Lidar

Productos SemiNex para TOF (Tiempo de vuelo) LiDAR

Diodos láser de triple unión

Productos SemiNex para FMCW (onda continua modulada en frecuencia) LiDAR

Amplificadores ópticos de semiconductores

¿QUÉ ES LIDAR?

El término LIDAR es un acrónimo de Light Detection And Ranging (o un acrónimo de "luz" y "radar", según a quién le pregunte). Los dispositivos LIDAR miden distancias iluminando un objetivo con un láser e interpretando los resultados de la luz reflejada. Estas mediciones de distancia se pueden utilizar para todo tipo de aplicaciones, como escanear objetos, medir la velocidad, mapear grandes extensiones de terreno, proporcionar datos sobre los alrededores de un automóvil para una navegación autónoma y mucho más. Pero, ¿cómo funciona esta fantástica tecnología?

¿CÓMO MIDE LA DISTANCIA LIDAR?

TIEMPO DE VUELO

LIDAR se basa en láseres y los láseres emiten luz. En el vacío, la luz viaja a la velocidad de la luz. Este es básicamente el límite de velocidad universal y se registra a 299,792,458 m / s (aunque en el aire viaja un poco más lento). LIDAR puede usar la velocidad de la luz para determinar la distancia de los objetos en un método llamado tiempo de vuelo (TOF). Cuando un sistema LIDAR que utiliza TOF emite luz, normalmente de un diodo láser pulsado, iniciará un reloj interno. Este pulso de luz recorrerá la distancia hasta un objeto casi a la velocidad de la luz, con el que entrará en contacto. Parte de la luz rebotará en el objeto y viajará de regreso al sistema LIDAR a casi la velocidad de la luz, donde golpeará un fotodetector. Cuando la luz incide en el fotodetector, le dice al reloj que comenzó cuando se emitió el pulso que se detenga. Debido a que sabemos qué tan rápido viajó la luz y el tiempo que tomó recorrer la distancia entre el sistema y el objeto dos veces, podemos encontrar la distancia al objeto usando la siguiente ecuación.

En esta ecuación D es la distancia al objeto, C es la velocidad de la luz, y t es el tiempo entre la emisión de luz y su detección. Para medir la distancia, el mecanismo de sincronización debe ser realmente rápido. Por ejemplo, si hubiera un objeto a una distancia de un campo de fútbol completo, 109 metros, se necesitarían aproximadamente 7,27 * 10-7 segundos para que la luz llegue y regrese.

CAMBIO DE FASE

Otro método utilizado para determinar la distancia es el método de cambio de fase. En lugar de utilizar una fuente de láser pulsado, se utiliza una fuente continua en la que la potencia se modula a una frecuencia constante. Esto significa que la entrada puede verse como una curva sinusoidal con el tiempo en el eje xy la potencia del láser en el eje y. Los fotodetectores pueden hacer más que solo detectar si hay luz, también pueden detectar el poder de la luz, por lo que se puede formar una curva sinusoidal de la señal de retorno. Al comparar la diferencia de fase, la diferencia en radianes de los picos de las ondas, la distancia al objeto se puede encontrar con la siguiente ecuación donde D es la distancia, C es la velocidad de la luz, Δϕ es la diferencia de fase, y F es la frecuencia a la que se moduló la potencia.

HACIENDO UN MAPA

SISTEMAS LIDAR ESTACIONARIOS

Por sí solos, los datos de distancia son muy útiles para cosas como telémetros que simplemente devuelven la distancia del punto al que apunta el láser. Al tomar este concepto básico y expandirlo aún más, podemos usar telémetros en sistemas LIDAR para hacer nubes de puntos. Esto es, como sugiere el nombre, una nube de puntos, donde cada punto representa una posición en un sistema de coordenadas (x, y, z). Expliquemos esto observando un sistema terrestre estacionario básico donde un láser y un fotodetector están montados en un trípode. Si el suelo fuera un plano que contiene el eje xy el eje y, entonces el eje z sería la dirección normal al suelo y representaría la elevación del punto. El sistema giraría alrededor del eje zy emitiría una serie de pulsos, midiendo rápidamente la distancia de cada punto al que apuntaba el láser. Ahora, si agrega más pares de láseres y fotodetectores y los coloca apuntando a diferentes ángulos con respecto al suelo, aún tendrá un campo de visión horizontal de 360 grados, pero podrá aumentar el campo de visión vertical. Al conocer las distancias, dónde y en qué ángulo apunta el láser cuando se recopilaron los datos, se puede establecer un punto en el sistema de coordenadas (x, y, z). El sistema puede recopilar cientos de miles de puntos y, con estos datos, puede construir un mapa 3D del mundo que lo rodea que tiene una variedad de usos.

SISTEMAS DE LIDAR MÓVIL

Hay muchos sistemas LIDAR que no son estacionarios. Un gran ejemplo son los vehículos LIDAR utilizados por vehículos autónomos. Estos sistemas LIDAR se montan en un automóvil y giran para recopilar datos sobre los alrededores del automóvil. A diferencia de un sistema estacionario, el automóvil se está moviendo, por lo que el marco de referencia no es constante. Se pueden usar sistemas más básicos que funcionan exactamente como un sistema estacionario y simplemente construyen un mapa de su entorno. Sin embargo, este mapa debe actualizarse constantemente para reflejar su entorno cambiante. Esto funcionaría como un sensor de proximidad y le diría al sistema cuando hay objetos cerca. Se pueden hacer sistemas más complicados que tengan en cuenta el movimiento del automóvil para hacer nubes de puntos más precisas. En lugar de establecer un sistema de coordenadas basado en la ubicación del sistema, se basa en coordenadas geográficas reales. Estos sistemas más complicados utilizarían un receptor GNSS (Global Navigation Satellite System) para establecer en qué parte del mundo estaba el automóvil. Se puede conectar una unidad de medición inercial (IMU) al automóvil, que es un dispositivo que puede detectar cambios leves en la posición, como cuando el automóvil pasa sobre baches en la carretera. Relacionar la información de la IMU y el GPS le da al sistema una comprensión aún más precisa de su ubicación. Al combinar sus datos de posición con lo que se recopila del sistema LIDAR, se puede generar una nube de puntos a largas distancias.

APLICACIONES DE LIDAR

VEHICULOS AUTONOMOS

Dispositivo LIDAR en vehículo autónomo

La mayoría de los vehículos autónomos utilizan LIDAR. La nube de puntos que crea LIDAR se utiliza en los complicados algoritmos que permiten a los vehículos detectar y sortear obstáculos. Si bien se están desarrollando nuevos tipos de LIDAR, como Flash y de estado estable, la mayoría usa un sistema LIDAR que gira la cabeza para obtener un campo de visión de 360 grados. La precisión de la nube de puntos se basa en una variedad de factores, como la velocidad de rotación, la frecuencia del pulso y el ancho de los láseres. Los vehículos autónomos están en gran parte contenidos en la demostración militar y privada, pero algunos grandes fabricantes de automóviles, universidades y otras compañías de Fortune 500 están investigando vehículos autónomos de consumo más factibles.

MILITAR

El ejército utiliza la tecnología LIDAR para la identificación automática de objetivos, el sistema de detección de minas por láser aerotransportado y la detección de agentes de guerra biológica. Con LIDAR, los militares tienen la opción de usar longitudes de onda más largas para que su equipo sea indetectable para las gafas de visión nocturna. LIDAR también juega un papel importante en los vehículos autónomos militares. Los militares aprovechan los vehículos todoterreno autónomos para explorar y transportar suministros.

Uso militar LIDAR

METEOROLOGÍA

Detección de velocidad del viento LIDAR

En los últimos años, existe un mercado creciente de LIDAR en meteorología para la detección de la velocidad y la dirección del viento. Usando láseres IR en la región de 1450 a 1470 nm, los ingenieros pueden detectar cambios en la velocidad y dirección del viento. Los parques eólicos pueden ajustar el ángulo de ataque y la dirección para optimizar la producción de energía. Las empresas de desarrollo de parques eólicos también utilizan LIDAR para mapear áreas de vientos intensos que se consideran ideales para la generación. Estos mapas proporcionan a los ingenieros de planificación la ubicación ideal de cada molino de viento individual.

OTRAS APLICACIONES

LIDAR tiene otras aplicaciones interesantes. Recientemente, LIDAR ayudó a los arqueólogos a descubrir varias ciudades medievales que estaban escondidos bajo el suelo del bosque. Los científicos utilizaron la tecnología LIDAR aerotransportada para escanear y mapear nuevas áreas del bosque y crear nubes de puntos en 3D del paisaje, lo que les permitió ver la tierra con mayor claridad. Esta tecnología ha dado a los historiadores nuevas visiones de las civilizaciones antiguas desde Asia hasta Camboya y Sudamérica.

SemiNex ofrece una amplia gama de dispositivos láser para uso LIDAR. Para encontrar productos específicos, visite nuestro página del producto o hablar con un asociado de ventas.

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