ما هو الليدار وكيف يعمل

السيارات بدون سائق التي كانت واحدة من أكبر الخيال التكنولوجي في التسعينيات (التي غذتها أفلام سابقة مثل "The Love Bug" و "Demolition Man") ، أصبحت حقيقة اليوم ، بفضل التقدم الهائل الذي تم إحرازه حول العديد من التقنيات وخاصة LIDAR.

ما هو الليدار؟

LIDAR (اختصار لـ Light Detection and Ranging) هي تقنية تحديد المدى تقيس مسافة الجسم عن طريق إطلاق حزم من الضوء على الكائن واستخدام الوقت والطول الموجي لشعاع الضوء المنعكس لتقدير المسافة وفي بعض التطبيقات (الليزر Imaging) ، قم بإنشاء تمثيل ثلاثي الأبعاد للكائن.

بينما يمكن إرجاع فكرة الليزر إلى عمل EH Synge في عام 1930 ، لم يكن الأمر كذلك حتى أوائل الستينيات ، بعد اختراع الليزر. مزيجًا أساسيًا من التصوير المركّز على الليزر مع القدرة على حساب المسافات باستخدام تقنية وقت الطيران ، ووجدت تطبيقاته الأولى في علم الأرصاد الجوية ، حيث تم استخدامه لقياس السحب ، وفي الفضاء ، حيث تم استخدام مقياس الارتفاع بالليزر لرسم خرائط سطح القمر خلال مهمة أبولو 15. منذ ذلك الحين ، تحسنت التكنولوجيا واستخدمت في تطبيقات متنوعة بما في ذلك ؛ الكشف عن الأنشطة الزلزالية وعلم المحيطات وعلم الآثار والملاحة على سبيل المثال لا الحصر.

كيف يعمل LiDAR

تشبه هذه التقنية تمامًا تقنية RADAR (ملاحة الموجات الراديوية التي تستخدمها السفن والطائرات) و SONAR (اكتشاف الأجسام تحت الماء والملاحة باستخدام الصوت ، والتي تستخدم بشكل أساسي بواسطة الغواصات) والتي تستخدم كلاهما مبدأ انعكاس الموجات للكشف عن الأشياء والمسافة تقدير. ومع ذلك ، بينما يعتمد RADAR على موجات الراديو ويعتمد SONAR على الأصوات ، يعتمد LIDAR على أشعة الضوء (الليزر).

يستخدم LIDAR الضوء عبر أطوال موجية مختلفة بما في ذلك ؛ الأشعة فوق البنفسجية أو المرئية أو القريبة من الأشعة تحت الحمراء لأشياء الصورة ، وبالتالي فهي قادرة على اكتشاف جميع أنواع تركيبات المواد ، بما في ذلك ؛ غير المعادن والصخور والمطر والمركبات الكيميائية والهباء الجوي والسحب وحتى الجزيئات المفردة. يمكن أن تطلق أنظمة LIDAR ما يصل إلى 1000000 نبضة ضوئية في الثانية وتستخدم الوقت المستغرق لعكس النبضات مرة أخرى إلى الماسح الضوئي لتحديد المسافة التي توجد بها الكائنات والأسطح حول الماسح الضوئي. تُعرف التقنية المستخدمة لتحديد المسافة بوقت الرحلة وترد معادلتها أدناه.

المسافة = (سرعة الضوء × وقت الرحلة) / 2

في معظم التطبيقات ، بخلاف القياس عن بعد ، يتم إنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد للبيئة / الكائن الذي تم إطلاق شعاع الضوء عليه. يتم ذلك عن طريق إطلاق شعاع الليزر المستمر على الكائن أو البيئة.

من المهم ملاحظة أنه ، على عكس انعكاس النوع المرآوي الذي يمكن الحصول عليه في المرايا المستوية ، فإن الانعكاس الذي يتم اختباره في أنظمة LIDAR هو انعكاس متناثر حيث تنتشر موجات الضوء مرة أخرى من خلال الاتجاه الذي جاءت منه. اعتمادًا على التطبيق ، تستخدم أنظمة LIDAR أشكالًا مختلفة من التشتت الخلفي بما في ذلك تشتت رايلي ورامان ،

مكونات نظام LIDAR

يتكون نظام LIDAR عادةً من 5 عناصر من المتوقع أن تكون موجودة بغض النظر عن الاختلافات الناتجة عن التطبيق. تشمل هذه المكونات الرئيسية:

الليزر
نظام الماسحات الضوئية والبصريات
المعالج
إلكترونيات دقيقة للتوقيت
وحدة القياس بالقصور الذاتي و GPS

1. الليزر

يعمل الليزر كمصدر للطاقة لنبضات الضوء. يختلف الطول الموجي لليزر المنتشر في أنظمة LIDAR من تطبيق إلى آخر بسبب المتطلبات المحددة لتطبيقات معينة. على سبيل المثال ، تستخدم أنظمة Airborne LiDAR ليزرات YAG المضغوطة بالديود 1064 نانومتر بينما تستخدم أنظمة قياس الأعماق ليزرات YAG المضغوطة ذات الصمام الثنائي المزدوج 532 نانومتر والتي تخترق الماء (حتى 40 مترًا) مع توهين أقل بكثير من الإصدار 1064 نانومتر المحمول جواً. ومع ذلك ، وبغض النظر عن التطبيقات ، فإن أشعة الليزر المستخدمة عادة ما تكون منخفضة الطاقة لضمان السلامة.

2. الماسح الضوئي والبصريات

الماسحات الضوئية جزء مهم من أي نظام LIDAR. إنهم مسؤولون عن إسقاط نبضات الليزر على الأسطح واستقبال النبضات المنعكسة من السطح. تعتمد السرعة التي يتم بها تطوير الصور بواسطة نظام LIDAR على السرعة التي تلتقط بها الماسحات الضوئية الحزم المتناثرة. بغض النظر عن التطبيق ، يجب أن تكون البصريات المستخدمة في نظام LIDAR عالية الدقة والجودة للحصول على أفضل النتائج خاصة لرسم الخرائط. يعد نوع العدسات ، واختيار الزجاج المحدد ، جنبًا إلى جنب مع الطلاءات البصرية المستخدمة من المحددات الرئيسية لدقة وقدرات نطاق LIDAR.

اعتمادًا على التطبيق ، يمكن نشر مجموعة متنوعة من طرق المسح للحصول على درجات دقة مختلفة. يعد مسح السمت والارتفاع والمسح ثنائي المحور من أكثر طرق المسح شيوعًا.

3. المعالجات

عادة ما يكون المعالج عالي السعة في قلب أي نظام LIDAR. يتم استخدامه لمزامنة وتنسيق أنشطة جميع المكونات الفردية لنظام LIDAR لضمان عمل جميع المكونات عندما ينبغي. يقوم المعالج بدمج البيانات من الماسح ، والمؤقت (إذا لم يكن مدمجًا في نظام المعالجة الفرعي) ، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ووحدة IMU لإنتاج بيانات نقطة LIDAR. ثم يتم استخدام بيانات نقطة الارتفاع هذه لإنشاء خرائط اعتمادًا على التطبيق. في السيارات بدون سائق ، تُستخدم بيانات النقاط لتوفير خريطة بيئية في الوقت الفعلي لمساعدة السيارات في تجنب العوائق والتنقل العام.

مع الضوء الذي ينتقل بسرعة حوالي 0.3 متر لكل نانوثانية وآلاف الحزم تنعكس عادةً على الماسح الضوئي ، عادة ما يكون المعالج عالي السرعة مع قدرات معالجة عالية. وبالتالي ، كان التقدم في قوة معالجة عناصر الحوسبة أحد المحركات الرئيسية لتقنية LIDAR.

4. إلكترونيات توقيت

يعد التوقيت الدقيق أمرًا جوهريًا في أنظمة LIDAR حيث يتم إنشاء العملية بأكملها في الوقت المحدد. تمثل إلكترونيات التوقيت النظام الفرعي LIDAR الذي يسجل الوقت الدقيق الذي تغادر فيه نبضة الليزر والوقت المحدد لعودتها إلى الماسح الضوئي.

لا يمكن المبالغة في الدقة والدقة. بسبب الانعكاس المتناثر ، عادةً ما يكون للنبضات المرسلة عوائد متعددة ، كل منها يحتاج إلى توقيت دقيق لضمان دقة البيانات.

5. وحدة القياس بالقصور الذاتي و GPS

عندما يتم تركيب مستشعر LiDAR على منصة متنقلة مثل الأقمار الصناعية أو الطائرات أو السيارات ، فمن الضروري تحديد الموضع المطلق واتجاه المستشعر للاحتفاظ بالبيانات القابلة للاستخدام. يتم تحقيق ذلك عن طريق استخدام نظام القياس بالقصور الذاتي (IMU) ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS). تتكون وحدة IMU عادةً من مقياس تسارع وجيروسكوب ومقياس مغناطيسي لقياس السرعة والاتجاه وقوى الجاذبية ، والتي تُستخدم معًا لتحديد الاتجاه الزاوي (الانحدار واللف والانعراج) للماسح الضوئي بالنسبة إلى الأرض. من ناحية أخرى ، يوفر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) معلومات جغرافية دقيقة فيما يتعلق بموضع المستشعر ، مما يسمح بالإسناد الجغرافي المباشر لنقاط الكائن.يوفر هذان المكونان طريقة لترجمة بيانات المستشعر إلى نقاط ثابتة لاستخدامها في مجموعة متنوعة من الأنظمة.

تعد المعلومات الإضافية التي تم الحصول عليها باستخدام GPS و IMU ضرورية لسلامة البيانات المكتسبة ، وتساعد على ضمان تقدير المسافة إلى الأسطح بشكل صحيح ، لا سيما في تطبيقات LIDAR المحمولة مثل المركبات المستقلة وأنظمة تخيل الطائرات.

أنواع الليدار

بينما يمكن تصنيف أنظمة LIDAR إلى أنواع بناءً على عدد كبير من العوامل ، هناك ثلاثة أنواع عامة من أنظمة LIDAR وهي ؛

مكتشف المدى LIDAR
الامتصاص التفاضلي LIDAR
دوبلر ليدار

1. جهاز البحث عن المدى LIDAR

هذه هي أبسط أنواع أنظمة LIDAR. يتم استخدامها لتحديد المسافة من الماسح الضوئي LIDAR إلى كائن أو سطح. باستخدام مبدأ وقت الرحلة الموضح في قسم "كيف تعمل" ، يتم استخدام الوقت الذي تستغرقه حزمة الانعكاس لتصل إلى الماسح الضوئي لتحديد المسافة بين نظام LIDAR والجسم.

2. الامتصاص التفاضلي LIDAR

عادة ما تستخدم أنظمة LIDAR الامتصاص التفاضلي (يشار إليها أحيانًا باسم DIAL) في التحقق من وجود جزيئات أو مواد معينة. تطلق أنظمة DIAL عادةً أشعة ليزر ذات طولين موجيين يتم اختيارهما بطريقة يتم فيها امتصاص أحد الأطوال الموجية بواسطة الجزيء المعني بينما لن يتم امتصاص الطول الموجي الآخر. يؤدي امتصاص إحدى الحزم إلى اختلاف (الامتصاص التفاضلي) في شدة حزم العودة التي يستقبلها الماسح الضوئي. ثم يتم استخدام هذا الاختلاف لاستنتاج مستوى وجود الجزيء قيد التحقيق. تم استخدام DIAL لقياس التركيزات الكيميائية (مثل الأوزون وبخار الماء والملوثات) في الغلاف الجوي.

3. دوبلر ليدار

يستخدم دوبلر ليدار لقياس سرعة الهدف. عندما تضرب أشعة الضوء المنبعثة من LIDAR هدفًا يتحرك باتجاه أو بعيدًا عن LIDAR ، فإن الطول الموجي للضوء المنعكس / المنتشر عن الهدف سوف يتغير قليلاً. يُعرف هذا باسم تحول دوبلر - ونتيجة لذلك ، دوبلر ليدار. إذا كان الهدف يتحرك بعيدًا عن LiDAR ، فسيكون للضوء العائد طول موجي أطول (يشار إليه أحيانًا باسم التحول الأحمر) ، إذا كان يتحرك نحو LiDAR ، فسيكون ضوء العودة بطول موجي أقصر (أزرق مزاح).

تتضمن بعض التصنيفات الأخرى التي يتم تجميع أنظمة LIDAR عليها في أنواع ما يلي:

منصة
نوع التشتت العكسي

أنواع الليدار القائمة على المنصة

باستخدام النظام الأساسي كمعيار ، يمكن تجميع أنظمة LIDAR في أربعة أنواع بما في ذلك ؛

LIDAR الأرضي
ليدار المحمولة جوا
مركبة الفضاء ليدار
موشن ليدار

تختلف LIDARs في البناء والمواد والطول الموجي والتوقعات والعوامل الأخرى التي يتم اختيارها عادةً لتناسب ما يعمل في البيئة التي سيتم نشرها من أجلها.

أنواع الليدار على أساس نوع التشتت العكسي

أثناء وصفي لكيفية عمل أنظمة LIDAR ، ذكرت أن الانعكاس في LIDAR يتم عن طريق التشتت الخلفي. نوع مختلف من مخارج التشتت الخلفي ويستخدم أحيانًا لوصف نوع LIDAR. تشمل أنواع التشتت الخلفي ؛

مي
رايلي
رامان
ضوئي

تطبيقات ليدار

نظرًا لدقتها الشديدة ومرونتها ، فإن LIDAR لديها عدد كبير من التطبيقات ، على وجه الخصوص ، إنتاج خرائط عالية الدقة. بالإضافة إلى المسح ، تم استخدام LIDAR في الزراعة وعلم الآثار وفي الروبوتات حيث إنه حاليًا أحد العوامل التمكينية الرئيسية لسباق المركبات المستقلة ، كونه المستشعر الرئيسي المستخدم في معظم المركبات مع نظام LIDAR الذي يؤدي دورًا مشابهًا لدور عيون السيارات.

هناك مئات التطبيقات الأخرى لـ LiDAR وسوف نحاول ذكر أكبر عدد ممكن أدناه.

المركبات ذاتية القيادة
التصوير ثلاثي الأبعاد
مسح الأراضي
فحص خط الطاقة
إدارة السياحة والمتنزهات
التقييم البيئي لحماية الغابات
نمذجة الفيضانات
التصنيف البيئي والأراضي
نمذجة التلوث
التنقيب عن النفط والغاز
علم الارصاد الجوية
علم المحيطات
كل أنواع التطبيقات العسكرية
تخطيط شبكة الخلية
الفلك

قيود LiDAR

LIDAR مثل أي تقنية أخرى لها عيوبها. و تتأثر المدى ودقة أنظمة يدار بشكل سيئ أثناء سوء الأحوال الجوية. على سبيل المثال ، في ظروف الضباب ، يتم إنشاء قدر كبير من الإشارات الخاطئة بسبب الحزم التي ينعكسها الضباب. يؤدي هذا عادةً إلى تأثير التشتت البسيط وعلى هذا النحو ، لا يعود جزء كبير من الحزمة المطلقة إلى الماسح الضوئي. يحدث حدث مماثل مع المطر حيث تسبب جزيئات المطر عوائد زائفة.

إلى جانب الطقس ، يمكن خداع أنظمة LIDAR (إما عن عمد أو عن غير قصد) للاعتقاد بوجود كائن عن طريق وميض "أضواء" عليه. وفقًا لورقة نُشرت في عام 2015 ، فإن وميض مؤشر ليزر بسيط في نظام LIDAR المثبت على المركبات ذاتية القيادة يمكن أن يربك أنظمة الملاحة في السيارة ، مما يعطيها انطباعًا بوجود جسم لا يوجد فيه شيء. هذا الخلل ، خاصة في استخدام الليزر للسيارة بدون سائق ، يفتح الكثير من المخاوف الأمنية حيث لن يستغرق الأمر وقتًا طويلاً بالنسبة لسرقي السيارات لتحسين مبدأ الاستخدام في الهجمات. كما يمكن أن يؤدي إلى حوادث مع توقف السيارات فجأة في منتصف الطريق إذا شعروا بما يعتقدون أنه سيارة أخرى أو أحد المشاة.

مزايا وعيوب LiDAR

لاختتام هذه المقالة ، ربما ينبغي أن ننظر في الأسباب التي تجعل LIDAR مناسبًا لمشروعك والأسباب التي تجعلك على الأرجح يجب أن تتجنبه.

مزايا

1. سرعة عالية والحصول على بيانات دقيقة

2. عالية الاختراق

3. لا يتأثر بشدة الضوء في بيئته ويمكن استخدامه في الليل أو في الشمس.

4. التصوير عالي الدقة مقارنة بالطرق الأخرى.

5. لا تشوهات هندسية

6. يتكامل بسهولة مع طرق الحصول على البيانات الأخرى.

7. يعتمد LIDAR على الحد الأدنى من الاعتماد البشري وهو أمر جيد في بعض التطبيقات حيث يمكن أن يؤثر الخطأ البشري على موثوقية البيانات.

سلبيات

1. تكلفة LIDAR تجعلها مبالغة في بعض المشاريع. أفضل وصف لليدار أنه مكلف نسبيًا.

2. تعمل أنظمة LIDAR بشكل سيئ في حالة هطول الأمطار الغزيرة أو الضباب أو الثلج.

3. تولد أنظمة LIDAR مجموعات بيانات كبيرة تتطلب موارد حسابية عالية للمعالجة.

4. لا يمكن الاعتماد عليها في تطبيقات المياه المضطربة.

5. اعتمادًا على الطول الموجي المعتمد ، يكون أداء أنظمة LIDAR على ارتفاع محدود حيث تصبح النبضات التي يتم إطلاقها في نوع معين من LIDAR غير فعالة على ارتفاعات معينة.

ليدار للهواة والصناع

نظرًا لتكلفة LIDAR ، تُستخدم معظم أنظمة LIDAR في السوق (مثل Velodyne LIDARs) في التطبيقات الصناعية (لتجميع جميع التطبيقات "غير الهواة").

أقرب نظام LIDAR من "درجة الهواة" المتوفر حاليًا هو مستشعرات iLidar Solid-State LiDAR المصممة بواسطة Hybo. إنه نظام LiDAR صغير قادر على رسم الخرائط ثلاثية الأبعاد (بدون تدوير المستشعر) بمدى أقصى فعال يبلغ 6 أمتار. تم تجهيز المستشعر بمنفذ USB إلى جانب منفذ UART / SPI / i2C يمكن من خلاله إنشاء اتصال بين المستشعر ووحدة التحكم الدقيقة.

تم تصميم iLidar ليناسب الجميع والميزات المرتبطة بـ LiDAR تجعله جذابًا للصانعين.