, что уменьшает дальность хода и энергетическую эффективность машины.

Учтя всё это, давайте рассмотрим десятку ведущих разработчиков лидаров.

Velodyne

Три продукта Velodyne: Alpha Puck, Velarray и Veladome

Управление лучом: вращение.

Измерение расстояний: время в пути.

Длина волны: 905 нм

Velodyne изобрела современный трёхмерный лидар более десяти лет назад, и с тех пор доминирует на этом рынке. Характерные вращающиеся лидары компании часто используются в робомобилях, и компания, скорее всего, останется лидером рынка в 2019. Однако некоторые наблюдатели задаются вопросом, сможет ли компания поддерживать свою лидирующую позицию в последующие годы.

Касательно этих цифр представитель Velodyne ответил: «Мы не раскрываем стоимость продукции, однако, озвученные цены характерны для единичных продуктов. В закупках автомобильных масштабов цены существенно ниже, и мы активно поставляем автопроизводителям продукцию по низким ценам».

Некоторые критики утверждают, что у Velodyne были трудности с производством и качеством продукции.

«Деликатные движущиеся датчики лидара, являющиеся средством к существованию компании, оказалось сложно производить эффективно и с высоким качеством, и они могут быть раздражающе хрупкими при применении в автомобилях», писал недавно журналист Эд Нидермайер, цитируя источники сектора робомобилей.

Представитель компании поспорил с таким отзывом, утверждая, что Velodyne «за годы работы довела науку изготовления этих датчиков в больших количествах до совершенства», и что «было доказано, что они выдерживают жёсткие условия эксплуатации в автомобилях».

Недавно Velodyne подписала лицензионный договор с Veoneer, известной компанией в цепочки поставок автомобильных запчастей. У Veoneer есть большой опыт создания компонентов, удовлетворяющих стандартам качества автомобильных компаний, и у неё могут появиться идеи о внесении изменений в классический дизайн Velodyne с целью улучшения качества и уменьшения цены продукта. Однако им нужно действовать быстро, поскольку целый ряд других компаний уже нацелился на место лидера.

Luminar

Управление лучом: механическое сканирование

Измерение расстояний: время в пути.

Длина волны: 1550 нм

Многие считают Luminar одним из главных соперников Velodyne. Компания занимается этим бизнесом с 2012 года, и в прошлом году начала производство лидаров в больших количествах. Компания утверждает, что качество её продукции находится на высшем уровне.

В прошлом году в ответ на наши расспросы о Luminar президент компании Velodyne Марта Холл указала нам на серьёзный недостаток лидаров от Luminar – большое энергопотребление. Это особенно важно, поскольку лидары от Luminar представляют собой фиксированные датчики с полем зрения в 120 градусов. Это значит, что для обеспечения просмотра всех 360 градусов потребуется четыре прибора от Luminar (с учётом наложения их полей зрения), вместо всего одного от Velodyne или Ouster. Однако затем в письме представитель Luminar ответил, что последняя версия их лидара значительно уменьшила потребление энергии по сравнению с ранними моделями, и потребляет «на круг примерно 50 Вт».

Также Luminar ничего не сообщает по поводу цен. В прошлом мае директор Luminar Остин Рассел рассказал нам, что их лидар должен будет «подешеветь до нескольких тысяч долларов», чтобы суметь состязаться на потребительском рынке, и что этот вопрос для компании «не является проблемой». Однако из этого следует, что в то время стоимость приборов получалась значительно выше нескольких тысяч.

Luminar опережает многих изготовителей лидаров в области реальных поставок, поскольку начала массовое производство более девяти месяцев назад. За последние 18 месяцев Luminar сумела заключить партнёрские соглашения с компаниями Toyota, Volkswagen и Volvo.

В недавнем интервью Рассел указал на эти сделки, назвав их крупнейшими конкурентными преимуществами компании. Он сказал мне, что крупнейшие компании разрабатывают робомобили на основе лидаров от Luminar, и им дорого обойдётся переход на продукцию конкурентов в будущем.

Управление лучом: механическое сканирование

Измерение расстояний: время в пути.

Длина волны: 1550 нм

У AEye много общего с Luminar. Она использует механическое сканирующее зеркало для управления лучами. Она использует лазер безопасной для глаз длины волны 1550 нм, позволяя ему работать на больших уровнях энергии. В результате у лидара от AEye впечатляющие характеристики по дальности. AEye говорит, что их лидар может видеть на расстоянии вплоть до 1000 м – это гораздо больше, чем те 200-300 м, которыми хвастаются самые дорогие устройства.

В декабрьском интервью директор AEye Люис Дюссан расхваливал высокоэнергетические импульсы, которые способны выдавать волоконные лазеры лидара AEye. Он сказал, что многие лидары конкурентов основаны на диодных лазерах, «ограниченных мощностью в 100-150 Вт. Волоконные лазеры могут доходить до 100 000 Вт – очень короткий импульс, большое количество сигнала».

Большая энергия позволяет увеличивать расстояние, но у неё есть и свои недостатки. В этом году на выставке CES в Лас-Вегас один человек рассказал журналу Ars, что его дорогая камера оказалась испорченной, когда он сделал фотографию лидара от AEye. Глаза заполнены жидкостью, непроницаемой для волн длиной 1550 нм. А камеры – нет. Видимо, мощный лазер AEye попал на хрупкую матрицу фотокамеры.

В заявлении для журнала Ars компания AEye описала повреждение камеры как проблему, присущую всей индустрии. Но Ангус Пакала, директор конкурирующей компании Ouster, спорит с этим. Он писал: «Наши сенсоры безопасны для глаз и камер. И точка». Luminar сообщила, что «мы провели всесторонние испытания с той же камерой с теми же линзами и с теми же настройками, что были у повреждённой на CES, и не смогли причинить ей вреда» при помощи лидара от Luminar.

Большинство лидаров используют фиксированную схему сканирования. Лидар AEye использует другой подход, который компания называет «подвижным сканированием». Схему сканирования AEye можно настроить программно и менять динамически. Согласно Дюссану, подвижная схема сканирования работает с гибкостью волоконного лазера. «От снимка к снимку можно контролировать энергию импульсов», — сказал он Ars. ПО управляет не только тем, когда произойдёт следующее измерение, но и тем, сколько энергии будет использовано – и, следовательно, какое расстояние будет измерено в следующий раз.

В результате, когда лидар замечает далеко находящийся объект, он может увеличить разрешение сканирования и уровень энергии в данной части изображения, и получить больше точек данных. В итоге может получиться скан с высоким разрешением, который поможет различить пешехода, мотоцикл или габаритный мусор, оставшийся на дороге.

С другой стороны, существует опасность чрезмерной оптимизации. Если лидар будет тратить много времени на сканирование уже распознанных объектов, возникает опасность, что на систематическое сканирование времени останется слишком мало, из-за чего он пропустит другие объекты.

Ouster

Управление лучом: вращение

Измерение расстояний: время в пути.

Длина волны: 850 нм

На первый взгляд, лидар от Ouster выглядит очень похоже на Velodyne. Это вращающиеся системы, измеряющие время импульсов в пути, и обе компании продают приборы с 16, 64 и 128-ю лазерами. И это не совпадение: Ouster специально разрабатывала продукцию так, чтобы её можно было использовать для замены приборов от Velodyne, поскольку многие потенциальные клиенты освоились с их классическим форм-фактором.

Ouster может запихнуть 64 лазера на чип, используя поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL) — в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности. Поскольку VCSEL излучают перпендикулярно поверхности подложки, много лазеров можно разместить на полупроводниковом кристалле. Технология уже давно используется в таких пользовательских приложениях, как компьютерные мыши, но она всегда считалась недостаточно мощной для использования в лидаре. В Ouster говорят, что придумали, как создать лидар высокой эффективности при помощи VCSEL.

Ouster использует ещё одну полупроводниковую технологию, диоды однофотонного каскада (SPAD), чтобы обнаруживать возвратившийся свет. Как и VCSEL, SPAD можно изготовить при помощи стандартных технологий производства кремниевых чипов, и в один кристалл можно запихнуть много SPAD. Благодаря этому Ouster было довольно несложно перейти с 64-лазерных приборов в прошлом году на 128-лазерные, анонс которых состоялся в январе, а поставки начнутся летом. Компании просто пришлось заменить в старой модели чипы с 64 лазерами и 64 детекторами на новые 128-е чипы.

И обновление с 64 до 128 лазеров – это только начало, утверждает директор Ангус Пакала. Он рассчитывает, что за несколько лет компания представит лидары, в распоряжении которых будут тысячи – а, возможно, и миллионы – лазеров VCSEL и детекторов SPAD.

Пока что Ouster концентрируется на создании одномерных массивов лазеров для использования во вращающемся датчике, похожем на устройства от Velodyne. Но Пакала говорит, что ту же технику можно использовать и для создания двумерных массивов из лазеров и детекторов – наподобие матрицы в фотоаппарате. Это может привести к созданию нового класса лидаров на основе вспышек, где каждый «пиксель» будет обслуживать своей парой лазер-детектор. В результате у лидара будут преимущества вспышки – никаких движущихся частей, возможность воспринять «кадр» сразу и целиком – без жертв дальности обычного лидара.

Суть стратегии Ouster заключается в том, чтобы использовать в своих интересах промышленную базу потребительской электроники, в которой VCSEL уже используются в компьютерных мышках, для дальномеров у камер смартфонов, и в других областях. Пакала утверждает, что VCSEL ещё есть куда улучшать по таким параметрам, как яркость, стоимость и энергоэффективность. А все улучшения технологий VCSEL (и SPAD) будут автоматически работать на руку Ouster.

Blackmore

Управление лучом: механическое сканирование.

Измерение расстояний: непрерывное излучение с частотной модуляцией.

Длина волны: 1550 нм

Как и Ouster, Blackmore надеется использовать в своих целях развёрнутую инфраструктуру полупроводниковой промышленности. Однако её интересует индустрия оптических коммуникаций, а не потребительской электроники.

На первый взгляд, лидары и устройства оптической связи отличаются друг от друга, но на самом деле у них больше общего, чем можно было представить. Они отправляют информацию, закодированную в свете, улавливают свет позже и извлекают информацию из него.

«Оптический слой Blackmore создан на основе стандартных компонентов для оптоволоконной связи», — написано на сайте компании. «Пользуясь наработанными за десятилетия решениями в области оптоволоконной связи, мы с уверенностью заявляем, что наши схемы масштабируемы и надёжны».

Практически во всех других аспектах лидар Blackmore удивительно сильно отличается от продукции компаний Ouster и Velodyne. Вместо вращения на 360 градусов, лидар зафиксирован с полем зрения в 120 градусов по горизонтали и 30 градусов по вертикали. Он использует непрерывное излучение с частотной модуляцией для измерения расстояний, что позволяет измерять и скорость объектов.

Baraja

Управление лучом: спектроскопическое сканирование.

Измерение расстояний: непрерывное излучение с амплитудной модуляцией.

Длина волны: 1550 нм

Baraja – один из самых необычных стартапов, о которых я рассказывал в прошлом году – и один из наиболее таинственных.

У большинства лидаров поле зрения составляет 120 градусов или меньше, что означает необходимость покупать не менее четырёх штук для обеспечения полного покрытия 360 градусов. Это может выйти дорого, а также требует расстановки хрупкой электроники по краям машины, где её очень легко повредить.

Идея Baraja состоит в том, чтобы переместить всю хрупкую электронику в багажник. Находящийся там обработчик сигналов соединяется по оптоволокну с четырьмя дешёвыми и прочными головками датчиков, которые можно разместить снаружи машины.

В интервью прошлым летом директор компании Федерико Колларте сказал мне, что четыре головки датчиков «состоят, по сути, из кремниевого стекла. Они дёшевы, надёжны, хорошо выдерживают стихии. В случае аварии нужно будет просто заменить головку датчика».

Привлекательная идея. Проблема в том, что я не могу сообразить, как она будет работать – и не смог убедить Колларте пояснить мне её в деталях.

Baraja описывает свой лидар как «лидар спектроскопического сканирования», что означает, что лучи лазеров управляются изменением частоты света, проходящего через призму. Просто представить, как можно управлять таким лучом в одном измерении, но сложно понять, как достичь двумерного управления».

Когда я спросил об этом Колларте, он сказал: «Для второго измерения мы используем тот же концепт спектрального сканирования. И у нас ещё есть вспомогательная механическая система».

Он добавил, что эта система не включает в себя ни зеркала, ни вращающиеся лазеры. Он сказал, что она «использует такую же призматическую оптику – этот момент мы всё ещё держим в секрете».

Также Baraja остаётся единственной компанией из тех, с кем мы общались, использующей непрерывное излучение с амплитудной модуляцией для измерения расстояний. Колларте рассказал нам, что одним из преимуществ такого подхода является то, что «для отдельных импульсов не требуется больших энергий». Некоторые оптические компоненты могут повредиться из-за скачков энергии, и их отсутствие даёт инженерам гибкость в использовании более широкого спектра вариантов — что потенциально позволит создать менее дорогую и более надёжную технологию.

Колларте говорит, что Baraja (как и Blackmore) старается «перенести компоненты и технологии из оптических телекоммуникаций», где большая экономия на масштабе позволяет удерживать стоимость продукта на низком уровне. Baraja, судя по всему, находится на ранних этапах коммерциализации, но Колларте говорит, что при производстве сотен тысяч устройств компания рассчитывает снизить их стоимость до «нескольких сотен» долларов.

Quanergy

Управление лучом: Активная фазированная антенная решетка.

Измерение расстояний: время в пути.

Длина волны: 905 нм

«У Quanergy, судя по всему, с трудом получается заставить датчики работать на нужных дистанциях», — сказал в интервью Сэм Абулсамид, аналитик из компании Navigant.

Quanergy – одна из немногих компаний, делающих лидары по технологии активной фазированной антенной решетки. Как было указано в пояснении к концепции 2017 года:

Фазированная решётка – это ряд передатчиков, способных менять направление электромагнитного луча, подстраивая относительную фазу сигнала от одного передатчика к другому.

Если все передатчики синхронно излучают электромагнитные волны, луч отправится прямо, т.е., перпендикулярно массиву. Чтобы отклонить луч влево, передатчики сдвигают фазу сигнала отправляемого каждой антенной, и сигнал от передатчиков слева оказывается позади сигнала передатчиков справа. Для отклонения луча вправо решётка совершает противоположное действие, сдвигая фазу самых левых элементов вперёд по отношению к правым.

Такая технология десятилетиями использовалась в радарах, где передатчиками служат антенны радаров. Оптические фазированные решётки применяют тот же принцип к свету, упаковывая массив лазеров на достаточно небольшом чипе.

Если бы Quanergy удалось заставить эту технологию хорошо работать, у неё была бы масса преимуществ. При отсутствии движущихся частей твердотельное устройство могло бы быть дешёвым, надёжным и универсальным. Лидар от Quanergy, как и прибор от AEye, настраивается программно и динамически переключается между разрешением и скоростью обновления.

Но у Quanergy нет особенных успехов на рынке. В ноябрьском интервью директор Луэй Эльдада сказал, что «мы проходим нужные этапы, мы идём по графику». Но есть причины сомневаться в этом. К примеру, Ангус Пакала был сооснователем Quanergy до того, как уйти и основать компанию Ouster в 2015-м.

Абульсамид указывает на недавний интерес Quanergy к использованию лидаров в промышленной безопасности – в этой области применения не требуются такие расстояния, как у робомобилей. Эльдада сказал мне, что теперь у Quanergy появился более типичный лидар с механическим наведением, предназначенный для рынка безопасности.

Cepton

Управление лучом: проприетарная технология микродвижений.

Измерение расстояний: время в пути.

Длина волны: 905 нм

Полностью автоматические робомобили – наиболее требовательная область применения лидаров, и пока что я в основном описывал продукты, нацеленные на этот рынок. Но Cepton – пример уважаемого производителя лидаров, в основном нацеленного на использование их технологии в передовых вспомогательных системах для водителей (ADAS). Сегодняшние системы ADAS используют радары и камеры для контроля полосы и динамического круиз-контроля. Но все ждут от автопроизводителей появления лидаров на машинах будущего, которые смогут обеспечить более сложные ADAS-системы.

Проблема в том, что, как мы увидели, лучшие лидары стоят десятки тысяч долларов, и эта ситуация может не поменяться даже при их производстве в промышленных масштабах. Поэтому такие компании, как Cepton, нацеливаются на производство лидаров средней дальности, достаточно доступных для их включения в автомобили, которые будут выпускать уже через несколько лет.

И когда я спросил директора Cepton Джун Пей о лидаре дальнего действия, требуемого для робомобилей, он открестился от этого рынка, сказав, что не думает, что клиенты начнут запрашивать подобные устройства в больших количествах «в обозримом будущем».

Вместо этого Cepton сконцентрировалась на рынке ADAS, где уже начинают заключать сделки на крупные объёмы поставок. Cepton утверждает, что её конкурентным преимуществом является цена.

Пей сказал мне, что технология микродвижения, управляющая лучом, уникальна для этой индустрии. Традиционные МЭМС используют для перенаправления света крохотное механически перемещающееся зеркальце. Но Пей говорит, что Cepton использует «очень проприетарный оптический дизайн, устраняющий зеркальце, но всё равно способный получать картинку высокого разрешения». Он также описал его, как «небольшую вибрационную систему, работающую по принципу динамика» – но отказался раскрывать подробности.

Innoviz

Управление лучом: механическое сканирование.

Измерение расстояний: время в пути.

Длина волны: 905 нм

Innoviz, как и Cepton, в основном концентрируется на сделках большого объёма с автопроизводителями. Она торгует доступными лидарами средней дальности, подходящими для использования в ADAS. И весьма успешно.

В прошлом апреле BMW объявила о планах установить лидар от Innoviz в свои автомобили в 2021 модельном году. Также в этом партнёрстве участвует Magna, известный поставщик, который поможет с логистикой, необходимой для установки готовой запчасти в тысячи автомобилей.

Автопроизводители экспериментируют со многими технологиями лидаров, поэтому многие их изготовители могут похвастать заключением сделок с OEM-производителями. Но сделка BMW выделяет Innoviz на фоне остальных конкурентов – BMW, судя по всему, серьёзно настроена на установку их лидаров в автомобили для продажи, а не просто покупает эти устройства для испытаний на прототипах.

В производстве автомобилей сроки освоения новой продукции весьма велики, поэтому Innoviz будет чем заняться в ближайшие несколько лет, и, конечно, одна заключённая сделка позволит Innoviz заключать новые сделки в будущем. Он полон оптимизма касательно этой сделки».

Сделка с BMW, судя по всему, будет использоваться для реализации ADAS, но у Innoviz есть амбиции и в области робомобилей. В последней своей модели InnovizOne компания хвастается дальностью до 200 метров с объектами с 50% отражающей способностью и полем зрения в 120 градусов.

Источник

Для чего нужен сканер LIDAR (Лидар) в iPhone 12 и iPad Pro и что это такое?

Если появление дополнительной камеры в iPhone или iPad явно заметно, то оснащение новых устройств Apple датчиком LIDAR многими игнорируется. Что это за технология такая и насколько нужна она широкому кругу пользователей?

Что такое LiDAR?

Само слово LiDAR (Light Detection and Ranging) дословно расшифровывается, как «обнаружение и определение дальности с помощью света». Эта технология активно используется в геодезии, картографии, где излучателем света является лазер.

В системах же ближнего радиуса действия его успешно заменяют светодиоды. Принцип действия LiDAR довольно прост – излучатель испускает световые волны, а приемник получает возращенный от тела отраженный сигнал, при этом учитывается воздействие рассеивающей среды. На основании времени отклика можно определить расстояние до объекта.

Так видит LiDAR окружающий мир:

Появившийся в марте 2020 года iPad Pro (обзор) и осенью – iPhone 12 Pro и iPhone 12 Pro Max как раз и получили датчик LiDAR на блоке тыловых камер.

LiDAR в iPhone 12 Pro и iPhone 12 Pro Max

LiDAR на iPad Pro

Для чего LiDAR в iPhone 12 Pro и iPad Pro?

LiDAR на iPhone может быть востребован уже сегодня и выполнять практические задачи. Можно говорить о применении технологии в съемке максимально естественных портретов с натуральным эффектом боке. LiDAR помогает волосам, ушам и другим частям тела человека или животных оставаться в фокусе. В будущем возможности этой технологии могут быть расширены и на портретные видео. Но это произойдет в следующих релизах операционной системы или даже с выходом новых моделей iPhone.

Видится возможным использовать LiDAR для сверхточного измерения физических расстояний. В практической жизни любой владелец актуального iPhone или iPad с такой технологией сможет без проблем точно измерить габариты своей квартиры: длину и высоту стен, кривизну пола. Но дело тут не в удовлетворении любопытства, такая информация может оказаться полезной при проведении строительных работ. Обычно там требуются дальномеры и нивелиры, но смартфон с лидаром может их подменить. Есть уже и приложения, которые с помощью лидара сканируют контуры рабочего пространства и затем создают модель производственного помещения, помещая туда трехмерные объекты.

А с учетом факта отличной работы сенсора LiDAR не только в светлое время суток, но и в темное, эта камера используется для улучшения Ночного режима съемки в iPhone 12 Pro и iPhone 12 Pro Max. Датчик отлично распознает объекты, что позволяет до 6 раз быстрее наводиться автофокусу. В результате резко уменьшится число ночных фотографий, в которых фокус оказался сбитым.

Есть и еще одна сфера применения технологии LiDAR. По утверждению компании, этот элемент был недостающим для реализации революционных приложений дополненной реальности. Датчик LIDAR от Apple способен измерять дистанцию до объектов на расстоянии до 5 метров, работая как в помещении, так и на улице. Операционная система объединяет эту информацию с данными камер, датчиков движения и обрабатывает с помощью алгоритмов компьютерного зрения. Это помогает iPhone и iPad Pro быстрее и лучше размещать на проанализированной сцене объекты дополненной реальности. Можно не сомневаться, что благодаря LIDAR уровень AR вырастет, даруя новые ощущения от возможностей техники Apple.

Надо сказать, что компания давно уже пытается освоить поле дополненной реальности, работая над соответствующим программным и аппаратным обеспечением еще с 2017 года. Тогда была представлена платформа ARKit для разработки под iOS подобных приложений. С тех пор каждое крупное обновление операционной системы появляется с демоверсией технологии AR, будь то Minecraft или Lego. И каждое улучшение камер или процессора неявно обещает и очередное улучшение технологии. Но пока еще не так много реальных возможностей ее применения.

Созданное на основе ARKit приложение автоматически и мгновенно получает информацию о размещении объектов в поле зрения камеры, улучшенный захват движения для вовлечения людей. Появление датчика LIDAR привело к обновлению ARKit и появлению нового Scene Geometry API, которое как раз и позволит использовать новый сканер для реализации невозможных ранее сценариев.

Вполне возможно, что датчик LIDAR даст новый импульс этой истории. И уже появляются приложения, использующие новую возможность устройств Apple. Так, в Apple Arcade появилась игра Hot Lava, которая превращает жилую комнату в игровую поверхность.

Устройство сканирует помещение и размещает в нем виртуальное поле из лавы и платформы для прыжков персонажа. Приложение Shapr3D дает возможность отсканировать комнату, а потом создает ее трехмерную модель для последующего редактирования. Похожий функционал и у IKEA Place, которая после анализа комнаты поможет подобрать для нее мебель.

Сканер LIDAR улучшит приложение Рулетка для вычисления габаритов материальных объектов. В нем появилась виртуальная рулетка для более детальных измерений.

Пока сфера дополненной реальности является удивительной, но вовсе не неотъемлемой частью нашей жизни. Компания Apple планомерно, шаг за шагом, делает все, чтобы это исправить. Можно только поприветствовать такое намерение разнообразить наше будущее. А сканер LIDAR – важный инструмент на пути реализации технологии.

Источник

Оптический датчик, лидар — характеристики, принцип работы

Рассмотрим принцип работы оптического датчика, его устройство и основное предназначение. В конце статьи видео-обзор принципа работы лидара (оптического датчика). Рассмотрим принцип работы оптического датчика, его устройство и основное предназначение. В конце статьи видео-обзор принципа работы лидара (оптического датчика).

Оптический датчик или другими словами лидар (Light Detection and Ranging) – специальный фотоэлектрический датчик для измерения дистанции и обнаружения объектов. Основой работы такого датчика являются электромагнитные волны (инфракрасные), благодаря которым он определяет расстояние до объекта.

Что такое оптический датчик

Представить современный автомобиль без пассивной или активной системы безопасности практически невозможно, да и многие страны попросту могут отказаться от подобных машин. Почти каждая система безопасности использует определенные датчики для снятия и сбора определенной информации. Основой для таких систем стал оптический датчик или по-другому — лидар. В зависимости от требований к датчику и его предназначения, внешний вид и устройство внутри могут отличаться, но принцип работы остается без изменений.

Основной задачей считается замер расстояния (дистанции к объекту), хотя в некоторых случаях он так же может замерять и скорость объекта находящегося впереди. В некоторых случаях по функционалу лидар выступает как альтернатива автомобильному радару, за счет чего в характеристиках машины может быть отмечен как лазерный радар для разных активных систем безопасности. По радиусу действия, расстояние достигает 250 метров, а угол разрешения достигает 180 градусов. Таким образом, использовать лидар можно как в пассивных, так и активных системах безопасности, а малые габариты позволяют установить в самых нестандартных местах автомобиля.

Как устроен лидар автомобиля

Устройство лидара (оптического датчика) своеобразно, и по сути напоминает электронную схему, собранную в одном элементе. Среди основных деталей лидара специалисты выделяют:

Каждый из перечисленных элементов выполняет весьма важную роль в механизме лидара. Рассмотрим более подробно, за что отвечает каждая деталь. Основную роль и все начало работы берется с диода, который передает инфракрасное излучение (луч). Интенсивность инфракрасного луча, в случае необходимости изменяется за счет модулятора. В свою очередь в зависимости от типа модуляции, выделяют два типа лидаров: импульсного и непрерывного действия. Все же специалисты говорят, что лидар непрерывного типа отживает свое, тем самым уступая более прогрессивному импульсному оптическому датчику. Чтоб повысить эффективность оптического датчика на основе импульсного метода работы, инженеры одновременно начали использовать несколько импульсов для передачи, тем самым сделав технологию многоимпульсной.

Не менее важным считается оптический элемент, через который проходят импульсы. Миновав оптический элемент, световой импульс поступает на фотодиод, благодаря которому он преобразуется в электрический сигнал для распознавания другими элементами. Следующий в этой цепочке лидара стоит АЦП или аналого-цифровой преобразователь другими словами. Именно благодаря ему, электрический сигнал с фотодиода преобразуется в цифровой сигнал. Последний этап в работе оптического датчика – обработка полученного цифрового сигнала микропроцессором, именно он выдает блоку управления информацию, которую считал лидар.

Как уже говорили, внешний вид оптического датчика может отличаться, как по производителям, так и по моделям одной марки автомобиля. Но основная задача и принцип работы механизма отличаться не будет.

Принцип работы оптического датчика

Разобравшись, какие основные элементы входят и выполняют работы оптического датчика, неплохо рассмотреть его принцип работы и тем самым понять, где основные плюсы и минусы, а так же что может навредить работе механизма.

Несмотря на внешние отличия и структуру строения, принцип работы лидара одинаковый на любом автомобиле и системе безопасности. В момент срабатывания, инфракрасный свет направляется на цель, отраженный свет от цели частично рассеивается (теряется), а частично возвращается к излучателю, тем самым попадая в фотодиод.

Как правило, ток на фотодиоде пропорциональный инфракрасному свету, который воздействует от отраженного объекта. Фотодиод, после распознавания инфракрасного пучка импульсов производит электрический сигнал, передавая его в аналого-цифровой преобразователь. Суть такого элемента, точней целого интегрального набора деталей, создать такой сигнал, который мог бы распознать микропроцессор.

По внешнему виду это небольшая микросхема, так же как и микропроцессор, но без АЦП управляющие блоки не смогут работать. Следующие два шага – передача цифрового сигнала в микропроцессор и в дальнейшем отправка его в основной электронный блок управления. Именно в ЭБУ анализируется полученная информация, распознаются образы объектов впереди автомобиля, а так же другие непредсказуемые ситуации, в которых используется оптический датчик.

Где применяется лидар

Использование оптических датчиков в автомобилях может быть самым разным и вовсе не предсказуемым. Самые разные системы активной и пассивной безопасности используют данные элементы для получения той или иной информации. Например, система мониторинг расстояния к объектам впереди или сзади автомобиля. Так же данный элемент могут использовать для снятия скорости или момента вращения деталей.Если говорить более понятным языком, то это может быть система распознавания и определения пешеходов, адаптивный круиз-контроль, система мониторинга объектов и прочие. Благодаря вертикальному и горизонтальному расширению оптического датчика, элемент может считывать больше информации, а перемещение передатчика инфракрасного излучателя и поворотного зеркала, в разы увеличивает возможности механизма. Можно твердо говорить, что такой механизм вполне отрабатывает поставленную логику и в нужный момент передать информацию в блок управления.

Преимущества и недостатки оптического датчика

Как и в любом механизме, оптический датчик автомобиля имеет свои преимущества и недостатки. Основной плюс это скорость срабатывание, точность обработки полученной информации, а так же огромный спектр возможностей для использования в разных системах безопасности.

Помимо положительных моментов, есть и отрицательные (недостатки) от которых никак нельзя избавиться, даже в наши дни. Как показывает практика использования, оптический датчик очень чувствительный к погодным условиям и рельефному покрытию. Эффективность работы лидара уменьшается с ухудшением погодных условий, в частности на дождь, снег, туман и прочие погодные явления.

Механизм попросту не может получить отображение инфракрасного луча, а так же искажается за счет погодных явлений. Загрязнение датчика так же негативно сказывается на работе системы. Механизм попросту выдает неправдивую информацию или не срабатывает на заявленную производителем дальность.

Стоимость оптического датчика для автомобиля

В современных электромобилях оптические датчики расставлены по всему периметру. Таким образом, производители добавляют и дорабатывают системы безопасности и комфорта. Как пример, лидар для адаптивного круиз-контроля компании Nissan обойдется от $160, для современной системы ночного видения от Mercedes-Benz или Toyota по цене $235 за один такой оптический элемент.

На первый взгляд оптический датчик неприметный и кажется, что от него мало толку, но разобравшись в деталях и его возможностях понимаешь – это сердце большинства систем безопасности и комфорта, которые мониторят ситуацию вокруг автомобиля в режиме реального времени.

Видео-обзор принцип работы лидара:

Источник

Лидары будущего: 11 000 лазеров вместо 128

Принцип работы лидарных датчиков заключается в отражении света лазеров от окружающих объектов и создании трехмерного облака точек. Первый современный трехмерный лидар был создан для конкурса DARPA Grand Challenge 2005 года, основного конкурса среди беспилотных автомобилей. В наши дни многие эксперты продолжают рассматривать лидары в качестве ключевой технологии для беспилотных машин.

Сейчас десятки стартапов пытаются создать более дешевые лидары. Многие из них пытаются снизить цену, используя один лазерный луч, который сканируется в двухкоординатной модели.

Для ясности отметим, что новый лидар от Ibeo еще не выпущен, а потому мы не знаем насколько хорошо он будет работать, а показатели лидаров от Sense далеки от производительности лучших лидаров от Velodyne. Дальность лидаров от Sense – от 15 до 40 метров, в то время как некоторые модели Velodyne работают на расстоянии 200 метров.

Тем не менее, генеральный директор Sense Скотт Берроуз говорит, что их компания только начинает свою работу. Sense работает над новым датчиком c дальностью работы в 200 метров, который должен выйти в следующем году. Планируется, что эта модель сможет соревноваться с лидерами рынка. В свою очередь, Ibeo имеет глубокие связи с автомобильной промышленностью, что позволяет компании заключать крупные сделки с автопроизводителями-партнерами.

Микротрансферная печать

И Sense, и Ibeo используют недорогой тип лазеров – лазеры с вертикальным излучением (VCSEL). Эти лазеры могут производиться с использованием привычных полупроводниковых технологий, что позволяет разместить тысячи или даже миллионы устройств на одной пластине. Ранее мы рассказывали о другом стартапе под названием Ouster, их лидар основан на VCSEL.

В лидаре от Sense намного больше лазеров, чем в лидаре от Ouster. Чтобы добиться этого, Sense используют технологию, которая называется микротрансферная печать.

Разместить несколько тысяч VCSEL на одном чипе нетрудно. Но при изготовлении чипа, на котором плотно расположены 11 000 лазеров, у вас могут возникнуть проблемы. Лазеры в таком количестве на малой площади могут выделять большой объем тепла. Также у вас могут возникнуть проблемы с безопасностью для глаз. Лазеры с вертикальным излучением работают на частоте, которая может повредить сетчатку, а 11 000 лазеров, направленных на человеческий глаз, могут привести к необратимым травмам.

У Sense есть разумное решение этой проблемы: распределение лазеров. После установки тысяч лазеров с вертикальным излучением на пластину из арсенида галлия, Sense переносит их на новую теплопроводящую керамическую подложку, разрежая плотность установки лазеров.

В этот момент в дело вступает микротрансферная печать. В этой технологии используется резиновый штамп, на дне которого расположена сетка с резиновыми выступами. Когда один из выступов касается лазера с вертикальными излучением, он может приподнять его с помощью силы статического электричества.

Выступы расположены так, что один из каждых n чипов (отсчитывая и по горизонтали, и по вертикали) приподнимается с исходной пластины и помещается на новую подложку. Далее, штамп собирает набор чипов из идущих далее слотов для следующего лидара. Таким образом, одна кремниевая пластина может образовывать сборки на 11 000 лазеров для множества лидаров.

Sense стремится увеличить радиус действия своих лидаров

Вместо того чтобы сканировать сцену последовательно (так, как это делают большинство лидаров), лидары от Sense используют свои 11 000 лазеров чтобы осветить всю сцену за одну вспышку, после чего датчик измеряет время, за которое обратная вспышка отражается со всех направлений.

Вспышечные лидары вроде этого, как правило, имеют малую дальность действия, поскольку освещение всей сцены приводит к тому, что свет теряется в промежутках между пикселями. По сути, Sense решают эту проблему методом грубой силы, используя большое количество света для освещения сцены. Распределение лазеров помогает справляться с выделяемым теплом и вредом для человеческих глаз – проблемами, которые могли бы возникать при подобном подходе.

Тем не менее, генеральный директор Ouster Ангус Паскала отмечает, что подход Sense имеет существенный недостаток: высокое энергопотребление. “Чем больше электроэнергии, тем больше датчики” – комментарий Ангуса для Ars. “Чем больше датчики, тем выше цена и больше сложность интеграции”.

Несмотря на то, что нынешние продукты Sense потребляют больше электроэнергии, чем лидары от ведущих компаний, они имеют меньшую дальность действия. Также лидары от Ouster и Velodyne вращаются на 360 градусов, в то время как вам понадобится несколько лидаров от Sense для того, чтобы получить аналогичное покрытие.

Берроуз планирует выпустить лидар с дальностью действия в 200 метров в 2021 году. У этого лидара будет более 11 000 лазеров, хотя точное количество еще неизвестно. Основной задачей будет достижение большей дальности действия без столь же значительного увеличения энергопотребления.

Однофотонные лавинные диоды входят в моду

Один из вариантов решения этой задачи – использование массива однофотонных лавинных диодов (SPAD) для определения отраженных лазерных лучей в лидарных датчиках нового поколения. Это еще одно сходство с лидарами от Ouster, в которых используются SPAD. В интервью Ars Technica в 2018 году Пакала сказал, что его долгосрочная стратегия заключается в использовании двумерных массивов лазеров с вертикальным излучением и датчиков на однофотонных лавинных диодах, что позволит создать лидары, которые работают как камеры – продукт, который Sense планирует представить в следующем году.

Как следует из названия, датчики на однофотонных лавинных диодах достаточно чувствительны, чтобы засечь один фотон. Как и лазеры с вертикальным излучением, они могут быть изготовлены с использованием привычных технологий работы с кремнием, что позволяет им быть дешевыми в терминах масштабирования. Большая чувствительность этих датчиков может помочь Sense достичь большей дальности действия для имеющегося количества лазерного света.

Интересно, что Ibeo также планируют использовать однофотонные лавинные диоды в своих лидарах следующего поколения.

Ibeo – это не стартап. Некоторые из их лидаров участвовали в DARPA Grand Challenge 2005 года, хотя участие компании упущено из виду, потому что их лидары имели всего 4 линии сканирования, в то время как у лидаров Velodyne было 64. Ibeo совершили крупный переворот несколько лет назад, когда они получили контракт на поставку лидаров для Audi – первый случай, когда лидары были установлены в серийных автомобилях. Также миноритарным акционером Ibeo является ZF Friedrichshafen, что помогает им заключать еще больше контрактов на поставки датчиков для автомобилей.

В своем интервью, данном в четверг, операционный директор Ibeo Марио Брамм рассказал Ars, что лидар следующего поколения от Ibeo должен выйти в конце этого года и будет иметь массивы лазеров вертикального излучения и однофотонных лавинных диодов размерности 128 на 80. Ibeo стремятся к модульному дизайну, который позволит компании использовать различную оптику для создания диапазона моделей с разными возможностями – от лидаров дальнего действия с малым углом обзора, до широкоугольных лидаров с более коротким радиусом действия. Ibeo хотят сделать эти лидары достаточно дешевыми, чтобы их можно было продавать автомобильным концернам для массового производства, начиная с конца 2022 или начала 2023 года.

Очевидный вопрос заключается в том, как Ibeo будут решать проблемы с температурой и безопасностью для глаз, которые Sense решает с помощью микротрансферной печати. Одно из решений – использование высокочувствительных однофотонных лавинных диодов, благодаря чему Ibeo смогут уменьшить выходную мощность своих лазеров достаточно для того, чтобы избежать проблем с питанием и опасностью для человеческих глаз. Другим вариантом решения является использование непосредственного соединения между каждым лазером и датчиком, что приведет к уменьшению количества “потерянных” фотонов. Во время нашего разговора Брамм сказал, что низкая мощность является приоритетом для клиентов, представляющих автомобильный рынок.

С другой стороны, может оказаться, что этот подход трудно реализовать без технологии микротрансферной печати, которой пользуются Sense, в то время как Ibeo и Ouster будут пытаться создать твердотельные лидары без нее.

Поправка: сначала я заявил, что лазеры с вертикальным излучением, которыми пользуются Sense сделаны из кремния – на самом деле они основаны на арсениде галлия.

Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.

Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.

У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.

Источник

Лидары в беспилотных автомобилях

Разбираемся, что это такое и можно ли без них обойтись.

Лидар — это метод определения расстояний с помощью света. Слово «лидар» образовано от акронима «LiDAR», два самых популярных варианта расшифровки: Light Detection and Ranging и Laser Induced Direction and Range System.

Строго говоря, использование именно лазера в лидаре необязательно, источником света могут выступать даже светодиоды. Но в 95% случаев, когда говорят о лидарах, подразумевают именно устройство с лазерным лучом.

Первые попытки измерить расстояние световыми лучами были сделаны еще в 1930-х годах с помощью прожекторов, которые использовались для изучения структуры атмосферы. В 1938 году световые импульсы использовались для определения высоты облаков.

В 1960 году изобрели лазер, а всего через несколько лет лазерные дальномеры стали использоваться в американских танках. В 1969 году лазерный дальномер применили для измерения расстояния от Земли до Луны, использовав специальную мишень на «Аполлоне-11».

Сейчас лидары используются в разных областях: от археологии до биологии, но активнее всего в картографии, метеорологии и авиации.

Источник

Лидар

Лида́р (транслитерация LIDAR англ. LIght Detection and Ranging ) — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.

Лидар как прибор представляет собой, как минимум, 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.

Устоявшийся перевод LIDAR как «лазерный радар» не вполне корректен, так как в системах ближнего радиуса действия (например, предназначенных для работы в помещениях), главные свойства лазера: когерентность, высокая плотность и мгновенная мощность излучения — не востребованы, излучателями света в таких системах могут служить обычные светодиоды. Однако, в основных сферах применения технологии (исследование атмосферы, геодезия и картография) с радиусами действия от сотен метров до сотен километров, применение лазеров неизбежно.

Содержание

История

Аббревиатура LIDAR впервые появилась в работе Миддлтона и Спилхауса «Метеорологические инструменты» 1953 года, задолго до изобретения лазеров. [1] Первые лидары использовали в качестве источников света обычные или импульсные лампы со скоростными затворами, формировавшими короткий импульс. [2]

Тогда же, в первой половине 1960-х годов, начались опыты по применению лидара с лазерным излучателями для исследования атмосферы. [5]

В 1969 году лазерный дальномер и мишень, установленная на Аполлоне-11, применялся для измерения расстояния от Земли до Луны. Четыре мишени, доставленные на Луну тремя «Аполлонами» и «Луноходом-2», и по сей день используются для наблюдения за орбитой Луны. [6] [7]

В течение 1970-х годов, с одной стороны, отлаживалась технология лазерных дальномеров и компактных полупроводниковых лазеров, а с другой — были начаты исследования рассеяния лазерного луча в атмосфере. К началу 1980-х годов эти исследования стали настолько известными в академических кругах США, что аббревиатура LIDAR стала именем нарицательным — lidar, что зафиксировал словарь Уэбстера 1985 года. [2] В те же годы лазерные дальномеры достигли стадии зрелой технологии (по крайней мере, в военных приложениях) и выделились в отдельную от лидаров отрасль техники. [8]

Принцип действия

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.

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.

Устройство

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 длины волн (в нанометрах):

Также возможно использование (см. Промышленные и сервисные роботы) 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. Например, приёмный тракт новейшей (2006 год) подсистемы машинного зрения MuCAR-3 с динамическим диапазоном 1:10 6 обеспечивает эффективный радиус действия от 2 до 120 м (всего 1:60). 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.

Перспективы применения

Исследования атмосферы

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

Измерение скорости и направления воздушных потоков. Теоретическое обоснование применения наземного доплеровского лидара для таких измерений было дано ещё в 1980-е годы. [9] Первые практические разработки использовали неподвижные оптические системы с лучом, направленным вертикально в зенит; в 1990-е годы были предложены технологии, позволяющие доплеровским лидарам сканировать широкий угол обзора. [10] В 2001 Alcatel предложил размещение лидаров на борту спутников, так, что «созвездие» спутников на орбите способно отслеживать движение воздушных масс в рамках целого континента, а в потенциале — на Земле в целом. [11] Лидары активно используются для наблюдений за загрязнением атмосферы. Особый класс дифференциальных лидаров (differential absorption lidar, DIAL), излучающих одновременно свет с разной длиной волны, способен эффективно определять концентрацию отдельных газов, оптические показатели которых зависят от длины волны.

Измерение температуры атмосферы. Разработано и реализовано на практике несколько основных методов измерения профилей температуры.

Помимо научных целей и метеорологических наблюдений, активно испытываются комплексные системы мониторинга воздушных потоков в районах аэропортов. Среди практических предложений последних лет — системы автоматического управления ветрогенераторами, использующие лидары для определения силы и направления ветра. [20]

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. Технология с радиусом обнаружения дымов в 20 км была впервые заявлена в 1990, [21] активные поиски оптимальных конфигураций систем ведутся по сей день. [22]

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. Первый полноценный орбитальный лидар был выведен на орбиту NASA в декабре 1994 года в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment). [23] [24] Двухтонный лидар LITE с метровым зеркальным телескопом, поднятый на высоту 260 км, «рисовал» на земле размытое пятно диаметром 300 м, что было явно недостаточно для эффективного отображения рельефа, и был исключительно «атмосферным».

Особо ценным оказался опыт верификации данных космической съёмки с использованием синхронных данных более 60 наземных лидаров по всему миру. [25]

Первый европейский орбитальный лидар (проект ALADIN) планируется к запуску в 2008 году. [26]

Космическая геодезия. Современные космические проекты разделились на два направления — совершенствование «атмосферных» систем (см. вышеупомянутый проект Alcatel) и геодезические лидары, способные сканировать рельеф земной поверхности с приемлемой разрешающей способностью. Лидары могут применяться как на орбите Земли, так и на орбитах других планет, практический пример тому — бортовой лидар АМС Марс Глобал Сервейор.

Авиационная геодезия. Национальная океанографическая служба США (NOAA) систематически применяет авиационные лидары для топографической съёмки морского побережья. Сканирующий лидар NOAA имеет разрешение по вертикали 15 см и полосу сканирования (при штатной высоте полёта) 300 м. Привязка к абсолютной высоте производится «от уровня моря» (с поправкой на приливы), к географическим координатам — по сигналам GPS. [27] Географическая служба США (USGS) проводит аналогичные топографической съёмки в Антарктиде, данные съёмок USGS находятся в открытом доступе. [28] В 2007 году USGS начал программу по встраиванию данных лидарной съёмки в национальную базу топографических данных США. [29]

Особое направление, применяемое на практике в сейсмоопасных районах США — дифференциальное измерение высот с целью выявления локальных подвижек земных масс в районе разломов. Ещё в 1996 с помощью лидара была открыта неизвестная ранее зона разлома возле Сиэтла. [30]

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). Так же, как в своё время падала стоимость лазерных дальномеров и уровней, применяемых в строительстве, следует ожидать дальнейшего снижения цен на строительные и горные лидары, — падение цен ограничено лишь стоимостью прецизионной сканирующей оптики. Типичные отрасли применения:

Маркшейдерское дело — обмеры открытых горных выработок, построение трёхмерных моделей подземных горных пластов (в том числе в связке с сейсмографическими инструментами).

Строительство — обмеры зданий, контроль отклонения плоскостей стен и несущих колонн от вертикали (в том числе в динамике), анализ вибраций стен и остекления. Обмеры котлованов, создание трёхмерных моделей стройплощадок для оценки объёмов земляных работ.

Архитектура — построение трёхмерных моделей городской среды для оценки влияния предлагаемых новостроек на облик города.

Морские технологии

Измерение глубины моря. Для этой задачи используется дифференциальный лидар авиационного базирования. Красные волны почти полностью 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. [31]

Спасение людей на море. В 1999 ВМС США запатентовали конструкцию авиационного лидара, применимого для поиска людей и человеческих тел на поверхности моря; [32] 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). Запатентованы средства обнаружения мин в приповерхностных слоях воды с помощью бортовых авиационных лидаров, эффективность таких лидаров не известна.

В последующие годы Kaman развивало тему лидаров как в направлении повышения радиуса действия и надёжности распознавания образов, так и части новых областей применения. Например, в 1999 запатентовано использование лидаров для установления скоростной подводной связи с беспилотными подводными аппаратами (управляемыми торпедами) по оптическому каналу. [35] В 1992 были предложены индивидуальные лидары для водолазов и аквалангистов. [36] Вероятно, что существенный пласт военно-морских разработок остаётся неизвестным широкой публике.

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.

Системы активной безопасности.

С 2003 года правительство США через агентство передовых военных разработок DARPA финансирует разработку и соревнование автомобилей-роботов. Ежегодно проводятся гонки DARPA Grand Challenge; в гонке 2005 года победила машина из Стэнфорда, в основе системы зрения которой — пять лидаров направленного обзора.

Системы автоматической стыковки. Канадская компания Optech разрабатывает и производит системы для автоматической стыковки на орбите, основанные на лидарах. [38]

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. Лидар IBМ использует простой аналоговый фазовый дискриминатор непрерывного действия и имеет высокую угловую разрешающую способность, на практике ограниченную только быстродействием процессора, обрабатывающего трёхмерную «картинку» лидара, и системы автоматического регулирования уровня сигнала на выходе приёмника (быстрые АРУ вносят в принимаемый сигнал фазовые искажения, медленные — сужают динамический диапазон). В 1990—1994 подобные лидары испытывались в сервисных роботах Джозефа Энгельбергера, [39] однако от использования лидара в серийных изделиях тогда отказались в пользу дешёвых ультразвуковых датчиков.

Что же обозначает акроним LIDAR

Laser Induced Differential Absorption Radar (ACAE)

Laser Induced Direction and Range System (BAJR)

LASER Infrared RADAR (IEEE)

LASER Intensity Direction and Ranging (IEEE)

Light Detection and Range (SAUO)

Light Detection and Ranging

Light Detection and Ranging Instrument (SAUO)

Light Intensity Detection and Ranging (NOAA)

Источник

Лидары

Лидары

Л идар (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

Рис. 1. Принцип действия лидара

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

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

L = 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

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

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):

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.

Источник