Lidar Nedir? Nasıl Çalışır? Çeşitleri Nelerdir?

LIDAR Nedir? Işık Algılama ve Değişme anlamına gelir, nesneye ışık hüzmesi vererek nesnenin mesafesini ölçen ve mesafeyi ve bazı uygulamalarda tahmini mesafeyi tahmin etmek için yansıtılan ışık demetinin zamanını ve dalga boyunu kullanan değişken bir teknolojidir .

Lazerin arkasındaki fikir, 1930’da EH Synge’nin eserine kadar izlenebilse de, 1960’ların başında, lazerin icadından sonra bir şey değildi. Temel olarak, lazer odaklı görüntülemenin uçuş tekniğini kullanarak mesafeleri hesaplama kabiliyetini bir arada kullanmasıyla, en erken uygulamalarını Meteorolojide, bulutları ölçmek için kullanıldığı yerde ve bir lazer altimetrenin haritalandırmak için kullanıldığı Uzayda buldu. Apollo 15 görevi sırasında ayın yüzeyi. O zamandan beri, teknoloji gelişti ve aşağıdaki gibi çeşitli uygulamalarda kullanıldı; sismik faaliyetlerin tespiti, oşinografi, arkeoloji ve seyrüsefer belirtiler.

Lidar Nasıl Çalışır?

Teknoloji, her ikisi de dalgaların nesne tespiti ve mesafesi için yansıma prensibini kullanan RADAR’a (gemiler ve uçaklar tarafından kullanılan radyo dalgası navigasyonu) ve SONAR’a (sualtı nesnesi algılama ve sesi kullanarak, özellikle denizaltılar tarafından kullanılan navigasyon) oldukça benzer. tahmini. Bununla birlikte, RADAR radyo dalgalarına ve SONAR seslere dayanırken, LIDAR Işık ışınlarına (Lazer) dayanmaktadır.

LIDAR, aşağıdakileri içeren farklı dalga boylarında ışık kullanır; görüntü nesnelerine ultraviyole, görünür veya yakın kızılötesi ışığa ve bunun gibi her türlü malzeme bileşimini tespit edebilme; metal olmayanlar, kayalar, yağmur, kimyasal bileşikler, aerosoller, bulutlar ve hatta tek moleküller. LIDAR sistemleri saniyede 1.000.000 ışık atımını ateşleyebilir ve tarayıcının etrafındaki nesnelerin ve yüzeylerin bulunduğu mesafeyi belirlemek için atımların tarayıcıya geri yansıtılması için geçen süreyi kullanabilir. Uzaklık belirleme için kullanılan teknik uçuş süresi olarak bilinir ve denklemi aşağıda verilmiştir.

Çoğu uygulamada, sadece uzak ölçüm dışında, ışık ışınının kullanıldığı ortamın / nesnenin 3B haritası oluşturulur. Bu, lazer ışınının nesneye veya çevreye sürekli ateşlenmesi ile yapılır.

3D Lidar Görüntüsü
LIDAR Sisteminin Bileşenleri

Bir LIDAR sistemi tipik olarak, uygulamadan kaynaklanan değişikliklerden bağımsız olarak bulunması beklenen 5 elementten oluşur. Bu ana bileşenler şunları içerir:

  • Lazer
  • Tarayıcılar ve Optik sistemi
  • İşlemci
  • Doğru zamanlama elektroniği
  • Atalet Ölçüm Birimi ve GPS
1. Lazer

Lazer, ışık darbeleri için enerji kaynağı olarak görev yapar. LIDAR sistemlerinde kullanılan lazerin dalga boyu, belirli uygulamaların özel gereklilikleri nedeniyle bir uygulamadan diğerine farklılık gösterir. Örneğin, Havadaki LiDAR sistemleri, 1064 nm diyot pompalı YAG lazerleri kullanırken, Bathymetric sistemleri, havadaki 1064nm sürümünden çok daha az zayıflama ile suya (40 metreye kadar) nüfuz eden 532nm çift diyotlu YAG lazerleri kullanır. Bununla birlikte, uygulamalardan bağımsız olarak, kullanılan lazerler güvenliği sağlamak için genellikle düşük enerjilidir.

2. Tarayıcı ve Optik

Tarayıcılar, herhangi bir LIDAR sisteminin önemli bir parçasıdır. Lazer atımlarını yüzeylere yansıtmaktan ve yansıyan atımları yüzeyden geri almaktan sorumludurlar. Görüntülerin bir LIDAR sistemi tarafından geliştirilme hızı, tarayıcıların geri saçılan ışınları yakalama hızına bağlıdır. Uygulamadan bağımsız olarak, LIDAR sisteminde kullanılan optiklerin özellikle haritalama için en iyi sonuçları elde etmek için yüksek hassasiyet ve kalitede olması gerekir. Kullanılan merceklerin yanı sıra, belirli cam seçimi ve kullanılan optik kaplamalar, LIDAR’ın çözünürlük ve aralık özelliklerinin temel belirleyicileridir.

Uygulamaya bağlı olarak, farklı çözünürlükler için çeşitli tarama yöntemleri dağıtılabilir. Azimut ve yükseklik taraması ve çift eksenli tarama, en popüler tarama yöntemlerinden bazılarıdır.

3. İşlemciler

Yüksek kapasiteli bir işlemci genellikle herhangi bir LIDAR sisteminin merkezindedir. LIDAR sisteminin tüm bileşenlerinin faaliyetlerini senkronize etmek ve koordine etmek için kullanılır, tüm bileşenlerin gerektiğinde çalışmasını sağlar. İşlemci, LIDAR nokta verilerini üretmek için tarayıcıdan, zamanlayıcıdan (işlem alt sistemine dahil edilmemişse), GPS ve IMU’dan gelen verileri entegre eder. Bu yükseklik noktası verileri daha sonra uygulamaya bağlı olarak haritalar oluşturmak için kullanılır. Sürücüsüz Otomobillerde nokta verileri, araçların engelden kaçınma ve genel navigasyon konusunda yardımcı olması için gerçek zamanlı bir çevre haritası sağlamak için kullanılır.

Nanosaniye başına yaklaşık 0.3metre hızla hareket eden ve genellikle tarayıcıya yansıyan binlerce ışın olan işlemcide, işlemcinin genellikle yüksek işlem kapasitesine sahip yüksek hızda olması gerekir. Böylece, bilgi işlem elemanlarının işlem gücündeki gelişmeler, LIDAR teknolojisinin en büyük itici güçlerinden biri olmuştur.

4. Zamanlama Elektroniği

Tüm işlemler zamanında yapıldığından, LIDAR sistemlerinde doğru zamanlama esastır. Zamanlama elektroniği, bir lazer darbesinin tam olarak ayrıldığı zamanı ve tarayıcıya tam olarak geri geldiği zamanı kaydeden LIDAR alt sistemini temsil eder.

Hassasiyet ve kesinlik üzerinde durulmaz. Dağınık yansıma nedeniyle, gönderilen darbeler genellikle verilerin doğruluğunu sağlamak için her birinin tam olarak zamanlanması gereken birden fazla geri dönüşe sahiptir.

5. Atalet Ölçüm Birimi ve GPS

Bir LiDAR sensörü, uydu, uçak veya otomobil gibi bir mobil platform üzerine monte edildiğinde, kullanılabilir verileri tutmak için mutlak pozisyonu ve sensörün yönünü belirlemek gerekir. Bu, Atalet ölçüm sistemi (IMU) ve Global Konumlandırma Sistemi (GPS) kullanımıyla başarılır. IMU genellikle, bir ivmeölçer, jiroskop ve birlikte kombine olan hız, oryantasyon ve yerçekimi kuvvetlerini ölçmek için bir manyetometre içerir ve tarayıcının zemine göre açısal oryantasyonunu belirlemek için kullanılır. Diğer taraftan, GPS, sensörün konumu ile ilgili doğru coğrafi bilgi sağlar, böylece nesne noktalarının doğrudan coğrafi olarak kaydedilmesine olanak tanır. Bu iki bileşen, çeşitli sistemlerde kullanım için sensör verilerinin statik noktalara dönüştürülmesi için bir yöntem sağlar.

GPS ve IMU kullanılarak elde edilen ek bilgiler, elde edilen verilerin bütünlüğü için çok önemlidir ve özellikle Autonomous araçlar ve Hava Düzlemine dayalı hayal sistemleri gibi mobil LIDAR uygulamalarında yüzeylere olan mesafenin doğru tahmin edilmesini sağlar.

LiDAR Türleri

LIDAR sistemleri bir dizi faktöre dayanarak tiplere ayrılabilirken, üç genel LIDAR Sistemi türü vardır;

  •   Telemetre LIDAR
  •   Diferansiyel emilim LIDAR
  •   Doppler LIDAR
1. Telemetre LIDAR

Bunlar en basit LIDAR sistemleridir. LIDAR tarayıcıdan bir nesneye veya yüzeye olan mesafeyi belirlemek için kullanılırlar. “Nasıl çalışıyor” bölümünde açıklanan uçuş ilkesini kullanarak, yansıma ışınının tarayıcıya çarpması için geçen süre, LIDAR sistemi ile nesne arasındaki mesafeyi belirlemek için kullanılır.

2. Diferansiyel Absorpsiyon LIDAR

Diferansiyel absorpsiyon LIDAR sistemleri (bazen DIAL olarak adlandırılır), genellikle belirli moleküllerin veya materyallerin varlığının araştırılmasında kullanılır. DIAL sistemleri genellikle, iki dalga boyunda lazer dalgalarını ateşler, öyle ki, dalga boylarından biri, diğer dalga boyunda olmayacak şekilde, ilgili molekül tarafından emilecek şekilde seçilir. Kirişlerden birinin emilmesi, tarayıcı tarafından alınan dönüş ışınlarının yoğunluğunda bir farkla (diferansiyel emme) sonuçlanır. Bu fark daha sonra araştırılmakta olan molekülün varlığının seviyesini belirlemek için kullanılır. DIAL, atmosferdeki kimyasal konsantrasyonları (ozon, su buharı, kirleticiler gibi) ölçmek için kullanılmıştır.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR, bir hedefin hızını ölçmek için kullanılır. LIDAR’dan çıkan ışık ışınları LIDAR’a doğru veya uzağa hareket eden bir hedefi vurduğunda, hedefe yansıyan / dağılan ışığın dalga boyu hafifçe değişecektir. Bu bir Doppler kayması olarak bilinir – sonuç olarak, Doppler LiDAR. Hedef LiDAR’dan uzaklaşıyorsa, geri dönüş ışığı daha uzun bir dalga boyuna sahip olacaktır (bazen kırmızı bir kayma olarak adlandırılır), LiDAR’a doğru hareket ederse geri dönüş ışığı daha kısa bir dalga boyunda olacaktır.

LIDAR sistemlerinin tiplerine göre gruplandırıldığı diğer sınıflandırmalardan bazıları şunlardır:

  • Platform
  • Geri saçılma tipi
Platforma Dayalı LiDAR Türleri

Platformu kriter olarak kullanarak, LIDAR sistemleri;

  • Toprak bazlı LIDAR
  • Havadan LIDAR
  • Spaceborne LIDAR
  • Hareket LIDAR

Bu LIDAR’lar inşaat, malzeme, dalga boyu, görünüm ve genellikle konuşlandırılacakları çevrede neyin işe yaradığına uyacak şekilde seçilen diğer faktörlerde farklılık gösterir.

Geri Saçılma Tipine Göre LIDAR Türleri

LIDAR sistemlerinin nasıl çalıştığını tarif ederken, LIDAR’daki yansımanın geri saçılma yoluyla olduğunu söyledim. Farklı tipte saçılma çıkar ve bazen LIDAR türünü tanımlamak için kullanılır. Geri saçılma çeşitleri;

  • Mie
  • Rayleigh
  • Raman
  • Floresan
LiDAR Uygulamaları

Üstün doğruluğu ve esnekliği nedeniyle LIDAR, özellikle yüksek çözünürlüklü haritaların üretilmesi için çok sayıda uygulamaya sahiptir. Araştırmanın yanı sıra, LIDAR, tarımda, arkeolojide ve robotlarda, şu anda özerk araç ırkının ana olanaklarından biri olduğundan, LIDAR sistemine benzer bir rol oynayan çoğu araçta kullanılan ana sensördür araçlar için gözler.

Yüzlerce LiDAR başvurusu daha var ve aşağıda mümkün olduğu kadar çok söz etmeye çalışacağız.

  • Özerk Araçlar
  • 3B Görüntüleme
  • Kadastro
  • Güç Hattı Muayene
  • Turizm ve Park Yönetimi
  • Orman koruma için Çevresel Değerlendirme
  • Taşkın Modellemesi
  • Ekolojik ve Arazi Sınıflandırması
  • Kirlilik Modellemesi
  • Petrol ve Gaz Arama
  • Meteoroloji
  • Oşinografi
  • Her çeşit askeri uygulama
  • Hücre Ağı Planlama
  • Astronomi
LiDAR’ın Avantajları ve Dezavantajları

Bu makaleyi özetlemek için, LIDAR’ın neden projeniz için uygun olabileceğinin nedenlerine ve neden muhtemelen kaçınmanız gerektiğine bakmalıyız.

Avantajları

1. Yüksek Hızlı ve doğru veri toplama

2. Yüksek Penetrasyon

3. Çevresindeki ışığın yoğunluğundan etkilenmez ve gece veya güneşte kullanılabilir.

4. Diğer Yöntemlere kıyasla Yüksek Çözünürlüklü Görüntüleme.

5. Geometrik Bozulma Yok

6. Diğer veri toplama yöntemleri ile kolayca bütünleşir.

7. LIDAR, insan hatasının verinin verilerin güvenilirliğini etkileyebileceği bazı uygulamalarda iyi olan asgari insan bağımlılığına sahiptir.

Dezavantajları

1. LIDAR’ın maliyeti belirli projeler için fazladan ödeme yapmasını sağlar. LIDAR en iyi şekilde nispeten pahalı olarak tanımlanır.

2. LIDAR sistemleri şiddetli yağmur, sis veya kar koşullarında düşük performans gösterir.

3. LIDAR sistemleri, işlemesi için yüksek hesaplama kaynakları gerektiren büyük veri kümeleri oluşturur.

4. Türbülanslı su uygulamalarında güvenilir değildir.

5. Kabul edilen dalga boyuna bağlı olarak, LIDAR sistemlerinin performansı, belirli LIDAR türlerinde atılan darbelerin belirli irtifalarda etkisiz kalması nedeniyle yüksekliktedir.

Kaynak

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.