Lidar

SemiNex-Produkte für TOF (Time-of-Flight) LiDAR

SemiNex-Produkte für FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) LiDAR

WAS IST LIDAR?

Der Begriff LIDAR ist ein Akronym für Light Detection And Ranging (oder eine Kombination aus „Licht“ und „Radar“, je nachdem, wen Sie fragen). LIDAR-Geräte messen Entfernungen, indem sie ein Ziel mit einem Laser beleuchten und die Ergebnisse aus dem reflektierten Licht interpretieren. Diese Entfernungsmessungen können für alle möglichen Anwendungen verwendet werden, wie zum Beispiel das Scannen von Objekten, das Messen von Geschwindigkeiten, das Kartieren großer Geländeflächen, das Bereitstellen von Daten über die Umgebung eines Autos für die autonome Navigation und vieles mehr. Aber wie funktioniert diese fantastische Technologie?

WIE MESSEN LIDAR ENTFERNUNGEN?

FLUGZEIT

LIDAR basiert auf Lasern und Laser emittieren Licht. Im Vakuum bewegt sich Licht mit Lichtgeschwindigkeit. Dies ist im Grunde die universelle Geschwindigkeitsbegrenzung und beträgt 299.792.458 m / s (obwohl es in der Luft etwas langsamer ist). LIDAR kann die Lichtgeschwindigkeit verwenden, um die Entfernung von Objekten in einer Methode namens Flugzeit (TOF) zu bestimmen. Wenn ein LIDAR-System, das TOF verwendet, Licht aussendet, typischerweise von einer gepulsten Laserdiode, startet es eine interne Uhr. Dieser Lichtimpuls legt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit die Entfernung zu einem Objekt zurück, mit dem er in Kontakt kommt. Ein Teil des Lichts wird vom Objekt abprallen und mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zurück zum LIDAR-System wandern, wo es auf einen Fotodetektor trifft. Wenn das Licht auf den Photodetektor trifft, teilt er der Uhr, die mit der Aussendung des Impulses gestartet wurde, mit, dass sie anhalten soll. Da wir wissen, wie schnell sich das Licht fortbewegt und wie lange es dauerte, die Entfernung zwischen dem System und dem Objekt zweimal zurückzulegen, können wir die Entfernung zum Objekt mithilfe der folgenden Gleichung ermitteln.

In dieser Gleichung D ist die Entfernung zum Objekt, C ist die Lichtgeschwindigkeit, und T ist die Zeit zwischen der Lichtemission und der Erkennung. Damit die Entfernung gemessen werden kann, muss der Zeitmessmechanismus sehr schnell sein. Wenn sich beispielsweise ein Objekt in voller Länge eines Fußballfelds von 109 Metern Entfernung befindet, würde dies etwa 7,27 * 10 . dauern^-7Sekunden, bis das Licht dort und zurück ankommt.

PHASENVERSCHIEBUNG

Ein weiteres Verfahren zur Entfernungsbestimmung ist das Phasenverschiebungsverfahren. Anstelle einer gepulsten Laserquelle wird eine kontinuierliche Quelle verwendet, bei der die Leistung mit einer konstanten Frequenz moduliert wird. Dies bedeutet, dass die Eingabe wie eine Sinuskurve mit der Zeit auf der x-Achse und der Laserleistung auf der y-Achse betrachtet werden kann. Fotodetektoren können nicht nur Licht erkennen, sondern auch die Lichtleistung erkennen, sodass eine Sinuskurve des Rücksignals gebildet werden kann. Durch Vergleich der Phasendifferenz, der Differenz im Bogenmaß der Spitzen der Wellen, kann der Abstand zum Objekt mit der folgenden Gleichung ermittelt werden, wobei D ist Distanz, C ist die Lichtgeschwindigkeit, Δφ die Phasendifferenz ist, und F ist die Frequenz, bei der die Leistung moduliert wurde.

EINE KARTE ERSTELLEN

STATIONÄRE LIDAR-SYSTEME

Allein die Entfernungsdaten sind sehr nützlich für Dinge wie Entfernungsmesser, die einfach die Entfernung des Punkts zurückgeben, auf den der Laser gerichtet ist. Indem wir dieses Grundkonzept aufgreifen und weiter ausbauen, können wir Entfernungsmesser in LIDAR-Systemen verwenden, um Punktwolken zu erstellen. Dies ist, wie der Name schon sagt, eine Punktwolke, wobei jeder Punkt eine Position in einem (x,y,z)-Koordinatensystem darstellt. Lassen Sie uns dies erklären, indem wir uns ein einfaches stationäres terrestrisches System ansehen, bei dem ein Laser und ein Fotodetektor auf einem Stativ montiert sind. Wenn der Boden eine Ebene mit der X- und Y-Achse wäre, dann wäre die Z-Achse die Richtung senkrecht zum Boden und würde die Höhe des Punkts darstellen. Das System würde sich um die z-Achse drehen und eine Reihe von Impulsen aussenden, um schnell die Entfernung jedes Punktes zu messen, auf den der Laser gerichtet war. Wenn Sie nun weitere Paare von Lasern und Fotodetektoren hinzufügen und sie in unterschiedlichen Winkeln relativ zum Boden platzieren, haben Sie immer noch ein horizontales Sichtfeld von 360 Grad, können jedoch das vertikale Sichtfeld vergrößern. Durch die Kenntnis der Entfernungen, wohin und in welchem Winkel der Laser bei der Datenerfassung zeigt, kann ein Punkt im (x,y,z)-Koordinatensystem festgelegt werden. Das System kann Hunderttausende von Punkten sammeln und mit diesen Daten eine 3D-Karte der Welt um ihn herum erstellen, die vielseitig verwendet werden kann.

BEWEGENDE LIDAR-SYSTEME

Es gibt viele LIDAR-Systeme, die nicht stationär sind. Ein gutes Beispiel sind die LIDAR-Fahrzeuge, die von autonomen Fahrzeugen verwendet werden. Diese LIDAR-Systeme sind an einem Auto montiert und drehen sich, wobei sie Daten über die Umgebung des Autos sammeln. Im Gegensatz zu einem stationären System bewegt sich das Auto, sodass der Bezugsrahmen nicht konstant ist. Es können einfachere Systeme verwendet werden, die genau wie ein stationäres System funktionieren und einfach eine Karte seiner Umgebung erstellen. Diese Karte muss jedoch ständig aktualisiert werden, um die sich ändernde Umgebung widerzuspiegeln. Dies würde in etwa wie ein Näherungssensor funktionieren und dem System mitteilen, wenn sich Objekte in der Nähe befinden. Kompliziertere Systeme können hergestellt werden, die die Bewegung des Autos berücksichtigen, um genauere Punktwolken zu erstellen. Anstatt ein Koordinatensystem basierend auf dem Standort des Systems zu erstellen, basiert es auf tatsächlichen geografischen Koordinaten. Diese komplizierteren Systeme würden einen GNSS-Empfänger (Global Navigation Satellite System) verwenden, um festzustellen, wo sich das Auto auf der Welt befindet. Am Auto kann eine Trägheitsmesseinheit (IMU) angebracht werden, die geringfügige Positionsänderungen erkennen kann, beispielsweise wenn das Auto über Unebenheiten auf der Straße fährt. Durch die Verknüpfung der Informationen von IMU und GPS erhält das System ein noch genaueres Verständnis seines Standorts. Durch die Kombination seiner Positionsdaten mit dem, was vom LIDAR-System gesammelt wird, kann eine Punktwolke über große Entfernungen generiert werden.

ANWENDUNGEN VON LIDAR

AUTONOME FAHRZEUGE

Die meisten autonomen Fahrzeuge verwenden LIDAR. Die von LIDAR erstellte Punktwolke wird in den komplizierten Algorithmen verwendet, die es den Fahrzeugen ermöglichen, Hindernisse zu erkennen und zu umfahren. Während neue Arten von LIDAR wie Flash und Steady-State entwickelt werden, verwenden die meisten ein LIDAR-System, bei dem sich der Kopf dreht, um ein 360-Grad-Sichtfeld zu erhalten. Die Genauigkeit der Punktwolke basiert auf einer Vielzahl von Faktoren wie Drehzahl, Pulsrate und Breite der Laser. Autonome Fahrzeuge sind weitgehend auf die militärische und private Demonstration beschränkt, aber einige große Automobilhersteller, Universitäten und andere Fortune-500-Unternehmen untersuchen derzeit machbarere autonome Fahrzeuge für Verbraucher.

MILITÄR

Das Militär verwendet die LIDAR-Technologie zur automatischen Zielerkennung, das Airborne Laser Mine Detection System und die Distanzerkennung für biologische Kampfstoffe. Mit LIDAR hat das Militär die Möglichkeit, längere Wellenlängen zu verwenden, damit ihre Ausrüstung für Nachtsichtbrillen nicht erkennbar ist. Auch bei den autonomen Fahrzeugen des Militärs spielt LIDAR eine große Rolle. Das Militär nutzt autonome Geländefahrzeuge, um Vorräte zu erkunden und zu transportieren.

METEOROLOGIE

In den letzten Jahren gibt es einen wachsenden Markt für LIDAR in der Meteorologie zur Windgeschwindigkeits- und Richtungserkennung. Mit IR-Lasern im Bereich von 1450 bis 1470 nm können Ingenieure Änderungen der Windgeschwindigkeit und -richtung erkennen. Windparks können dann Anstellwinkel und Richtung anpassen, um die Stromproduktion zu optimieren. Windpark-Entwicklungsunternehmen verwenden LIDAR auch, um Gebiete mit starkem Wind zu kartieren, die als ideal für die Erzeugung gelten. Diese Karten liefern Planungsingenieuren den idealen Standort jeder einzelnen Windmühle.

ANDERE ANWENDUNGEN

LIDAR hat verschiedene andere interessante Anwendungen. Vor kurzem, LIDAR half Archäologen, mehrere mittelalterliche Städte zu entdecken die unter dem Waldboden versteckt waren. Wissenschaftler nutzten luftgestützte LIDAR-Technologie, um neue Waldgebiete zu scannen und zu kartieren und 3D-Punktwolken der Landschaft zu erstellen, damit sie das Land klarer sehen können. Diese Technologie hat Historikern neue Ansichten über alte Zivilisationen von Asien über Kambodscha bis nach Südamerika ermöglicht.

SemiNex bietet eine breite Palette von Lasergeräten für den LIDAR-Einsatz. Um bestimmte Produkte zu finden, besuchen Sie unsere Produktseite oder mit einem Vertriebsmitarbeiter sprechen.