Статья на тему Лидары: принцип действия и применения.

Фрагмент текста работы:

ЛИДАРЫ: ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ

Оптический датчик либо, иначе говоря, лидар (Light Detection and Ranging) подразумевает собой специальный фотоэлектрический датчик для измерения дистанции и обнаружения объектов, световое обнаружение и идентификация дальности. Основой работы рассматриваемого датчика выступают электромагнитные волны (инфракрасные), с помощью которых он определяет расстояние до объекта.
Суть рассматриваемой технологии состоит в получении и обработке данных о разнообразных удаленных объектах благодаря оптической системе. Специальный локатор применяет свойство света отражаться и рассеиваться исходя из уровня прозрачности среды. Таким образом, данный прибор имеет возможность получать информацию о твердых предметах и о жидкости.
Преимуществами лидаров прежде всего являются следующие: когерентность излучения; мгновенная мощность луча; малые потери, определенные короткой длиной волны. В совокупности представленные характеристики позволили данным устройствам стать основными при анализе среды на расстоянии до нескольких километров.
В ходе работы отражаясь от каких-либо поверхностей лазерный луч, возвращается к устройству и фиксируется фотоприемником. Его частота может достигать 150 тыс. импульсов в сек. Данный аппарат отмечает время прохождения сигнала, на основе чего определяет координаты предмета в пространстве, такие как размеры и удаленность, а также геометрические особенности и прочие. В конечном счете собирается общая информация о цели исследования в качестве набора трёхмерных точек [2].
На сегодняшний день Lidar производится в следующих видах:
— микроимпульсные, которые имеют малую мощность и разрешены к применению без потребности следованию особенным мерам безопасности;
— устройства с высокой энергией излучения, которые предопределены для исследования атмосферы. Они устанавливают влажность; характеристику облаков; силу ветра; атмосферное давление; содержание газов в воздухе.
Независимо от устройства принцип действия лидар базируется на использовании одних и тех же систем. В лазерном дальномере применяются различные типы лазера. Применяемые длины волн: топографические сканеры – 1064 нм; батиметрические – 532 нм; наземные коммерческие приборы – 600-1000 нм; наземное научное оборудование – 1500 нм. Указанные значения подбираются, принимая во внимание следующие факторы: чувствительность детектора; свойства окружающей среды; отражающая способность изучаемых мест; конструктивные требования к технике; допустимая степень безопасности излучения для зрения.
Устройство лидара (оптического датчика) своеобразно, и, по сути, напоминает электронную схему, собранную в едином элементе. Среди главных деталей лидара принято выделять модулятор; передатчик; приемник; специальный оптический элемент; усилитель; микропроцессор для обработки данных; аналого-цифровой преобразователь сигналов. Каждый из данных элементов выполняет весьма важную роль в механизме лидара.
Главную роль и все начало работы берется с диода, передающего инфракрасное излучение (луч), интенсивность которого в случае потребности изменяется с помощью модулятора. В свою очередь в зависимости от типа модуляции, принято различать следующие типы лидаров: импульсного и непрерывного действия. Однако, специалисты полагают, что лидар непрерывного типа устаревает, таким образом, уступая более передовому импульсному оптическому датчику. Чтобы увеличить эффективность оптического датчика на основе импульсного метода работы, инженеры одновременно начали применять несколько импульсов для передачи, таким образом, сделав технологию многоимпульсной [4].
Не менее значимым выступает оптический элемент, через который проходят импульсы. Миновав оптический элемент, световой импульс попадает на фотодиод, с помощью которого он преобразуется в электрический сигнал для распознавания иными элементами. Следующий в данном процессе лидара находится АЦП или, другими словами, аналого-цифровой преобразователь. С его помощью электрический сигнал с фотодиода преобразуется в цифровой сигнал. Завершающий этап в работе оптического датчика — обработка полученного цифрового сигнала микропроцессором, который передает блоку управления информацию, которую считал лидар.
Для установления обзора цели измеряется множество точек. Так, методами функционирования сканирующего лидара выступают следующие:
— качающееся зеркало – благодаря изменению положения зеркала вокруг своей оси имеется возможность отсканировать необходимую область и получить трехмерные данные;
— вращающаяся призма – более совершенный метод, в котором исключен изъян зеркала в качестве непостоянной скорости движения. В данном случае луч скачет по граням призмы и создает ряды точек;
— вращающееся зеркало – развертка формируется в качестве эллиптической кривой, при этом каждая точка сканируется 2 раза;
— оптоволоконная подсистема – в отличие от приведенных механических методов данный способ обеспечивает более стабильную геометрию сканирования, так как между оптическими каналами оборудования и оптоволокном связи являются фиксированными.
Подсистема необходима, чтобы для каждой точки измерялось абсолютное значение ее положения в пространстве. Таким образом достигается высокая достоверность измерений, которая применяется в дальнейшем на практике. Все компоненты lidar должны работать слаженно, чтобы генерировать облака точек. Для указанного применяется система управления, которая выставляет параметры сенсоров и контролирует работу всех элементов [1].
Результаты исследований подразумевают собой файлы с координатами и дополнительной информацией. Техника может генерировать