| Повече ▼

Какво е NIR LiDAR?

Какво е NIR LiDAR?


Могат ли сензорите LiDAR да събират данни за близо инфрачервени лъчи (NIR) едновременно или трябва да има отделна NIR камера, която да се комбинира с данните от LiDAR след събирането?

Blue Marble го препраща в последната си версия на глобален картограф: http://www.directionsmag.com/pressreleases/updated-global-mapper-lidar-module-now-supports-nir-lidar-data/444480


Простият отговор е, че сензорите на лидар, съчетани с NIR камери, могат да събират данни от облака от точки, които след това могат да имат вградени стойности на NIR, по същия начин, по който RGB стойностите могат да бъдат присвоени на данните от облака от точки, събрани със снимки с висока разделителна способност.


Сензорите LiDAR не са "свързани" с NIR сензори. Повечето устройства LiDAR са NIR сензори. LiDAR работи, като излъчва импулс на ЛАЗЕРЕН лъч с една дължина на вълната и измерва времето на пътуване, когато импулсът се върне към него. Приемният сензор може да измери интензитета на едно или няколко връщане за всеки импулс. Топографският LiDAR използва дължината на вълната в NIR (през повечето време 1550 или 1064 nm) от съображения за безопасност на очите. Батиметричните LiDAR използват зелено (532 nm), за да намалят абсорбцията от вода, но това може да причини проблеми с безопасността на очите.

Стойностите на интензитета обикновено се съхраняват в необработените файлове като пълна форма на вълната или само за основните връщания. Заслужава да се отбележи, че NIR стойността, съхранявана при еднократно връщане, идва от част от излъчения сигнал, ако един и същ импулс има няколко връщания. Следователно интерпретирането на интензитета на множество възвръщаемости като стойност на отражение на наблюдаваната повърхност е сложно, тъй като площта на повърхността, допринасяща за това връщане, е неизвестна.

Разбира се, възможно е да се носят други сензори в самолета, оборудван с LiDAR (например мултиспектрален сензор), за да се присвоят други спектрални вули към облака от точки. Но след това имате повече контракти по време на полет (мултиспектралните сензори са пасивни, така че не можете да ги използвате през нощта).


Какво представлява системата LIDAR?

Днес геолозите използват нова технология, по -специално механизмът за откриване и обхващане на светлината (LIDAR), метод за дистанционно наблюдение за изследване на повърхността на Земята.

Процесът, използван от LIDAR, използва светлина под формата на импулсен лазер, който е в състояние да измерва обхвати или променливи разстояния до Земята. Комбинацията от светлинни импулси и други записани данни чрез бордова система ще може да генерира триизмерна информация за повърхността на Земята и нейните характеристики.

Инструментът LIDAR включва:

Два вида LIDAR:

  • Батиметричен-Този тип LIDAR използва проникваща във водата зелена светлина за измерване на речните корита и котите на морското дъно.
  • Топографски-Това обикновено картографира земята с помощта на близо инфрачервен лазер.

Професионалистите в областта на картографирането и учените могат да изследват както създадената от човека, така и естествената среда чрез системите LIDAR, за да постигнат точни, гъвкави и прецизни резултати. Учените от Националната администрация на океаните и атмосферата използват LIDAR, за да могат да произвеждат по -точни карти на бреговата линия, да подпомагат операциите за реагиране при аварийни ситуации, да правят цифрови модели на кота за географски информационни системи и много други съответни приложения.

Но LIDAR не е ограничен само в географията, тъй като учените успяха да използват тази технология за откриване на ъгъл, разстояние и скорост с висока точност. По принцип LIDAR е в състояние да класифицира обекти, да открива маркировки на лентата и може също да се използва за по -точно позициониране на автономно превозно средство.

Сензорен механизъм

LIDAR е критичен сензорен механизъм, който би позволил автономни превозни средства. Автомобилните производители вече са разработили и пуснали на пазара следващото поколение LIDAR системи за автомобилни приложения.

Има редица технологии, които идват и си отиват, но въпросът е коя би била подходяща за бъдещето? Най -вероятният вариант е използването на компютърни чипове, за да могат да се обработват изображения с по -висока разделителна способност. По този начин тя би осигурила по -голяма точност, по -специално създаването на системи за машинно виждане за шофиране.

Това може да стане възможно със създаването на персонализиран ASIC (специфична за приложението интегрална схема), процесор, оптимизиран за машинно виждане. Всъщност израелска компания вече е направила четири поколения от този чип, за да го направи по -добър.

LIDAR ASICs

Като цяло ASIC се използват широко в много приложения, включително автоматичен контрол на емисиите, мониторинг на околната среда и други мобилни джаджи. Всъщност ASIC може да бъде създаден по поръчка за конкретно клиентско приложение или специално приложение.

В днешно време следващото поколение LIDAR ASIC и системи са разработени и комерсиализирани за автомобилни приложения. Това може да стане с помощта на мащабируем автоматичен LIDAR сензор, основна 3D софтуерна технология и патентован LIDAR ASIC двигател.

Според експерти първото приложение ще бъде така нареченият сегмент RoboTaxi, който ще използва търговски и технически интерфейс към клиентите. Това обаче е в центъра на противоречията поради неговата цена.

Персонализирани ASIC

Разработването на персонализирани ASIC -и е от ключово значение за пробив в производителността и цената. Ето защо се прогнозира, че тази технология може да не бъде пусната до 2020 г. Хубавото обаче е, че тази технология е разработена и тествана многократно за постигане на осъществими резултати. Кой знае, след няколко години LIDAR ASIC ще бъде технология, използвана в автомобили и други превозни средства, без които хората трудно могат да живеят.

Linear MicroSystems, Inc. с гордост предлага своите услуги в цял свят, както и в околните райони и градове около централата ни в Ървайн, Калифорния: Мисия Viejo, Laguna Niguel, Huntington Beach, Santa Ana, Fountain Valley, Anaheim, Orange County, Fullerton и Los Angeles.


Какви са различните видове LiDAR?

Quanergy предлага високопроизводителни 3D LiDAR сензори и софтуер за възприемане на AI, който подобрява безопасността, ефективността и производителността, като същевременно намалява разходите на голямо разнообразие от пазари и приложения.

Нашите патентовани сензори LiDAR от серия М се отличават с висока резолюция, 360-градусово зрително поле за генериране на богати 3D облаци от точки в реално време на дълги разстояния. Тези рентабилни сензори LiDAR с висока разделителна способност са надеждно и надеждно решение за най-предизвикателните приложения в реалния свят, които изискват най-широкото зрително поле и най-дългия обхват.

Изградени на базата на технологията Optical Phased Array (OPA), нашата серия S е истински 100% CMOS твърдотел LiDAR сензори, които осигуряват най-високо ниво на надеждност, дълголетие и рентабилност в ултра компактно устройство-достатъчно малко, за да се побере в длан на ръката си. Благодарение на технологията OPA, Quanergy S серия не разполага с движещи се части в макро или микроскопичен мащаб. Това гарантира висока устойчивост на вибрации и осигурява повече от 100 000 часа средно време между повредата (MBTF). Достъпният, мащабируем CMOS силициев процес позволява масово производство и водеща в индустрията икономия на разходи.


Компоненти на системата LIDAR

  1. Сензори LIDAR: Той задейства лазерните импулси, докато сканира земята от една страна на друга.
  2. Система за позициониране и навигация:GPS приемниците проследяват височината и точното местоположение на самолета. Инерционните измервателни единици или IMU проследяват наклона на самолета, докато лети и задейства импулсите. Изчисленията на котата се правят с помощта на наклона на равнината за измерване на ъгъла на падане на импулса.
  3. Скенери:Качеството и скоростта на изображението, което се развива, зависи от скоростта, с която се сканират. Скенерът включва двойно осцилиращи равнинни огледала и комбинация с многоъгълно огледало и двуосен скенер. Сплитер на лъч се използва за приемане на обратния сигнал. Качеството на използвания оптичен избор определя ъгловата разделителна способност и обхват, които могат да бъдат открити.
  4. Компютри:Всички събрани данни се записват и преобразуват в изображения.

Демистифициране на LiDAR

Има различни видове LiDAR. Тези, които участват в автомобилната индустрия, трябва да са наясно с относителните силни и слаби страни на всяка от тях.

Широко признато е, че усъвършенстваните системи за подпомагане на водача (ADAS) и автономното шофиране (AD) могат да бъдат успешни с ефективно отчитане на околната среда, обграждаща превозното средство, в алгоритми, позволяващи автономна навигация. Като се има предвид абсолютната зависимост от чувствителността в критични за живота ситуации, се използват множество сензорни модалности, като данните се обединяват, за да се допълнят взаимно и да осигурят резервиране. Това позволява на всяка технология да играе със своите силни страни и да предлага по-добре комбинирано решение.

Трите модалности, които ще бъдат забележими за сензора, използван в превозни средства за ADAS и AD занапред, са сензори за изображения, радар и LiDAR (Light Detection and Ranging). Всеки от тези сензори има свои собствени силни страни и заедно те могат да включват пълен набор от сензори, доставящи данни, които позволяват на автономните възприемащи алгоритми да вземат решения със сливане на сензори - способността да се осигури цвят, интензивност, скорост и дълбочина за всяка точка или ядро ​​в сцената.

Фигура 1: Сливането на сензора се възползва от силните страни на всяка модалност, за да предостави пълна информация за околностите на превозното средство.

От тези три основни начина, LiDAR е най-зараждащата се технология, която се комерсиализира за използване на масовия пазар, въпреки че концепцията за използване на светлина за измерване на разстоянието датира от десетилетия. Пазарът на автомобилни LiDAR ще покаже впечатляващ ръст от 39 милиона долара през 2020 г. до прогнозираните 1,75 милиарда долара през 2025 г., според Yole Développement, воден от разпространението на автономни системи, изискващи пълния набор от сензори. Възможността е толкова голяма, че над 100 компании работят върху технологията LiDAR, като кумулативните инвестиции в тези компании надхвърлят 1,5 милиарда долара до 2020 г.-и това беше преди потопа на първоначалните публични оферти, управлявани от SPAC, от повече от шепа Компаниите на LiDAR, които започнаха в края на 2020 г. Но когато има толкова много компании, работещи по една технология - някои от които са коренно различни, като например използваната дължина на вълната на светлината (видни примери са 905nm и 1550nm) - t е неизбежно, че ще има да бъде печеливша технология и консолидация, както се виждаше отново и отново, независимо дали е Ethernet за работа в мрежа или VHS за видео.

Когато погледнем потребителите на технологията LiDAR - производителите на автомобилни превозни средства, заедно с компаниите, които проектират и произвеждат автономни роботизирани превозни средства за превоз на хора и товари - най -важното в съзнанието им са техните изисквания. В крайна сметка тези компании искат доставчиците да им предоставят сензори LiDAR, които са евтини с висока степен на надеждност, като същевременно отговарят на спецификациите на производителността при измерване и откриване на обекти с ниска отразяваща способност. Въпреки че всички инженери имат силна гледна точка, тези компании вероятно ще бъдат агностици по отношение на внедряването на технологията, ако доставчикът може да отговори на изискванията за производителност и надеждност на правилната цена. И това води до фундаменталния дебат, който тази статия има за цел да помогне за установяването: Коя дължина на вълната ще преобладава за автомобилните LiDAR приложения?

Преглед на LiDAR
За да започнем да разглеждаме този въпрос, е необходимо да разберем анатомията на LiDAR система, за която има различни архитектури. Кохерентният LiDAR, тип, който се нарича честотно модулирана непрекъсната вълна (FMCW), смесва предавания лазерен сигнал с отразена светлина, за да изчисли обхвата и скоростта на обектите. FMCW предлага някои предимства, но остава сравнително необичаен в сравнение с най-често срещания подход LiDAR, директен LiDAR по време на полет (dToF). Това изпълнение измерва разстоянието до обект, като определя времето, необходимо за много кратък светлинен импулс, изпратен от източник на осветление, да се отрази от обект и да се върне, за да бъде открит от сензора. Той използва скоростта на светлината, за да директно изчислете разстоянието до обекта, като използвате простата математическа формула, свързваща времето, скоростта и разстоянието. Типична система dToF LiDAR има шест основни хардуерни функции, въпреки че изборът на дължина на вълната влияе най -вече на функциите за предаване и приемане.

Фигура 2: Блокова диаграма на типична dToF система със зелени части, представляващи някои области на фокус на продуктите ON Semiconductor.

Таблица 1 показва списък на различните производители на LiDAR, които варират от известни автомобилни Tier-1 до стартиращи фирми във всички региони на света. Въз основа на пазарни доклади и публична информация, по-голямата част от тези компании управляват своите LiDAR при близки до инфрачервените (NIR) дължини на вълните, за разлика от късо вълновите инфрачервени (SWIR) дължини на вълните. Освен това, докато доставчиците, фокусирани върху SWIR, работещи върху FMCW, са ограничени до тези дължини на вълните, повечето от тези с директно изпълнение на времето на полета имат път към създаването на система с дължини на вълните NIR, ако избират, като същевременно могат да използват много от съществуващите им IP около функции като управление на лъча и обработка на сигнал.

Таблица 1: Списък на производителите на LiDAR, които работят с дължини на вълните NIR и SWIR. Не е изчерпателен списък. (Източник на изображението: Yole, IHS Markit и публично оповестяване)

Като се има предвид, че по -голямата част, но не всички, от тези производители са избрали дължини на вълните NIR, как трябва да се вземе това решение и какви са последиците от това. В основата на дискусията е основна физика, свързана със свойствата на светлината и полупроводниковите материали, съставляващи компонентите, използвани в LiDAR.

Фотоните, изстреляни от лазера в система LiDAR, които са предназначени да отскачат от обектите и да бъдат получени от детектора, трябва да се конкурират с околните фотони, идващи от слънцето. Разглеждайки спектъра на слънчевата радиация и вземайки предвид атмосферното поглъщане, има „спадове“ в облъчването при определени дължини на вълните, които биха намалили количеството фотони, съществуващи като шум за системата. При 905nm има около 3 пъти по -голямо количество слънчева радиация, отколкото при 1550nm, което означава, че NIR системата трябва да се бори с повече шум, който може да попречи на сензора. Но това е само един от факторите, които трябва да се вземат предвид при избора на дължина на вълната за LiDAR система.

Фигура 3: Атмосферното поглъщане на светлината води до ясни пикове.

Сензори
Компонентите, отговорни за усещането на фотоните в системата LiDAR, са различни видове фотодетектори, така че е важно да се обясни защо те могат да бъдат съставени от различни полупроводникови материали в зависимост от дължината на вълната, която трябва да бъде открита. В полупроводника лентовата междина разделя валентната и проводимостта. Фотоните осигуряват енергията, за да помогнат на електроните да преодолеят тази лентова зона и да направят полупроводника проводим, като по този начин създават фототок. Енергията на всеки фотон е свързана с дължината на вълната, а междинната зона на полупроводника е свързана с неговата чувствителност - затова са необходими различни полупроводникови материали в зависимост от дължината на вълната на светлината, която трябва да бъде открита. Силицийът, който е най -често срещаният и най -евтиният полупроводник за производство, реагира на видими и NIR дължини на вълните до около 1000 nm. За да се открият дължини на вълните извън тази в обхвата на SWIR, може да се направи легиране на по -екзотични полупроводници от група III/V, за да се направят материали като InGaAs, способни да откриват тези дължини на вълната на светлината, от 1000nm до 2500nm.

Ранните LiDAR използваха PIN фотодиоди като сензори. PIN фотодиодите нямат присъщо усилване и в резултат на това не могат лесно да откриват слаби сигнали. Лавиновите фотодиоди (APDs) са най -известният тип сензор, използван днес в LiDAR, и осигуряват умерено количество печалба. Въпреки това, APD също трябва да работят в линеен режим като PIN фотодиоди, за да интегрират сигнал от пристигането на фотони и също така страдат от лоша еднородност на частите, като същевременно изискват много високи напрежения на отклонение. Най -новите видове сензори, които се използват все по -често в LiDAR, са изградени върху единични фотонни лавинови диоди (SPAD), които имат много голяма печалба и са в състояние да произвеждат измерим токов изход от всеки открит фотон. Силиконовите фотоумножители (SiPM) са масиви от силициеви SPAD, които идват с допълнителното предимство, че могат да разграничават единични фотони от множество фотони, като гледат амплитудата на генерирания сигнал.

Фигура 4: Различни видове фотодетектори, използвани за откриване на сигнали в LiDAR

Връщайки се към значението на темата за дължините на вълните, всички тези видове фотодетектори могат да бъдат изградени върху силиций (за откриване на NIR) или полупроводници III/V (за откриване на SWIR). От друга страна, производителността и цената са ключови за жизнеспособността на технологията, а CMOS силиконовите леярства позволяват високоефективно и евтино производство на такива сензори. Това е основната причина, поради която SiPM все повече се възприемат за LiDAR, освен че позволяват по -висока производителност. Докато съществуват APD и SPAD за SWIR, е трудно да се интегрират с логика за четене поради факта, че процесите не са базирани на силиций. И накрая, базирани на III/V SPAD масиви и фотоумножители (аналогични на SiPM) за SWIR все още не са комерсиализирани, така че наличността на екосистемата благоприятства дължините на вълните на NIR.

Лазери
Генерирането на фотони включва напълно различен процес. Полупроводников p-n преход като усилваща среда може да се използва за направата на лазер, това става чрез изпомпване на ток през кръстовището, причинявайки резонансното излъчване на фотони, когато атомите преминават към по-ниски енергийни ленти, което води до кохерентен изход на лазерен лъч. Полупроводниковите лазери се основават на материали с директна лента, като GaAs и InP, които са ефективни за генерирането на фотони, което се случва, когато атомите отиват в по -ниска енергийна лента, за разлика от материалите с непряка лента, като силиций.

Има два основни типа лазери, използвани в LiDAR: лазер с излъчване на ръбове (EEL) и вертикален излъчващ повърхност лазер (VCSEL). EEL са по -широко използвани днес, поради по -ниската си цена и по -високата ефективност на изход от VCSEL. Те са по -трудни за пакетиране и вграждане в масиви, а също така страдат от изместване на дължината на вълната през температурата, което кара детекторите да трябва да търсят по -широка лента от дължини на вълните на фотоните, което позволява да се открият и повече околни фотони като шум. Въпреки по -високите разходи и по -ниската енергийна ефективност, по -новата технология VCSEL има предимството на лесно и ефективно опаковане, тъй като лъчът се генерира отгоре. Приемането на VCSEL на пазара се увеличава, тъй като разходите му ще продължат да намаляват значително и енергийната ефективност ще се подобри. EEL и VCSEL съществуват както за генериране на дължина на вълната NIR, така и за SWIR, с ключова разлика - дължините на вълните NIR могат да бъдат генерирани с GaAs, докато дължините на вълните SWIR изискват използването на InGaAsP. GaAs лазерите могат да използват леярни с по -големи размери, което води до по -ниски разходи, което отново показва предимство за екосистемата на производителите на NIR LiDAR както от гледна точка на разходите, така и от гледна точка на сигурността на веригата за доставки.

Фигура 5: Различни видове лазери, използвани в LiDAR.

Лазерна мощност и безопасност на очите
Докато се говори за дебат за дължината на вълната, е наложително да се разгледат последиците за безопасността на очите на системата LiDAR. Концепцията на dToF LiDAR включва използването на къси лазерни импулси с висока пикова мощност под определен ъгъл на видимост, които да бъдат излъчвани към сцената. Пешеходец, застанал на пътя на излъчващия път на LiDAR, трябва да бъде сигурен, че очите им няма да бъдат повредени от лазер, изстрелян в тяхна посока, а IEC-60825 е спецификация, която диктува колко е максимално допустимата експозиция в различните дължини на вълните на светлината. Докато NIR светлината, подобна на видимата светлина, може да премине през роговицата и да достигне до ретината в човешкото око, светлината SWIR се абсорбира най -вече в роговицата и в резултат на това може да бъде изложена на по -високи нива.

Фигура 6: Спецификация IEC-60825 за безопасно за очите излагане на лазер.

Възможността за извеждане на няколко порядъка с по-голяма мощност на лазера е предимство за 1550nm-базирана система от гледна точка на производителността, тъй като позволява повече фотони да бъдат изпратени и по този начин да бъдат върнати за откриване. По -високите мощности на лазера обаче идват и с термичен компромис. Трябва да се отбележи, че правилното проектиране, безопасно за очите, трябва да бъде направено независимо от дължината на вълната, като ясно се вземе предвид енергията на импулс и размерът на лазерния отвор. С LiDAR, базиран на 905 nm, пиковата мощност може да бъде увеличена от някой от тези фактори, както е показано на фигура 7.

Фигура 7: Безопасен за очите лазерен дизайн за NIR LiDAR при различни оптики и лазерни параметри.

Сравнение на системите NIR и SWIR LiDAR
Горният фокус върху количеството лазерна мощност, която може да бъде изведена, ни връща към използваните сензори. Сензор с по-висока производителност, който е в състояние да открива по-слаби сигнали, очевидно ще бъде от полза за системата по много начини-като може да постигне по-голям обхват или да може да използва по-малка мощност на лазера за постигане на същия обхват. ON Semiconductor е разработил поредица от SiPM за NIR LiDAR, задвижващи ефективността на откриване на фотони (PDE)-ключов параметър, показващ чувствителността-до водещите на пазара 18% с най-новите си сензори RDM.

Фигура 8: Пътна карта на процеса на полупроводникови SiPM.

За да сравним производителността на NIR dToF LiDAR с SWIR dToF LiDAR, ние извършихме системно моделиране за идентични LiDAR архитектури и условия на околната среда с различни параметри за лазерите и сензорите. Архитектурата на LiDAR е коаксиална система с 16-канален детекторен масив и сканиращ механизъм за разпространение в зрителното поле, както е показано на Фигура 10. Този модел на системата е валидиран с хардуер и ни позволява да преценим точно работата на LiDAR системи.

Фигура 9: Системен модел за dToF сензор LiDAR. Таблица 2: Параметри на сензора и лазера на LiDAR за симулация на модел на системата NIR и SWIR.

1550nm системата използва по-голямо количество лазерна мощност, както и по-висок PDE сензор, благодарение на използването на InGaAs сплави с високо съдържание на PDE, което би трябвало да даде по-добри характеристики при нашата симулация на системата. Използвайки параметрите на системно ниво на 100klux околна светлина, филтрирана от 50 nm честотна лента върху сензорния обектив (центрирана съответно около 905nm и 1550nm), ъгъл на видимост 0,1 ° x 5 °, сканиран над 80 ° хоризонтално при 30 кадъра в секунда, честота на лазерно повторение 500 kHz с 1ns ширина на импулса и 22 мм диаметър на обектива, резултатите са показани на фигура 10.

Фигура 10: Резултати от симулация за подобни LiDAR системи, базирани на 905nm и 1550nm.

Както се очакваше, 1550nm системата е в състояние да обхване по-далеч за обект с ниска отразяваща способност, издигайки до 500m с 99% вероятност за диапазон. Въпреки това, системата, базирана на 905nm, все още постига над 200 м обхват, показвайки, че и двата типа системи могат да постигнат автомобилни изисквания за LiDAR на дълги разстояния при типични условия на околната среда. Когато се въведат лоши условия на околната среда като дъжд или мъгла, водопоглъщащите свойства на светлината SWIR карат нейните характеристики да се влошават по-бързо от системата, базирана на NIR, което е друг фактор, който трябва да се вземе предвид.

Съображения за разходите
След като разгледахме подробно технологията зад LiDAR системите, както и последиците от използването на различни дължини на вълните, сега се връщаме към фактора съображения за разходите. По-рано обяснихме, че сензорите, използвани за NIR-базирани LiDAR, идват от естествени CMOS процеси на леене на силиций, които позволяват възможно най-ниската цена за полупроводниците. В допълнение, те също така дават възможност за интегриране на логиката за отчитане на CMOS със сензора в един чип чрез използване на технология за подреждане, която е лесно достъпна в леярните днес, което допълнително свива веригата на сигналите и намалява разходите. Обратно, сензорите SWIR използват III/V полупроводникови леярни като InGaAs, които са по-скъпи и нова хибридна Ge-Si технология-която може да позволи по-евтини SWIR сензори-което прави интеграцията с логиката за четене по-лесна, но все още се оценява на повече от 5 пъти по-скъпи от традиционния CMOS силиций дори след достигане на зрялост. От страна на лазера, разликата в размера на вафлите между пластините GaAs, използвани за направата на лазерни чипове в NIR системи, спрямо пластините InGaAs, използвани за направата на лазерни чипове в системите SWIR, отново води до различие в разходите и факта, че системите NIR имат път към използване на VCSEL с много по-лесно достъпна база от доставчици също позволява интеграция на по-ниски разходи.

Общата сума на горните фактори доведе до анализ, направен от IHS Markit (Amsrud, 2019), който показа, че за същия тип компонент (сензор или лазер), цената за SWIR система ще бъде 10 до 100 пъти по -висока отколкото NIR система. Средната комбинирана цена на компонента за сензора и лазера за NIR система се изчислява между 4 до 20 долара на канал през 2019 г. и намалява до 2 до 10 долара до 2025 г. За разлика от това, еквивалентната средна цена на компонента за система SWIR се оценява на ще бъде 275 долара на канал през 2019 г. и намалява до 155 долара на канал до 2025 г. Това е огромна разлика в разходите, като се има предвид фактът, че системите LiDAR съдържат множество канали, дори ако се използва подход за 1D сканиране, тъй като вертикален масив от канали с една точка все още е задължително.

Таблица 3: Обобщение на съображенията за разходите. (Източник на изображението: IHS Markit)

Пазарната динамика на LiDAR също не благоприятства лагера на SWIR. Пазарът на автономно шофиране не се е повишил толкова бързо, колкото очакванията на пазара преди пет години, а системите за автономност от ниво 4 и ниво 5, за които LiDAR е задължителен, са години далеч от масовото внедряване. Междувременно промишлените и роботизирани пазари, използващи LiDAR, са още по-съобразени с разходите и нямат нужда от свръхвисокопроизводителните предимства на системата SWIR, така че тези производители междувременно нямат начин да внесат компонент намаляване на разходите чрез увеличаване на обема, както често се твърди. Съществува проблем „пиле и яйце“ за получаване на по -ниска цена, когато обемът се увеличи, но се нуждае от по -ниска цена, за да получи обемите.

Резюме
След като се потопихме дълбоко в технологията и разликите между системите NIR и SWIR, е ясно защо по -голямата част от съществуващите днес системи LiDAR използват дължини на вълните NIR. Въпреки че перспективите за бъдещето никога не са 100% сигурни, очевидно е, че цената и наличността на доставчиците на екосистеми са ключови фактори, а системите, базирани на NIR, със сигурност винаги ще бъдат по-евтини поради технологичното предимство и икономиите от мащаба за CMOS силиций. И докато SWIR позволява по-дългосрочна система LiDAR, базираните на NIR LiDAR също могат да постигнат желаните автомобилни изисквания за дълги разстояния, като същевременно се представят изключително добре за конфигурации с къс и среден обсег, необходими също в ADAS и AD. Съществуването на базирани на NIR LiDAR в масово производство за автомобилния пазар днес показва, че технологията е комерсиализирана и доказана, но все пак ще отнеме известно време, за да се случи консолидация и победителите и победените да се изтръгнат. В края на краищата, автомобилната индустрия в началото на 20 -ти век съдържаше 30 различни производители и това се увеличи до близо 500 през следващите десет години - но отне само няколко години след това, за да изчезнат повечето от тях. Очаква се подобна динамика да се случи с производителите на LiDAR до края на това десетилетие.

Препратки
Yole Développement (2020). LiDAR за автомобилни и промишлени приложения - Доклад за пазара и технологиите 2020

Амсруд, П. (25 септември 2019 г.). Надпреварата към евтина LIDAR система [Конференция презентация]. Автомобили LIDAR 2019, Детройт, Мичиган, САЩ. IHS Markit.

Тази статия първоначално е публикувана на EE Times.

Бахман Хаджи, директор по бизнес развитие, подразделение за автомобилни сензори, ON Semiconductor.


Как човек може да се справи с твърде ниска PCD:

Има няколко начина, по които можете да стигнете до ниската разделителна способност на набора от данни. Например, използвайте алгоритъм за интерполация или съберете два набора от данни заедно. Все пак би било полезно, ако винаги сте си спомняли за праг на GPS, IMU, часовник или друга част от бордовата система. Въпреки че можете да разчитате на съвпадение на резултатите в рамките на една система или компания, която произвежда набори от данни, няма доказателства, че два набора от данни в облак с произволни точки ще се свържат перфектно заедно.


Какво е LiDAR?

LIDAR, което означава Откриване на светлина и обхват, е метод за дистанционно наблюдение, който използва светлина под формата на импулсен лазер за измерване на обхвати (променливи разстояния) до Земята. Тези светлинни импулси-комбинирани с други данни, записани от въздушно-десантната система-генерират точна, триизмерна информация за формата на Земята и нейните характеристики на повърхността.

Инструментът LIDAR се състои главно от лазер, скенер и специализиран GPS приемник. Самолетите и хеликоптерите са най -често използваните платформи за получаване на данни LIDAR в широки области. Два вида LIDAR са топографски и батиметрични. Топографският LIDAR обикновено използва близо инфрачервен лазер за картографиране на сушата, докато батиметричният LiDAR използва проникваща във водата зелена светлина, за да измерва също котите на морското дъно и речното дъно.

Системите LIDAR позволяват на учените и специалистите по картографиране да изследват както естествената, така и създадената от човека среда с точност, прецизност и гъвкавост. Учените от NOAA използват LIDAR за създаване на по -точни карти на бреговата линия, правят цифрови модели на кота за използване в географски информационни системи, за подпомагане при операции за реагиране при извънредни ситуации и в много други приложения.

Наборите от данни на LIDAR за много крайбрежни райони могат да бъдат изтеглени от уеб портала на Digital Coast на Office for Coastal Management.


Какво е LiDAR и как работи

Автомобили без шофьор, които бяха една от най -големите технологични фантазии на 90 -те години (подхранвани от по -ранни филми като „The Love Bug“ и „Demolition Man“), са реалност днес, благодарение на огромния напредък, постигнат около няколко технологии, особено ЛИДАР.

Какво е LiDAR?

ЛИДАР (означава Откриване на светлина и обхват) е далекомерна технология, която измерва разстоянието на обект, като изстрелва светлинни лъчи към обекта и използва времето и дължината на вълната на отразения светлинен лъч, за да оцени разстоянието и в някои приложения (Laser Imaging), създава 3D представяне на предметът.

Докато идеята зад лазера може да бъде проследена до работата на EH Synge през 1930 г., това не беше нещо чак в началото на 60 -те години, след изобретяването на лазера. По същество комбинация от лазерно фокусирано изобразяване с възможност за изчисляване на разстояния, използвайки времето на полета, то намери най-ранните си приложения в метеорологията, където се използва за измерване на облаци, и в Космоса, където лазерният висотомер беше използван за картографиране на лунна повърхност по време на мисията Аполон 15. Оттогава технологията се подобри и се използва в различни приложения, включително откриване на сеизмични дейности, океанография, археология и навигация, за да споменем няколко.

Как действа LiDAR

Технологията е доста подобна на тази на RADAR (навигация с радиовълни, използвана от кораби и самолети) и SONAR (откриване и навигация на подводни обекти с помощта на звук, използвани главно от подводници), които и двата използват принципа на отражение на вълните за откриване на обекти и разстояние оценка. However, while RADAR is based on radio waves and SONAR is based on sounds, LIDAR is based on Light beams (Laser).

LIDAR uses light across different wavelengths including ultraviolet, visible, or near infrared light to image objects and its, as such, able to detect all kind of material compositions, including non-metals, rocks, rain, chemical compounds, aerosols, clouds and even single molecules. LIDAR systems could fire up to 1,000,000 light pulses per seconds and use the time taken for the pulses to be reflected back to the scanner to determine the distance at which objects and surfaces around the scanner are located. The technique used for the distance determination is known as time of flight and it’s equation is given below.

In most applications, other than just distant measuring, a 3D map of the environment/object at which the light beam was fired is created. This is done via continuous firing of the laser beam at the object or environment.

It is important to note that, as opposed to the specular type reflection obtainable in plane mirrors, reflection experienced in LIDAR systems is backscattered reflection as the light waves are diffused back through the direction where they came. Depending on the application, LIDAR systems use different variations of backscattering including Rayleigh and Raman scattering,

Components of a LIDAR System

A LIDAR system typically comprises of 5 elements which are expected to be present irrespective of variations due to application. These main components include:

  1. Лазер
  2. Scanners and Optics system
  3. Процесор
  4. Accurate timing electronics
  5. Inertial Measurement Unit and GPS

The Laser serves as the source of the energy for the light pulses. The wavelength of the laser deployed in LIDAR systems differ from one application to another due to the specific requirements of certain applications. For instance, Airborne LiDAR systems use 1064 nm diode pumped YAG lasers whilst Bathymetric systems use 532nm double diode pumped YAG lasers which penetrate water (up to 40 meters) with much less attenuation than the airborne 1064nm version. However, Irrespective of the applications, the lasers used are usually of low energy to ensure safety.

2. Scanner and Optics

Scanners are an important part of any LIDAR system. They are in charge of projecting laser pulses to surfaces and receiving back the reflected pulses from the surface. The speed at which images are developed by a LIDAR system is dependent on the speed at which the scanners capture the backscattered beams. Irrespective of the application, the optics used in a LIDAR system must be of high precision and quality to obtain the best results especially for mapping. The type of lenses, specific glass choice, along with the optical coatings used are major determinants of the resolution and range capabilities of the LIDAR.

Depending on the application, a variety of scanning methods can be deployed for different resolutions. Azimuth and elevation scanning, and dual axis scanning are some of the most popular scanning method.

3. Processors

A high capacity processor is usually at the heart of any LIDAR system. It is used to synchronize and coordinate the activities of all the individual components of the LIDAR system ensuring all components are working when they should. The processor integrates the data from the scanner, the timer (if not built into the processing subsystem), the GPS and the IMU to produce the LIDAR point data. These elevation point data are then used to create maps depending on the application. In Driverless Cars, the point data are used to provide a real-time map of the environment to help the cars with obstacle avoidance and general navigation.

With light travelling at a speed of about 0.3metres per nanoseconds and thousands of beams usually reflected back to the scanner, the processor is usually required to be of high speed with high processing capabilities. Thus, the advancements in the processing power of computing elements has been one of the major drivers of LIDAR technology.

4. Timing Electronics

Accurate timing is of the essence in LIDAR systems as the entire operation is built on time. The timing electronics represents the LIDAR subsystem that records the exact time a laser pulse leaves and the exact time it returns to the scanner.

It’s precision and accuracy cannot be over emphasized. Due to the scattered reflection, pulses sent out usually have multiple returns each of which needs to be precisely timed to ensure the accuracy of the data.

5. Inertial Measurement Unit and GPS

When a LiDAR sensor is mounted on a mobile platform such as satellites, airplanes or automobiles, it is necessary to determine the absolute position and the orientation of the sensor to retain useable data. This is achieved by the use of an Inertial measurement system (IMU) and Global Positioning System (GPS). The IMU usually comprises of an accelerometer, gyroscope, and a magnetometer to measure the velocity, orientation, and gravitational forces, which combined together, are used to determine the angular orientation (Pitch, roll and Yaw) of the scanner relative to the ground. The GPS on the other hand provide accurate geographical information regarding the position of the sensor, thus allowing for direct georeferencing of the object points. These two components provide the method for translating sensor data into static points for use in a variety of systems.

The extra information obtained using the GPS and IMU is crucial to the integrity of data acquired, and it help ensures distance to surfaces are correctly estimated, especially in mobile LIDAR applications like Autonomous vehicles and Air Plane based imagine systems.

Types of LiDAR

While LIDAR systems can be classified into types based on quite a number of factors, there are three generic types of LIDAR Systems which are

1. Range Finder LIDAR

These are the simplest kind of LIDAR systems. They are used to determine the distance from the LIDAR scanner to an object or surface. By using the time of flight principle described under the “how it works” section, the time taken for the reflection beam to hit the scanner is used to determine the distance between the LIDAR system and the object.

2. Differential Absorption LIDAR

Differential absorption LIDAR systems (sometimes referred to as DIAL), is usually used in the investigating the presence of certain molecules or materials. DIAL systems usually fire laser beams of two wavelengths which are selected in such a way that one of the wavelengths will be absorbed by the molecule of interest whilst the other wavelength will not be. The absorption of one of the beams results in a difference (differential absorption) in the intensity of the return beams received by the scanner. This difference is then used to deduce the level of presence of the molecule being investigated. DIAL has been used to measure chemical concentrations (such as ozone, water vapor, pollutants) in the atmosphere.

3. Doppler LIDAR

Doppler LiDAR is used to measure the velocity of a target. When light beams fired from the LIDAR hits a target moving towards or away from the LIDAR, the wavelength of the light reflected/scattered off the target will be changed slightly. This is known as a Doppler shift - as a result, Doppler LiDAR. If the target is moving away from the LiDAR, the return light will have a longer wavelength (sometimes referred to as a red shift), if moving towards the LiDAR the return light will be at a shorter wavelength (blue shifted).

Some of the other classifications on which LIDAR systems are grouped into types include:

Types of LiDAR based on Platform

Using platform as a criteria, LIDAR systems can be grouped into four types including

These LIDARs differ in construction, materials, wavelength, outlook and other factors which are usually selected to suit what works in the environment for which they are to be deployed.

Types of LIDAR Based on Type of Backscattering

During my description of how LIDAR systems work, I mentioned that reflection in LIDAR is via backscattering. Different type of backscattering exits and its sometimes use to describe the type of LIDAR. Types of backscattering include

Applications of LiDAR

Due to its extreme accuracy and flexibility LIDAR has a wide number of applications, in particular, the production of high-resolution maps. As well as surveying, LIDAR has been used in agriculture, archaeology, and in robots as it’s currently one of the major enablers of the autonomous vehicle race, being the major sensor used in most vehicles with the LIDAR system performing a role similar to that of the eyes for the vehicles.

There are 100s of other applications of LiDAR and will try to mention as many as possible below.

  1. Autonomous Vehicles
  2. 3D Imaging
  3. Land Survey
  4. Power Line Inspection
  5. Tourism and Parks Management
  6. Environmental Assessment for Forest protection
  7. Flood Modeling
  8. Ecological & Land Classification
  9. Pollution Modeling
  10. Oil and Gas Exploration
  11. Meteorology
  12. Океанография
  13. All sort of military Applications
  14. Cell Network Planning
  15. Астрономия

LiDAR Limitations

LIDAR like every other technology has its shortcomings. The range and accuracy of LIDAR systems are badly affected during bad weather conditions. For example, in Foggy conditions, a significant amount of false signals are generated due to beams being reflected by the fog. This usually leads to the mie scattering effect and as such, a bulk of the fired beam doesn’t return back to the scanner. A similar occurrence is experienced with rain as rain particles cause spurious returns.

Asides weather, LIDAR systems can be fooled (either deliberately or indeliberately) to think an object exist by flashing “lights” at it. Според а хартия published in 2015, flashing a simple laser pointer at the LIDAR system mounted on autonomous vehicles could disorient the navigation systems of the vehicle, giving it the impression of the existence of an object where there is none. This flaw especially in driverless car application of lasers, opens up a lot of security concerns as it won’t take long for carjackers to refine the principle for use in attacks. It could also lead to accidents with cars stopping suddenly in the middle of the road if they sensed what they believed to be another car or a pedestrian.

Advantages and Disadvantages of LiDAR

To wrap up this article, we probably should look at reasons why you LIDAR could be a good fit for your project and reasons why you probably should avoid it.

1. High Speed and accurate data acquisition

3. Not affected by the intensity of light in its environment and can be used at night or in the sun.

4. High Resolution Imaging compared to other methods.

5. No Geometrical Distortions

6. Easily integrates with other data acquisition methods.

7. LIDAR has minimum human dependence which is good in certain applications where human error could affect the reliability of data.

Disadvantages

1. The cost of LIDAR makes it overkill for certain projects. LIDAR is best described as relatively expensive.

2. LIDAR systems perform poorly in heavy rain, fog or snow conditions.

3. LIDAR systems generate large datasets which require high computational resources to process.

4. Unreliable in turbulent water applications.

5. Depending on the wavelength adopted, the performance of LIDAR systems is limited altitude as the pulses fired in certain kind of LIDARs become ineffective at certain altitudes.

LIDAR for Hobbyist and Makers

Due to the cost of LIDARs, most of the LIDAR systems in the market (like the velodyne LIDARs) are used in industrial applications (to bring together all “non-hobbyist” applications).

The closest to “hobbyist grade” LIDAR system available right now are the iLidar Solid-State LiDAR sensors designed by Hybo. It is a small LiDAR system capable of 3D mapping (without rotating the sensor) with an effective maximum range of 6 meters. The sensor is equipped with a USB port alongside a UART/SPI/i2C port through which communication can be established between the sensor and a microcontroller.

iLidar was designed to suit everyone and the features associated with LiDAR makes it attractive to makers.


Using LiDAR and geographic information system data to identify optimal sites in southern Minnesota for constructed wetlands to intercept nonpoint source nitrogen

нitrate (NO3) carried in drainage from midwestern crop lands impairs local waters and makes a significant contribution to hypoxia in the Gulf of Mexico (Brezonik et al. 1999 Nangia et al. 2008). Conservation practices are being promoted in the Midwest to remedy water quality. Among them, improved farming practices such as reduced fertilizer use, constructed (either created or restored) wetlands, and riparian buffers are the three principal approaches for remedying Gulf of Mexico hypoxia (Mitsch et al. 2001 Randall and Mulla 2001 Mitsch and Gosselink 2007a).

A constructed wetland was defined by Hammer and Bastian (1989) as “a designed and man-made complex of saturated substrate, emergent and submergent vegetation, animal life, and water that simulates natural wetlands for human use and benefits.” The microbial populations at the plant roots can transform nutrients and metallic ions and compounds this makes wetlands effective at treating runoff from municipal, mining, and agricultural sources (Haan et al. 1994). Wetlands were once widely distributed in the Midwest, and many of them were drained for crop production. Therefore, the midwestern geomorphology and soils are favorable for wetland restoration. Wetland construction can control the growing problem of reactive nitrogen (N), primarily NO3, in the aquatic environment (Hey…

This article requires a subscription to view the full text. If you have a subscription you may use the login form below to view the article. Access to this article can also be purchased.


What is LIDAR?

What is LIDAR?

LIDAR—Light Detection and Ranging—is a remote sensing method used to examine the surface of the Earth.

LIDAR, which stands for Light Detection and Ranging, is a remote sensing method that uses light in the form of a pulsed laser to measure ranges (variable distances) to the Earth.

LIDAR data is often collected by air, such as with this NOAA survey aircraft (right) over Bixby Bridge in Big Sur, Calif. Here, LIDAR data reveals a top-down (top left) and profile view of Bixby Bridge. NOAA scientists use LIDAR-generated products to examine both natural and manmade environments. LIDAR data supports activities such as inundation and storm surge modeling, hydrodynamic modeling, shoreline mapping, emergency response, hydrographic surveying, and coastal vulnerability analysis.

LIDAR, which stands for Light Detection and Ranging, is a remote sensing method that uses light in the form of a pulsed laser to measure ranges (variable distances) to the Earth. These light pulses—combined with other data recorded by the airborne system— generate precise, three-dimensional information about the shape of the Earth and its surface characteristics.

A LIDAR instrument principally consists of a laser, a scanner, and a specialized GPS receiver. Airplanes and helicopters are the most commonly used platforms for acquiring LIDAR data over broad areas. Two types of LIDAR are topographic and bathymetric. Topographic LIDAR typically uses a near-infrared laser to map the land, while bathymetric lidar uses water-penetrating green light to also measure seafloor and riverbed elevations.

LIDAR systems allow scientists and mapping professionals to examine both natural and manmade environments with accuracy, precision, and flexibility. NOAA scientists are using LIDAR to produce more accurate shoreline maps, make digital elevation models for use in geographic information systems, to assist in emergency response operations, and in many other applications.

LIDAR data sets for many coastal areas can be downloaded from the Office for Coastal Management Digital Coast web portal.

Light Detection and Ranging, or Lidar, sensors create 3-D maps of the world around autonomous vehicles. https://on.mktw.net/33mFFK0

Products

Всички права запазени. 2013 - 2021 SecureDAM™ LLC and respective owners. All product names, trademarks and registered trademarks are property of their respective owners. All other trademarks cited herein are the property of their respective owners. Products are NIST 800 171-2 Compliance Cybersecurity | Defense Federal Acquisition Regulation Supplement(DFARS) | IT Security Audit & Assessment | Cybersecurity Maturity Model Compliance | Managed IT & Security Service Providers | Cyber Diligence
Политика за поверителност | Условия за ползване | Equal Opportunity Employer Policy | Industry Standard Codes

Преглед на поверителността

Необходимите бисквитки са абсолютно необходими за правилното функциониране на уебсайта. Тази категория включва само бисквитки, които осигуряват основни функционалности и функции за сигурност на уебсайта. Тези бисквитки не съхраняват никаква лична информация.

Всички бисквитки, които може да не са особено необходими за функционирането на уебсайта и се използват специално за събиране на лични данни на потребителите чрез анализи, реклами, друго вградено съдържание, се наричат ​​ненужни бисквитки. Задължително е да получите съгласието на потребителя, преди да пуснете тези бисквитки на вашия уебсайт.