تحليل تقنية LiDAR للطائرات بدون طيار (UAV): المبادئ والتصنيف والتطبيقات
تقنية LiDAR (كشف والاسترجاع بالضوء) للطائرات بدون طيار (UAV) هي تقنية قياس عالية الدقة تعتمد على الاستشعار البعثي بالليزر. يبدأ هذا المقال بمفاهيم أساسية للليزر والرادار وLiDAR، ويحلل באופן منظم العلاقات والاختلافات بينها، وينال عمقًا في مبادئ العمل والتصنيفات التكنولوجية والتطبيقات العملية لـLiDAR للطائرات بدون طيار.
1. الليزر
يشير “ليزر” إلى “تكبير الضوء بواسطة الانبعاث المحفِز للإشعاع” (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). مبدأه الأساسي يتضمن إلكترونات الذرات تمتلكها طاقة وتنتقل إلى مستوى طاقة أعلى، ثم تطلق فوتونات عند العودة إلى مستوى طاقة أقل. تظهر هذه الفوتونات خصائص عالية التماثل (مثل طول الموجة والتجهة والسطوع)، تشكلًا ضوءًا ليزر.
ت 제공 الليزر compared to مصادر الضوء العادية مزايا ملحوظة:
- التوحد اللوني العالي
- اتجاهية قوية
- سطوع عالي
بناءً على وسيط العمل، تقسم الليزر بشكل أساسي إلى أربعة أنواع:
- ليزرات غازية
- ليزرات كثيفة (solid - state)
- ليزرات شبه الموصلية
- ليزرات الأصباغ
2. الرادار
يشير “رادار” إلى “كشف والإسترجاع بالراديو” (Radio Detection and Ranging). يكتشف ويقيس مسافة، والسرعة، والاتجاه (الأزimuth)، والارتفاع للأغراض المستهدفة عن طريق إرسال وتلقي الموجات الكهرومغناطيسية—وهو ما يجعله يُعرف أيضًا باسم نظام الوصف بالراديو.
في جوهره، الرادار هو جهاز إلكتروني، الوظيفة الأساسية له هي اكتشاف وقياس معالم الأغراض المستهدفة باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية.
3. LiDAR
LiDAR (كشف والاسترجاع بالضوء) هو تقنية كشف وإسترجاع تعتمد على الليزر. على الرغم من تشابه اسمه مع الرادار، إلا أن الاثنان يختلفان بشكل كبير في المبادئ التكنولوجية ووسائل التطبيق.
الاختلافات الرئيسية بين LiDAR والرادار
اختلافات طول الموجي:
- يستخدم الرادار موجات راديوية، عادةً بأطوال الموجات في نطاق السنتيمتر إلى ديسنتيمتر.
- يستخدم LiDAR ضوءًا ليزرًا، عادةً بأطوال الموجات في نطاق النانومتر إلى الميكرو متر.
التجهيزات وآليات العمل:
- توليد وإرسال وتلقي الموجات الكهرومغناطيسية تشمل أجهزة مختلفة تمامًا.
سبب التسمية:
- يتم استخدام “الرادار” على نطاق واسع لمراجعة أنظمة الكشف والإسترجاع، مع إضافة “LiDAR” بادئة “الليزر” لإبراز خصائصه التكنولوجية.
4. تصنيف ومبادئ القياس لـLiDAR للطائرات بدون طيار
تقسم أنظمة LiDAR المركبة على الطائرات بدون طيار بشكل أساسي إلى فئتين:
LiDAR القائم على الطور:
يحقق قياسًا عالي الدقة للمسافة عن طريق قياس الاختلاف في الطور بين الضوء الليزر المنبعث والمرتجع—مشابهًا لمبدأ المحطة الكلية.LiDAR القائم على النبض:
يقيس المسافة عن طريق حساب الاختلاف الزمني بين انبعاث عروق الليزر والاسترجاع. يعتبر LiDAR القائم على النبض النوع المعاصر المستخدم في الطائرات بدون طيار حاليًا.
5. LiDAR متعددة الخطوط واقتراض البيانات الثلاثية الأبعاد
تستخدم LiDAR للطائرات بدون طيار عادةً LiDAR متعددة الخطوط (مثل: Hesai Pandar40)، الذي يُ装备 بمتعددة أجهزة إصدار الليزر (مثل: 40 خطًا) موزعة عموديًّا بزوايا مختلفة. من خلال المسح الدائري، يلتقط مباشرةً إحداثيات ثلاثية الأبعاد للأغراض المكتشفة.
المزايا التكنولوجية
- اقتراض بيانات سحابة النقاط الثلاثية الأبعاد على نطاق واسع بسرعة عالية ودقة عالية.
- كفاءة اقتراض البيانات تتفوق بدرجة كبيرة على تلك المحطات الكلية التقليدية—مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لرسم الخريطة الجيوگرافية على نطاق واسع.
6. التكامل مع نظام الإحداثيات مع GPS وقياس الم姿
في القياسات الديناميكية، تعتمد الطائرات بدون طيار على نظام الوصف العالمي (GPS) لتهيئة الإحداثيات—حيث تعمل بشكل مشابه لوضع الوصف العكسي في المحطة الكلية.
يعتبر الاعتماد على GPS وحده غير كافي للقياسات عالية الدقة. требу معالم إضافية:
- زاوية الاتجاه (زاوية بالنسبة للشمال الحقيقي).
- زاويا الم姿 (زاوية أفقية وزاوية السماء (الzeniث)).
تتشكل هذه المعالم معًا نظام الوصف والتوجيه—مما يزيل عملية “التسوية” التقليدية للمحطات الكلية. على الرغم من أن الطائرات بدون طيار لا يمكنها تحقيق التسوية المادية أثناء الحركة، يمكن لوحدات القياس الاٍنتجارية (IMU) عالية الدقة مراقبة التغيرات الزاوية بت实时—مما يضمن دقة البيانات والثبات على الدقة.
ملخص
تقنية LiDAR للطائرات بدون طيار تدمج قياس المسافة بالليزر، والمسح متعدد الخطوط، ويوصف GPS، وقياس الم姿 بوحدات IMU—لتحقيق إدراك بيئي ثلاثي الأبعاد فعال ودقيق واقتراض المعلومات الجيوگرافية. شملت تطبيقاتها على نطاق واسع مجالات مثل المخطوط والاستكشاف، والهندسة البنائية، والزراعة الذكية، ومراقبة الكوارث—مما يجعلها مكونًا أساسيًا لتقنية المعلومات المكانية الحديثة.
قراءة إضافية
يليها قراءات مُ 권َّة بشأن تقنية LiDAR للطائرات بدون طيار، تشمل تحاليل تقنية موثوقة، وحالات تطبيق، وتدرّجات الصناعة:
- إدارة المحيطات والجوية الوطنية (NOAA) - مبادئ LiDAR وتطبيقات الاستشعار البعثي: شرح تقني رسمي من NOAA لـLiDAR—يشمل تطبيقاته في رسم الخرائط البحريّة، وملصق السلاسل الأرضية، ومراقبة البيئة.
- مؤسسة الاستطلاع الجيولوجي لأميركا (USGS) - إرشادات لاستخدام LiDAR في رسم الخرائط الجيولوجية والجيوگرافية: معايير معالجة بيانات LiDAR المقدمة من USGS، وممارسات مُ 권َّة، ومصادر بيانات مفتوحة المصدر—مناسبة للمخطوط المهني وابحاث نظام المعلومات الجيوگرافية (GIS).
- اتحاد المخطوطين الدوليين (FIG) - تقرير خاص بشأن تقنية الطائرات بدون طيار وLiDAR: يبحث عن الت стандарطisierung، وتقييم الدقة، واتجاهات التطور المستقبلية لـLiDAR للطائرات بدون طيار في هندسة المخطوط—مما يوفر قيمة مرجعية عالية للصناعة.