Параметр

Значение

не менее 5 км

не более 0,5 м

Углы обзора

0,5 – 11 мкм

1,55 (1,064) мкм

не более 130 с

Энергия импульса

Длительность импульса

Частота следования импульсов

Диаметр приёмо-передающего телескопа

Вес системы

Менее 1 т.

Параметр

Значение

Максимальная дальность измерений в режиме сканирования

не менее 8 км

Максимальная дальность измерений в режиме измерения

не менее 3 км

Минимальная дальность измерений в режиме сканирования

не более 0,5 м

Углы обзора

Вертикальное направление (угол места)*

Горизонтальное направление (азимут)*

Размер детектируемых аэрозолей

0,5 – 11 мкм

Длина волны в режиме аэрозольного сканирования

1,55 (1,064) мкм

Время сканирования выбранного сектора **

не более 130 с

Пространственное разрешение в режиме сканирования

Энергия импульса

1 – 2 мДж (1,55 мкм) 100 мДж (1,064 мкм)

Длительность импульса

Частота следования импульсов

Ti:Sph лазер (2 шт.)

Диапазон длин волн

350 – 480 нм 230 – 310 нм

Частота следования импульсов

Энергия импульса L=450 нм L=300 нм

25 мДж 6 мДж

Вес системы

Применяется оптический датчик - лидар (lidar от Light Detection and Ranging, дословно световое обнаружение и определение расстояния ). В датчике используются электромагнитные волны инфракрасного диапазона, с помощью которых определяется расстояние до находящегося впереди объекта (транспортного средства), а также его скорость. Лидар может использоваться для определения частиц влаги в атмосфере, линий дорожной разметки.

По своим функциям лидар выступает в качестве альтернативы автомобильного радара , поэтому другое его название лазерный радар . Преимуществами лидара являются меньший размер (можно установить в любом месте), большое угловое разрешение (порядка 180°), значительный радиус действия (до 250 м), сравнительно невысокая стоимость. Доказано, что инфракрасные лучи безопасны для человеческого глаза.

Вместе с тем, лазерный радар чувствителен к изменению рельефа дороги (лучи могут отражаться от поверхности дороги и искажать информацию). Эффективность лидара снижается в плохих погодных условиях (дождь, снег, туман), а также при загрязнении датчика.

Ведущими производителями лидаров являются компании Denso, Continental, Siemens, Hella. Лазерный радар используют в системе адаптивного круиз-контроля компании Nissan, Toyota, в активной системе ночного видения компании Mercedes-Benz, Toyota, в системе автоматического экстренного торможения компания Volvo (система City Safety).

Для повышения эффективности детектирования объектов лидар может применяться совместно с радаром, автомобильной видеокамерой . Разрабатываемые системы автоматического управления автомобилем также не обходятся без лидара.

Устройство лидара

Конструкция автомобильного лидара включает следующие элементы: передатчик, модулятор, приемник, оптический элемент, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор.

Роль передатчика выполняет лазерный диод, который служит для передачи инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение модулируется в модуляторе, который при необходимости изменяет его интенсивность. В зависимости от типа модуляции различают лидары непрерывного и импульсного действия. Более совершенна импульсная модуляция инфракрасного излучения. Для повышения эффективности измерений применяется многоимпульсная технология (передача нескольких импульсов одновременно).

Световой импульс, а затем и его отражения проходят через оптический элемент. Отраженный импульс принимается фотодиодом, где преобразуется в электрический сигнал. Далее сигнал усиливается усилителем, преобразуется в «цифру» с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя), а затем обрабатывается микропроцессором.

Несмотря на различия в конструкции принцип действия лидара аналогичен радару. Лидар направляет на цель инфракрасный свет. Свет частично отражается от цели, частично рассеивается. Отраженный импульс возвращается обратно, где воспринимается фотодиодом. Ток на фотодиоде пропорционален воздействующему свету. На основании принятого цифрового сигнала процессор определяет расстояние до впереди идущего транспортного средства и его скорость.

Высокое горизонтальное и вертикальное разрешение лидара достигается путем многолучевой конфигурации передатчика, которая достигается несколькими способами - использованием поворотного зеркала, перемещением передатчика.

Сегодня все большую популярность набирает технология светового обнаружения и определения дальности - LIDAR (Light Identification Detection and Ranging). Наши эксперты следят за развитием индустрии и подготовили обзор статьи, посвященной этой технологии.

Технологии дополнят камеры и радары в автономном транспорте

Полностью автономный транспорт будущего будет полагаться на комбинацию различных сенсорных технологий - продвинутых систем зрения, радара и системы светового обнаружения и определения дальности (лазерного локатора). Из этих трех, лазерный локатор на данный момент - самая дорогостоящая часть уравнения, и весь мир прилагает усилия по снижению этих цен.

Сейчас на рынке доступны механические лазерные локаторы, стоящие сотни долларов. Эти цифры необходимо уменьшить для того, чтобы массовое применение лазерных локаторов оправдывало себя в гибкой автомобильной отрасли.

Помимо фактора цены, поставщики лазерных локаторов должны показать высокую производительность и надежность своих продуктов. Для продвинутых систем помощи водителю и автоматизированного вождения недостаточно иметь надежность в 99%. В критических (с точки зрения безопасности) аспектах автомобильного производства, оборудование должно показывать надежность «шести девяток» - 99,9999%.

Важность продвинутых технологий в автомобильном транспорте не может быть переоценена. Предложенная Intel сделка на сумму 15,3 миллиарда долларов по приобретению Mobileye, израильского поставщика систем компьютерного зрения, хороший тому пример. Производитель чипов и Mobileye объединились с BMW в прошлом году для совместной работы над технологией автономного транспорта.

Лазерный локатор - ключевой компонент этой технологии, и инвесторы держат свои кошельки широко раскрытыми для стартапов, работающих над этой технологией. В марте 2017 года инвесторы вложили 10 миллионов долларов в TetraVue - стартап, работающий над лазерным локатором в городе Карлсбад, Калифорния. Список инвесторов включает в себя Foxconn, Nautilus Venture Partners, Robert Bosch Venture Capital и Samsung Catalyst Fund.

Стартап программного обеспечения для самоуправляемых машин Autonomic, расположенный в Пало-Алто, Калифорния, получил около 11 миллионов долларов от Ford Motor и Social Capital. Четыре сооснователя ранее работали в Pivotal Labs.

Technavio прогнозирует совокупный среднегодовой темп роста для мирового рынка автомобильных датчиков лазерной локации более чем на 34% до 2020 года (Рисунок 1). По оценке исследующей рынок фирмы, рынок лазерных локаторов составил 61,61 миллион долларов в 2015 году, с наибольшим спросом в Европейском/Средневосточном/Африканском регионах, а также в Северной и Южной Америке.

В июне 2016 года компания в открытый доступ выложила отчет «Глобальный рынок автомобильных датчиков лазерной локации 2016-2020», и будет обновлять этот отчет в течение третьей четверти текущего года.

«Технология лазерной локации в автомобильной индустрии испытывает быструю эволюцию, как в рамках технического прогресса, так и в рамках динамики рынка» , - утверждает Сиддхарт Джайсвал , один из ведущих аналитиков индустрии исследований автомобильной электроники Technavio.

Среди ключевых разработок, названных Technavio:

1. Снижение стоимости для увеличения масштаба. Производители лазерных локаторов работают над снижением стоимости системы, применяя эффективные методы обработки, а в некоторых случаях, позиционируя продукты для каждого сегмента клиента в отдельности: «Цена 64-лучевого блока лазерной локации Velodyne HDL-64E, который используют в беспилотном автомобиле Google, стоит 80000 долларов», - заявляет Джайсвал . «Velodyne также предлагает 32-лучевые и 16-лучевые блоки лазерной локации по цене 40000 долларов и 8000 долларов соответственно, которые могут быть использованы в более экономичных проектах. Мы ожидаем, что технология лазерной локации пойдет по «стопам радара» в автомобильной индустрии, где цена играла ключевую роль в принятии рынком. Следовательно, цена является ключевым фактором для игроков рынка» .
2. Компактный дизайн. Первый датчик лазерной локации Velodyne, выпущенный в 2005 году, был настолько большим и тяжелым (он весил около 5 килограмм), что должен был быть расположен на крыше автомобиля. Сейчас сенсор весит менее килограмма, а твердотельная версия достаточно компактна, чтобы поместиться внутри машины.
3. Сочетание датчиков. Технологический тренд совмещения датчиков изображения с датчиком лазерной локации был популярной темой для исследований на протяжении более десяти лет. Выходные данные становятся более надежными, если в результате сочетания информация, полученная одним датчиком, подтверждает информацию датчика другого типа. Однако, если данные одного датчика не сходятся с данными другого, система становится ненадежной.
4. Использование лазерных локаторов за пределами автомобилей для управления дорожными активами. Исследования по оценке состояния дорожного покрытия (TRACS) были введены для сети магистральных дорог Англии в 2000 году. Автодорожное агентство Великобритании проводит регулярные автоматизированные исследования состояния дорожного покрытия магистралей в рамках исследования TRACS. Лазерный локатор используется для измерения расстояния до датчика и, потенциально, может предоставлять данные об объектах, находящихся на гораздо более большом расстоянии от исследовательской машины, чем при исследовании TRACS.

Рисунок 1.
Источник: Technavio

«Лазерный локатор находится на очень прибыльной позиции среди датчиков автономного вождения» , - утверждает Джайсвал. «360-градусная карта - его главное отличие от других сенсорных технологий, а его возможности в отношении обнаружения объектов даже в условиях полного отсутствия света нашли свое место среди оригинальных производителей оборудования. К тому же, явное падение цены самого дорогого компонента беспилотного автомобиля - блока датчиков лазерной локации, вероятно приведет к принятию автомобильных лазерных локаторов. Например, в 2016 году, Velodyne представила свой новый лазерный локатор ULTRA Puck VLP-32A. По заявлениям, это самый доступный лазерный локатор, способный, по определению SAE (Сообщество автомобильных инженеров), достигать уровней автономного вождения 1-5, а также он очень компактный, по сравнению с предыдущими версиями продуктов из этой индустрии. Из-за твердотельной архитектуры, сенсор достаточно маленький, чтобы быть установленным на наружные зеркала заднего вида, при этом радиус 3D-зондирования увеличен до 200 метров (656 футов). Velodyne установила целевое ценообразование из расчета менее чем 300 долларов за один блок, что в масштабах массового автомобильного производства - значительное снижение цены с 7900 долларов за предыдущий компактный блок лазерного локатора» .

Более того, лазерный локатор может быть разработан с использованием проверенных технологий полупроводниковых процессов, а твердотельная версия не имеет движущихся частей.

«Лазерный локатор считается ключевой технологией для точного 3D-картирования, «ощущения автомобиля» и навигации» , - утверждает Пьер Камбу , директор отдела работы с изображениями компании Yole Developpement. «Происходит соревнование в производительности и долговечности, для этого используются коротковолновые инфракрасные (SWIR) диоды, лавинные фотодиоды или однофотонные лавинные фотодиоды. Также прилагаются большие усилия по снижению цен. Это направлено в основном на то, чтобы сделать лазерный локатор полупроводниковым с помощью управляемых лазеров, микрозеркал МЭМС или детекторных решеток» .

Но Камбу заметил, что существуют разные подходы к автономному вождению, и лазерный локатор не является необходимым для каждого из них. «Лазерный локатор - это основополагающее оборудование для беспилотного транспорта, который я предпочитаю называть роботизированным транспортом. В будущем будет существовать много уровней автономности. Лазерный локатор может быть необходим для экстренного торможения в городских условиях, вероятно в сочетании с радарами и камерами. Этот мультимодальный подход сейчас четко определен. Никто не ставит его под сомнение» .

Рынок лазерных локаторов будет расти по мере уменьшения цен: от 600 миллионов долларов на сегодняшний день до 1,2 миллиардов в течение следующих пяти лет (Рисунок 2). «Сегодня три точки входа в автомобильную индустрию: 3000 долларов, 300 долларов и 30 долларов» , - заявил он. «Камеры на текущий момент находятся на ценовом уровне в 30 долларов, а лазерный локатор на уровне 3000 долларов. Цель производителей лазерный локаторов сейчас - снизить цену и достигнуть цели в 300 долларов, без значительных потерь производительности. Такие лазерные локаторы, вероятно, созданные на основе твердотельных подходов, появятся на рынке в течение следующих трех лет» .

Это малая часть рынка зрительных датчиков. «Консенсус здесь в том, что прибыль от автомобильных радаров и автомобильного зрения почти одинакова, но зрение на 50% состоит из современной системы содействия водителю (ADAS) и на 50% - из системы помощи при парковке», - сказал Камбу. «Мы достигли оборота датчиков автомобильного зрения в 1 миллиард долларов в 2016 году, и среднегодового темпа роста в 24%. Верхняя черта - 7.3 миллиарда прибыли в сфере датчиков автомобильного зрения к 2021 году».

Рисунок 2.
Источник: Yole Developpement.

Амин Каши , директор отдела современных систем содействия водителю и автономного вождения в Mentor Graphics, дочерней компании Siemens, заявил, что интерес к лазерным локаторам возник более десяти лет назад, в связи с высокой ценой радаров на тот момент, которые стоили по 500 долларов за штуку. Лазерные локаторы тогда были чрезвычайно дорогими, до 260000 долларов за блок.

«Три года назад, некоторое количество компаний или стартапов начали интересоваться сферой лазерных локаторов и инвестировать в неё средства» , - говорит Каши. «Каждая крупная компания внезапно начала вкладывать деньги или покупать компании, работающие в сфере лазерных локаторов» .

В число таких компаний входили Continental и TRW. Каши ранее работал в компании Quanergy Systems, которая разработала механический лазерный локатор, а сейчас работает над лазерным локатором с фазированной решеткой. Твердотельный лазерный локатор Quanergy продается по 250 долларов за штуку.

Тем временем, Mentor Graphics предоставляет оригинальным производителям оборудования и крупным компаниям аппаратное и программное обеспечение, а также услуги по проектированию в сфере лазерных локаторов. «Мы также предоставляем программное обеспечение обработки изображений, которое может быть запущено на их датчиках. В конце концов, все сенсоры должны быть каким-то образом соединены. Необходима вычислительная платформа или система, которая собирает всю эту разную информацию и делает её понятной для системы принятия решений. Вот в чем заключается наш интерес» .

«Камеры, лазерные локаторы и радары дополняют друг друга, восполняя недостатки каждой технологии» , - заявил он. «Это играет критическую роль, так как лазерный локатор может быть менее эффективным в тумане, при низких облаках, песчаных бурях, сильном дожде и сильном снегопаде».

«Все еще необходимо иметь очень высокое разрешение датчиков, используемых на беспилотном транспорте» , заметил Амин Каши. «Существует множество компаний, работающих над технологиями лазерной локации, множество стартапов и у них очень убедительные концепции. Интересно будет посмотреть, будет ли их путь к коммерциализации успешным. Некоторые из них совсем неоригинальны, но переход от отличной концепции к датчику автомобильного класса - очень сложная задача. И она требует больших вложений» .

Сравнения между различными технологиями лазерной локации не всегда прямолинейны, и растущая конкуренция не делает их проще.

«Существует множество обманчивой информации» , - заявляет Луай Эльдада , исполнительный директор стартапа Quanergy. «Есть люди, которые делают традиционные механические лазерные локаторы: большие, крутящиеся механические лазерные локаторы, используемые на вертолетах, и они называют их гибридными твердотельными, потому что содержание полупроводника в них не равно нулю. Это просто обман».

По словам Эльдады, такие продукты имеют один маленький чип, в продукте размером с ведро. «В автомобильной сфере никто уже не использует механические лазерные локаторы. Мы уверены, что наш твердотельный локатор является самой захватывающей разработкой в этой сфере».

В прошлом году Quanergy получила 90 миллионов долларов во втором инвестиционном раунде, что увеличило общую сумму частных инвестиций до 150 миллионов долларов, а также увеличило стоимость самой компании более чем до 1 миллиарда долларов. Delphi Automotive, GP Capital, Motus Ventures, Samsung Ventures и Sensata Technologies совершили вклады во втором инвестиционном раунде.

XenomatiX - другой стартап, специализируйщийся на твердотельных лазерных локаторах. «Стартапы сейчас лидируют в разработках, которые считаются необходимыми при автономном вождении» , - заявил Филип Гайенс , исполнительный директор Бельгийской компании. «Некоторые большие компании тратят много денег и серьезно инвестируют, чтобы получить датчики и программное обеспечение, необходимое для автономного вождения. Большинство этих компаний, с точки зрения технологий, двигаются в одном направлении. Мы ожидаем, что все они столкнутся с серьезными трудностями. Мы же, напротив, двигаемся в другом направлении и делаем вещи немного иначе. Мы считаем, что это лучший способ преодолеть трудности» .

«XenomatiX пытается избавиться от дезориентации при зондировании среди систем лазерных локаторов, связанной с тем, что многие системы используют прямое время полета, испуская один луч света или одну вспышку света» , - заявил Гайенс . «Метод, который используем мы, заключается в отправке тысяч лучей одновременно. Это довольно сложно. Мы также придерживаемся техники безопасности для защиты глаз. Это самая важная трудность, которая одинакова для всех нас. Мы испускаем множество лучей одновременно и это делает все еще сложнее. С другой стороны, это делает систему более надежной в реальных условиях, где несколько лазерных локаторов работают одновременно».

Некоторые компании утверждают, что камер и радаров для автономного вождения достаточно, однако Гайенс так не считает. Он утверждает, что вождение автомобиля происходит в объемном мире, а лазерный локатор незаменим при зондировании во всех направлениях.

Одна из больших проблем в индустрии - спрос и предложения между оригинальными производителями оборудования и ведущими компаниями. Оригинальные производители оборудования ожидают от ведущих компаний, необходимых им продвинутых технологий, в то время как ведущим компаниям требуются проверенные технологии, прежде чем они смогут представить их оригинальным производителям оборудования. Согласно многочисленным инсайдерам в индустрии, поставщики автомобильных частей не хотят иметь большие затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы без обязательств оригинальных производителей оборудования по объемам закупок.

«Находящееся на рассмотрении приобретение компанией Intel фирмы Mobileye - большой шаг вперед во введении высокотехнологичных продуктов в автомобильную индустрию» , - утверждает Гайенс .

Соревнование на пути к беспилотному транспорту и количество технологических инноваций, которое требуется, чтобы достичь этого, меняет некоторые из использованных ранее подходов.

«На данный момент, технология лазерной локации - совершенно новое слияние технологий» , - считает Жан-Ив Дешен , президент Квебекской компании Phantom Intelligence. «Это слияние обусловлено автомобильной индустрией» .

Пять-десять лет назад лазерный локатор преимущественно использовался в архитектурных, картографических и военных целях. Блоки выглядели как огромные, громоздкие устройства с огромным количеством зеркал.

«Многие находятся в поиске решения» , - заявил он. «Недавние исследования и компании, о которых мы много слышим, сейчас пытаются заменить эти зеркала. Мы воспроизводим принцип сканирования лазерного локатора путем использования зеркал МЭМС и управления лучем. Много методов картирования двигается в этом направлении. В Phantom Intelligence мы уверены, что решение заключается в использовании вспышечного лазерного локатора. Вспышечный лазерный локатор- скорее аналог 3D-камеры. Вместо узкого луча, который постепенно проходит по полю зрения для воссоздания изображения, происходит вспышка лазерного импульса на большом пространстве, а для восстановления изображения используется множество пикселей» .

«Недостаток лазерного локатора - эхо, возвращающееся на датчик» , - заметил Дешен , сторонник «более умной» обработки сигналов, как он её называет. Он считает, что будет существовать пять уровней автономного вождения, полностью автономный транспорт появится в 2025 году, а широкое распространение получит в 2030 году.

Лазерный локатор – хорошо известная технология, которая наконец нашла себе выгодное применение на рынке.

«Сам принцип лазерной локации, отправленный с импульсом свет и эхо времени полета сильно не изменился» , - заявил один из источников в индустрии. «Физический принцип никогда не менялся с момента изобретения, уже на протяжении 40 лет. Изменения касаются скорее составных частей и системной интеграции. Никакого изменения фундаментального принципа» .

Источник заметил, что вспышечный лазерный локатор находился в разработке на протяжении последних пяти лет, и за это время получил сходства с датчиком КМОП. «Технология вспышечного лазерного локатора - сфера, требующая пристального внимания. Она предоставляет очень дешевое решение, но не высокую производительность» .

Кевин Уотсон , старший руководитель отдела разработки товаров Microvision (Редмонд, Вашингтон), не согласен. «Я не считаю, что это приведет к каким-то результатам» , - высказался он о вспышечном лазерном локаторе. «На протяжении многих лет Святым Граалем лазерных локаторов считались лазерные сканеры на основе МЭМС-зеркал, потому что они невероятно маленькие, относительно недорогие в производстве в больших количествах и очень надежные. К тому же, достаточнокомпактные, чтобы спрятать несколько штук в автомобиле» .

Уотсон называет лазерный локатор «самым важным датчиком» в автомобильной электронике. «Системы зрения - это здорово, но они абсолютно пассивны, а лазерный локатор активен» . Но и у лазерного локатора есть свои ограничения. Радар может распознать стену и имеет большую дальность действия, способен работать в тумане, а лазерная локация и зрение могут быть сбиты с толку. «До достижения четвертого уровня автономности (предшествующего самому высокому уровню) еще далеко» , - заявил Уотсон . «Это не будет реализовано на протяжении следующих десяти лет. Это очень, серьезная проблема. Еще слишком многое нужно сделать» .

Введение

Термин “лидар” является аббревиатурой английского выражения light identification, detection and ranging (обнаружение и определение дальности с помощью света).

Лидар - 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.

Как прибор, лидар представляет собой оптический локатор для дистанционного зондирования воздушных и водных сред. Также к лидарам относят оптические локаторы, которые позволяют дистанционно получать информацию о твердых объектах.

Лидары востребованы и пользуются популярностью благодаря достоинствам используемых в них лазерах:

· Когерентность излучения

· Малая длина волны излучения и, как следствие, малые потери из-за расходимости

· Мгновенная мощность излучения

Совокупность этих свойств делает использование лидара незаменимым на дистанциях от сотен метров до нескольких километров.

Принцип действия лидара

Импульсное излучение лазера посылается в атмосферу. Затем, рассеянное атмосферой в обратном направлении, излучение собирается телескопом и регистрируется фотоприемником с последующей оцифровкой сигналов.

импульсный лидар телеобъектив оптический

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 и известной скоростью, поэтому лидар может вычислить расстояние между ним и цели с высокой точностью.

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

Микроимпульсные лидары работают на более мощной компьютерной технике с большими вычислительными возможностями.

Эти лазеры меньшей мощности и классифицируются как "безопасные для глаз", что позволяет использовать их практически без особых мер предосторожности.

Лидары с большой энергией импульса в основном применяются для исследования атмосферы, где они часто используются для измерения различных параметров атмосферы, таких как высота, наслоение и плотность облаков, свойства частиц облака, температуру, давление, ветер, влажность и концентрацию газов в атмосфере.

Устройство лидара

Большинство лидаров состоит из трех частей:

· Передающая часть

· Приемная часть

· Система управления

Передающая часть (а) лидара содержит источник излучения - лазер и оптическую систему для формирования выходного лазерного пучка, т.е. для управления размером выходного пятна и расходимостью пучка.

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:

1550 нм -- инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн. Однако риск повреждения глаз на деле выше, чем у излучателей видимого света -- так как глаз не реагирует на ИК излучение, то не срабатывает и естественный защитный рефлекс человека

1064 нм -- ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения

532 нм -- зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды

355 нм -- ближнее ультрафиолетовое излучение

Приёмная часть (б) состоит из объектива (телескоп), спектрального и/или пространственных фильтров, поляризационного элемента и фотодетектора. Излучение, отраженно-рассеянное от исследуемого объекта, концентрируется приемной оптикой (телескопом), а затем проходит через анализатор спектра. Этот прибор служит для выделения интервала длин волн, в котором проводятся наблюдения, и, следовательно, для отсечки фонового излучения на других длинах волн. Анализатор может представлять собой либо сложный, тщательно настраиваемый моно- или полихроматор, либо набор узкополосных фильтров, включая фильтр отсечки излучения на длине волны лазерного передатчика.

Излучатель и приемный блок могут быть далеко разнесены друг от друга или выполнены в едином блоке, что в последние годы является обычным. Оси излучателя и приемника могут быть совмещены (коаксиальная схема) или разнесены (биаксиальная схема).

Система управления(в) выполняет следующие задачи:

ѕ Управление режимом работы лидара;

ѕ Управление частотой зондирующего излучения лазера;

ѕ Измерение энергии излучения в выходящем и принимаемом двухчастотном лазерном пучке на обеих частотах;

ѕ Обработка результатов, т.е. получение спектральных характеристик атмосферы, определение наличия и концентраций примесей по имеющимся в базе данных компьютера «спектральным портретам» молекул;

ѕ Управление системой наведения лидара на исследуемый объект.

В своем исследовании я решил подробно рассмотреть схемы объективов, используемых в различных лидарах.

В статье представлен общий обзор технологии лазерного сканирования объектов в пространстве, рассмотрены устройства, реализующие эту технологию и применяющиеся в мобильных робототехнических комплексах.

ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ LIDAR
Термин LIDAR (от англ. Light Detection and Ranging) относится к системам радиолокации, работающим в оптическом диапазоне и использующим в качестве источника излучения лазер. Часто в зарубежных источниках можно встретить аналогичные термины – LADAR (Laser Detection and Ranging) и Laser Radar. В мобильных наземных робототехнических комплексах и беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) эта технология играет очень важную роль: она используется для автоматического построения трёхмерной карты (сцены) окружающего пространства и пространственной ориентации аппарата. Существуют разные варианты систем LIDAR, но в общем случае все они включают следующие ключевые элементы, определяющие принцип работы системы: ● источник фотонов (чаще всего это лазер);
● детектор фотонов;
● тактирующая цепь;
● оптическая приёмопередающая часть .

Системы LIDAR времяпролётного типа (Time-of-Flight, ToF) используют короткие импульсы лазерного излучения, с высокой точностью фиксируя моменты их передачи и приёма откликов (отражённых сигналов), чтобы вычислить расстояния до объектов в окружающем пространстве или на поверхности земли (например, при топосъёмке с БПЛА). После объединения серии таких измерений с информацией о местоположении и ориентации аппарата, создаётся результирующая трёхмерная сцена интересующей области пространства. Чаще всего эта сцена сохраняется в виде массива координат (x, y, z), называемого облаком точек.

Несмотря на то, что существует множество устройств LIDAR для разных областей применения, все они состоят из похожего набора функциональных узлов (см. рис. 1), таких как:
● подсистема измерения расстояния (лазерный передатчик и приёмник);
● сканирующая подсистема;
● подсистема позиционирования и ориентации;
● система управления;
● хранилище данных.

ПОДСИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ
Принципиальные отличия отдельных устройств LIDAR заключаются в реализации функции измерения расстояния. Важнейший узел системы LIDAR – подсистема измерения расстояния – состоит, в свою очередь, из таких внутренних подсистем, как лазерный передатчик и электрооптический приёмник. Лазерный передатчик излучает энергию в виде сфокусированного луча, который до выхода из устройства про- ходит через ряд преобразовательных компонентов: переключатель приёмопередатчика, расширители луча, выходная телескопическая оптика и другое. В системе LIDAR могут использоваться различные типы лазеров, но чаще всего применяют твердотельный Nd:YAG-лазер, активной средой в котором выступает алюмо-иттриевый гранат (Y3Al5O12), легированный ионами неодима. Лазерные сканирующие дальномеры работают на различных длинах волн, но чаще других используются следующие:
● 1064 нм (ближний инфракрасный диапазон) – для топографических сканеров;
● 532 нм (зелёный) – для батиметрических (измеряющих глубину) сканеров;
● 600–1000 нм – для наземных устройств, предназначенных для коммерческого использования;
● ∼1500 нм – для наземных сканирующих систем, используемых в научных целях.

Выбор длины волны лазерного излучателя зависит от целого ряда факторов:
● отражающих свойств сканируемых объектов;
● характеристик окружающей среды;
● чувствительности используемого детектора;
● необходимой степени безопасности для глаз;
● требований к конструкции устройства.

Помимо длины волны излучения нужно также учитывать мощность лазера. Электрооптический приёмник получает энергию лазерного луча, отражённого или рассеянного целью, и фокусирует её на светочувствительном детекторе при помощи входной оптики.

Методы определения расстояния
Зафиксированные значения моментов передачи и приёма лазерного луча используются для расчёта времени, проведённого светом в пути, и, следовательно, расстояния до объекта, отразившего луч. В системе LIDAR обычно используется один из двух режимов, определяющих метод измерения расстояния: импульсный режим или режим непрерывной волны. В системах с импульсной модуляцией, также известных как время пролётные системы, лазером излучаются единичные световые импульсы с высокой частотой следования. Измеряется время, прошедшее c момента излучения импульсного сигнала до момента воз- врата отклика в приёмник. Расстояние до точки поверхности объекта, в которой произошло отражение лазерного луча, может быть вычислено по формуле: D = 0,5 × c × t, (1) где c – скорость света, t – полное время прохождения светом пути до точки отражения и обратно (раундтрип), D – искомое расстояние до точки отражения. В системах с непрерывной волной лазер излучает непрерывный сигнал, к которому затем применяется синусоидальная амплитудная модуляция. В этом случае время прохождения светом полного пути от передатчика до приёмника будет прямо пропорционально сдвигу фаз в излучённом и принятом сигналах: (2) где ϕ – фазовый сдвиг, T – период сигнала. После определения времени t про- хождения луча, расстояние D, как и в первом случае, вычисляется по формуле (1). Для снижения неопределённости может быть использована многотоновая синусоидальная модуляция. Также в системах с непрерывной волной используется альтернативный метод – с линейной частотной модуляцией. В таких системах переданный и принятый сигналы смешиваются, а для демодуляции и получения информации, содержащейся в несу- щей частоте, используется когерентный приёмник. Нужно отметить, что в уравнениях (1) и (2) предполагается, что детектор в течение времени t стационарен. Для случаев с передвигающимся детектором необходимо будет внести в уравнения соответствующие поправки.

Методы детекции
Обычно в системах LIDAR используется два способа детекции: прямая и когерентная. При прямой детекции приёмник преобразует сигнал непосредственно в напряжение или ток, который пропорционален входящей оптической мощности. Приёмники могут включать лавинные фотодиоды и фотоэлектронные умножители. LIDAR-детекторы также могут работать в режиме счёта фотонов. В этом режиме детектор способен регистрировать даже очень небольшое количество фотонов, а в режиме счётчика Гейгера становится чувствительным даже к отдельным фотонам. Электронная схема приёмника производит измерение генерируемого тока с поправкой на время пролёта фотонов в приёмнике, в результате чего получается прямое измерение момента приёма оптического отклика. При когерентной детекции полученный оптический сигнал смешивается с локальным осциллятором посредством гетеродина, и только после этого фокусируется на фоточувствительном элементе. При смешивании информация преобразуется в узкополосный сигнал, что снижает шум по сравнению с методом прямого детектирования, где используется оптический фильтр.

Бегущий луч и массив
Важно отметить, что описанные методы определения расстояния и способы детектирования требуют различной геометрии приёмников. В целом, большинство коммерческих систем LIDAR работают по принципу «бегущего луча», где для одного излучённого импульса фиксируется один или несколько (как правило, от 2 до 5) значений расстояния для оптических сигналов, вернувшихся вдоль одной и той же линии визирования (множественные возвраты). Для следующего импульса подсистема целеуказания изменяет направление линии визирования, и затем снова записывается несколько значений расстояния. Этот метод – метод точечного сканирования – обычно применяется в системах LIDAR, работающих в линейном режиме, при котором энергия лазера фокусируется на малой области исследуемой поверхности, и требуется достаточно сильный отражённый сигнал для записи отклика и расчёта дистанции. Однако существуют также системы LIDAR, которые используют лазерное излучение для засветки большой площади поверхности. При этом они оснащены покадровым матричным детектором с целью измерения значений расстояния для каждого пикселя в массиве. Этим системам с кадровой развёрткой требуется небольшая сила отражённо- го сигнала. Они записывают сотни или даже тысячи расстояний для излучённого импульса.

ПОДСИСТЕМА РАЗВЁРТКИ (СКАНИРОВАНИЯ)
В тех случаях, когда необходимо не просто определить расстояние до объекта, а сделать обзор целевой области, система LIDAR должна производить измерения во множестве точек. Для построения сцены целевой области пространства используется комбинация движения LIDAR-устройства в целом и работы подсистемы развёртки, через которую проходит излучаемый оптический сигнал. Распространённый вариант реализации подсистемы развёртки основан на использовании качающегося зеркала. Последовательное изменение направления линии визирования, вдоль которой излучается оптический сигнал, осуществляется с помощью подвижного зеркала. Это зеркало поворачивается на ограниченный угол (угол обзора) вокруг оси, лежащей на его плоскости и, как правило, параллельной направлению движения устройства. Качание зеркала позволяет сканировать целевую область пространства и формировать сцену нужной ширины, определяемой углом качания зеркала (см. рис. 2).

Подсистема на основе качающегося зеркала создаёт синусоидальную развёртку. При этом частота качания обратно пропорциональна задан- ному углу обзора (ширине сцены). Основной недостаток такого способа развёртки – непостоянная скорость движения зеркала. Дважды в течение рабочего цикла зеркало должно замедлиться, полностью остановиться, изменить направление движения на противоположное и вновь ускориться. В результате измерения, производимые с постоянной частотой, формируют сцену с неравномерной плотностью точек (меньше точек в середине полосы сканирования и больше по краям). Подсистема развёртки лазерного луча с помощью качающегося зеркала применяется, в частности, в лазерных сканерах фирм Leica и Optech . Альтернативный способ сканирования основан на использовании вращающейся призмы. В такой подсистеме развёртки многогранная призма с зеркальными гранями непрерывно вращается вокруг своей оси симметрии. Лазерный луч переходит от одной грани призмы к другой скачкообразно, в результате чего массив точек, формирующийся при движении устройства, состоит из ряда параллельных линий (см. рис. 3).

Этот вариант лишён недостатков качающегося зеркала, однако он сложнее в реализации и в том, что касается обработки результатов измерений. Системы LIDAR с вращающейся призмой производит австрийская фирма Riegl . Третий вариант подсистемы сканирования использует вращающееся зеркало. Ось вращения в этом варианте расположена почти перпендикулярно к поверхности зеркала (см. рис. 4).

За счёт отклонения поверхности зеркала от плоскости, перпендикулярной к оси вращения, формируется развёртка отражённого лазерного луча в виде эллиптической кривой. Преимущество метода заключается в том, что каждая точка пространства сканируется дважды. Вместе с тем эллиптическая развёртка значительно усложняет обработку результатов сканирования, так как обработка двойных измерений является весьма сложной задачей. Кроме того, поскольку точки в одной и той же области получены с разных позиций (так как система движется и меняет ориентацию в пространстве), полученное таким способом облако точек может содержать большое количество «шумов» . Примерами систем, использующих развёртку лазерного луча с помощью вращающегося зеркала, являются сканеры Leica AHAB DragonEye. В качестве альтернативы механической развёртке в настоящее время существует применяемая в некоторых системах LIDAR оптоволоконная подсистема для направления лазерного луча на целевую область. При таком способе достигается более стабильная геометрия сканирования, благодаря фиксированным связям между оптоволоконными каналами и другими оптическими каналами устройства. Лазерный луч направляется с помощью оптоволоконного пучка, а направление сканирования для каждого импульса зависит от того, из какого оптоволоконного канала он излучается. Подобная система пучков используется и в приёмной оптике (см. рис. 5).

ПОДСИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И ОРИЕНТАЦИИ
Для практического использования информации, получаемой с помощью сканирующих лазерных дальномеров, одного только массива значений расстояния от устройства до объектов и величин относительных углов сканирования недостаточно. Достоверность данных об окружающем пространстве (получаемых в виде трёхмерного облака точек или двумерного изображения с данными о расстояниях) может быть достигнута только при условии, что для каждой точки измеряются абсолютные значения положения и ориентации несущей платформы системы LIDAR в пространстве в момент приёма отклика от импульса. Для таких измерений используется подсистема ориентации и позиционирования. Эта подсистема включает в себя два основных компонента: приёмный модуль системы глобального позиционирования (ГЛОНАСС или GPS) и блок инерциальной навигации (IMU). Данные GPS-приёмника используются для записи местоположений несущей платформы в определённые моменты времени. Из множества существующих методов уточнения GPS-координат, в системах LIDAR, как правило, применяется дифференциальная постобработка сигнала со стационарной базовой станции или дифференциальные обновления в реальном времени. Для получения более точных наборов данных накладываются строгие ограничения на размещение базовой станции относительно платформы лазерного дальномера. Ориентация платформы измеряется при помощи блока инерциального измерительного устройства, в котором используются гироскопы и акселерометры. Данные GPS и IMU записываются во время движения плат- формы и объединяются (обычно во время шага постобработки данных).

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ (СИСТЕМНЫЙ КОНТРОЛЛЕР)
Для генерации облака точек все подсистемы, составляющие систему LIDAR, должны работать совместно. Качество полученных данных напрямую зависит не только от параметров каждой подсистемы, но и от взаимосогласованности их работы. Выставление параметров сенсоров и контроль работы подсистем осуществляет системный контроллер лазерного дальномера.

ХРАНИЛИЩЕ ДАННЫХ
Конечные данные LIDAR представляют собой файлы со значениями координат GPS и IMU, с измеренными значениями расстояний и иногда с информацией от других подсистем. Поскольку системы LIDAR могут генерировать очень большие объёмы данных, в системе предусмотрен накопитель, на который данные сохраняются сразу после сбора.

ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР: VELODYNE HDL-64E
В качестве примера рассмотрим устройство лазерного сканирующего дальномера высокого разрешения HDL-64E, производимого компанией Velodyne. Именно этот 64-лучевой LIDAR с трёхмерным сканированием установлен на беспилотные автомобили, разработанные компанией Google. Лазерный дальномер стал одним из ключевых компонентов, позволившим сделать автомобиль по-настоящему автономным.

Устройство Velodyne, установленное на крыше беспилотного автомобиля (см. рис. 6), генерирует подробную трёхмерную карту окружающего пространства. Бортовой компьютер объединяет данные измерений, полученных с LIDAR, с картами высокого раз- решения, формируя различные модели данных, которые позволяют роботизированному автомобилю передвигаться самостоятельно, избегая столкновений с препятствиями и не нарушая правил дорожного движения . Модель дальномера HDL-64E имеет 64 пары излучатель-детектор, которые обеспечивают наличие равноотстоящих секторных полей обзора по 26,5°. Для обеспечения 360-градусного обзора по азимуту весь оптический блок закреплён на вращающемся основании (см. рис. 7) и вращается с частотой 600 оборотов в минуту.

При необходимости эта частота регулируется в диапазоне 300…900 об/мин путём передачи простой текстовой команды через последовательный интерфейс. Этот же последовательный порт может быть использован для обновления прошивки сканера. Дальномер Velodyne обладает максимальным диапазоном измерения расстояния – до 120 м с погрешностью не более 2 см . Независимо от частоты вращения оптического блока, устройство постоянно генерирует большой объём данных – 1 млн точек в секунду, что соответствует горизонтальному угловому разрешению 0,05°. Устройство статически и динами- чески сбалансировано, что сводит к минимуму воздействие вибрации и обеспечивает стабильное изображение сцены. Каждый лазер дальномера HDL-64E излучает оптический импульс продолжительностью 5 нс (на уровне 50% амплитуды с максимальной пиковой мощностью 60 Вт). Высокое напряжение, необходимое для создания пикового тока в излучателе на уровне 30 А, генерируется схемой обратноходового преобразователя, что позволяет использовать для питания лазерной установки низкие напряжения. Выход- ной лазерный луч фокусируется линза- ми. При попадании на цель часть излучения отражается обратно в направлении источника. Этот отражённый свет проходит через отдельную систему линз и УФ-фильтр, необходимый для снижения фоновой оптической засветки (увеличения отношения сигнал/шум). Линзы приёмной системы фокусируют отражённое излучение на лавинный фотодиод, генерирующий электрический сигнал, пропорциональный интенсивности оптического. Лазер и лавинный фотодиод юстируются на заводе-изготовителе для обеспечения максимальной чувствительности при минимизации перекрёстных сигнальных помех, образуя, таким образом, наиболее эффективную пару излучатель-детектор. В соответствии с силой отражённого сигнала, детектируемого лавинным фотодиодом и схемой усилителя, система изменяет амплитуду лазерного импульса, поддерживая минимальный необходимый уровень излучения. Эта автоматическая подстройка мощности лазера, во-первых, снижает нагрев оптического блока и повышает его надёжность, а во-вторых, не даёт детекторам войти в режим насыщения. В противном случае, при получении детектором слишком большого количества оптической энергии, наступал бы режим насыщения, для выхода из которого детектору требуется значительное время (если оно превышает период следования импульсов, это неизбежно приводит к искажению детектируемого сигнала). В-третьих, если уровень сигнала сопоставим с шумом, что усложняет его детектирование, система автоматически повышает уровень мощности лазерного излучения. Это может происходить, например, в случае приближения к порогу чувствительности (120 м) или при слабом отражении от чёрной матовой поверхности. Выходной сигнал усиливается и передаётся на аналого-цифровой преобразователь с частотой дискре- тизации 3 ГГц. Затем оцифрованный сигнал с детектора передаётся в циф- ровой сигнальный процессор (DSP), использующий собственный алго- ритм анализа данных и определения времени возврата сигнала. Использо- вание коротких оптических импуль- сов в сочетании с высокочастотной обработкой сигнала обеспечивают большую разрешающую способность системы. Пары излучатель-детектор поделены на две группы по 32 лазера. Одна группа расположена в верхней части модуля и направлена на верхнюю половину поля обзора, а вторая группа, находящаяся под первой, направлена на нижнюю половину поля обзора. Поскольку верхний оптический блок предназначен для измерения бо′льших расстояний, угловое расстояние между оптическими импульсами у него больше, чем в нижнем блоке, который проводит измерения на более коротких дистанциях. Устройство предоставляет данные пользователю через стандартный порт 100BaseT Ethernet. Информация непрерывно передаётся в виде кадров. Частота генерации кадров равна часто- те вращения оптического блока (при 600 об/мин – 10 Гц). Объём данных, переданных за секунду, может содержать более миллиона точек. В пакетах данных содержится информация о расстоянии и интенсивности излучения для каждой пары излучатель-детектор, а также соответствующая угловая координата. Эти данные могут быть собраны с помощью стандартной утилиты сбора Ethernet-пакетов, например Wireshark , и визуализированы в компьютерной программе, такой как Velodyne Digital Sensor Recorder. Также полученные данные могут быть обработаны автономной навигационной системой для создания оценочной кар- ты, которая затем может использоваться для выявления препятствий, поиска оптимального маршрута и, в конечном итоге, для вычислений, связанных с рулевым управлением, торможением и ускорением. На рисунке 8 показан пример кадра данных с устройства HDL-64E, полученного при помощи приложения Velodyne Digital Sensor Recorder. Вблизи центра изображения различима белая точка, указывающая на положение сенсора. Для каждой пары излучатель-детектор сгенерированное облако точек представлено отдельным цветом. Пространственное представление данных формируется объединением двухмерных облаков точек. При вращении модуля набор точек от одной пары излучатель-детектор образует на ровной поверхности непрерывную окружность. Приведённый пример относится к варианту установки дальномера на крыше кабины грузовика, поэтому на изображении ниже белой точки имеется тёмная область – кузов. Как видно на рисунке, впереди грузовика находятся два транспортных средства: другой грузовик, пытающийся повернуть налево, и легковой автомобиль, пересекающий перекрёсток. Кроме того, позади легкового автомобиля на изображении видны дорожное ограждение, земля и деревья. Слева и справа от сенсора видны волнистые области, соответствующие дорожному ограждению и тротуару и выделяющие проезжую часть в поле зрения. Вдоль троту- ара различим кустарник. Полученные данные также позволяют определить дорожную ситуацию позади сенсора – на изображении имеется транс- портное средство, находящееся за грузовиком. Важно, что в любом из облаков точек нет разрывов в круговых данных (вокруг грузовика). Этот факт показывает, что частоты следования лазерных импульсов для верхнего и нижнего блоков дальномера сконфигурированы правильно. Если бы частота следования импульсов была ниже, чем требуется, то каждая из окружностей состояла бы из пунктирных линий. Пустые области на изображении возникают из-за находящихся на оптическом пути препятствий, не позволяющих получить данные о пространстве за ними (эффект затенения). Например, так возникает чёрная полоса позади кузова грузовика. Следует отметить, что устройство LIDAR также может быть установлено под углом 90° к вертикальной оси для изменения области обзора. Такая схема установки может быть использована в геодезических и картографических приложениях. Рассмотренный лазерный дальномер Velodyne HDL-64E относится к классу 1M, то есть считается безопасным для глаз. Сенсор помещён в водонепроницаемый корпус, сохраняет работоспособность при экстремальных темпера- турах и оптимален для использования в автомобилях. Основные технические характеристики устройства приведены в таблице.

Сбрасывание пароля администратора без использования установочного диска в Mac OS X

Простые способы, как перекинуть фото с телефона на компьютер

Что делать если продавец алиэкспресс продлил срок защиты покупателя Продление защиты покупателя на aliexpress

Apple Music, бесплатная подписка для учащихся и студентов