Анализ технологии лидарных систем беспилотных летательных аппаратов: принципы, классификация и применения
Система лидар (Light Detection and Ranging) для беспилотного летательного аппарата (БЛА) представляет собой высокоточную измерительную технологию, основанную на лазерном дистанционном зондировании. В данной статье рассматриваются основные концепции лазеров, радаров и лидарных систем, систематически анализируются их связи и различия, а также детально изучаются принципы работы, технические классификации и практические применения лидарных систем для БЛА.
1. Лазер
Лазер (от англ. “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”) представляет собой источник света, основанный на принципе вынужденного излучения. Принцип его действия заключается в том, что электроны в атомах поглощают энергию и переходят на более высокий энергетический уровень, а затем при возвращении на более низкий энергетический уровень излучают фотоны. Эти фотоны обладают высокой степенью согласованности характеристик, формируя лазерный луч.
По сравнению с обычными источниками света лазеры обладают следующими существенными преимуществами:
- Высокая монохроматичность
- Высокая направленность
- Высокая яркость
В зависимости от рабочего тела лазеры обычно делятся на четыре основные группы:
- Газовые лазеры
- Твердотельные лазеры
- Полупроводниковые лазеры
- Лазеры на красителях
2. Радар
Радар (от англ. “Radio Detection and Ranging”) представляет собой систему, которая определяет расстояние, скорость, азимут и высоту целевых объектов путем передачи и приема электромагнитных волн. Поэтому радар также называют радиолокационной системой.
Радар по сути представляет собой электронное устройство, основная функция которого заключается в обнаружении и измерении параметров целевых объектов с использованием электромагнитных волн.
3. Лидар
Система лидар (Light Detection and Ranging) представляет собой технологию обнаружения и определения расстояния, основанную на использовании лазерного излучения. Несмотря на то, что название “лидар” похоже на “радар”, между ними существуют значительные различия в технических принципах и методах применения.
Основные различия между лидаром и радаром:
- Различия в длине волны:
- Радар использует радиоволны, обычно с длинами волн от сантиметров до дециметров.
- Лидар использует лазерное излучение, обычно с длинами волн от нанометров до микрометров.
- Оборудование и механизмы работы:
- Генерация, передача и приём электромагнитных волн в радарных и лидарных системах осуществляются с использованием разных устройств.
- Причина названия:
- Термин “радар” широко используется для обозначения систем обнаружения и определения расстояния, а термин “лидар” добавляет префикс “лазер”, чтобы подчеркнуть его технические особенности.
4. Классификация и принципы измерения лидарных систем для БЛА
Лидарные системы, устанавливаемые на БЛА, обычно делятся на две основные группы:
Фазовые лидарные системы: Они обеспечивают высокоточное определение расстояния путем измерения фазового сдвига между излученным и отраженным лазерным лучом, аналогично принципу действия тотального станция.
Импульсные лидарные системы: Они определяют расстояние путем расчета временного интервала между излучением и приёмом лазерного импульса. Импульсные лидарные системы в настоящее время являются основным типом лидаров, используемых на БЛА.
5. Многоканальные лидарные системы и сбор трехмерных данных
Лидарные системы для БЛА обычно используют многоканальные лидары (например, Hesai Pandar40), которые оснащены несколькими лазерными излучателями (например, 40 каналов), расположенных вертикально под разными углами. С помощью вращательного сканирования они могут напрямую получать трехмерные координаты обнаруженных объектов.
Технические преимущества:
- Быстрое и высокоточное получение крупномасштабных трехмерных облаков точек
- Эффективность сбора данных намного превышает эффективность традиционных тотальных станций, что делает их особенно подходящими для крупномасштабных географических съемок
6. Интеграция с системой глобального позиционирования (GPS) и измерение ориентации
При динамических измерениях БЛА используют систему глобального позиционирования (GPS) для калибровки координат, что аналогично обратной геодезической интерполяции при использовании тотального станция.
Для высокоточных измерений использование только GPS недостаточно. Необходимы дополнительные параметры:
- Курс (угол относительно истинного севера)
- Углы ориентации (горизонтальный угол и зенитный угол)
Эти параметры вместе образуют систему позиционирования и ориентации, которая заменяет традиционный процесс “установки по уровням” при использовании тотального станция. Хотя БЛА не могут обеспечить физическую установку по уровням во время полета, высокоточные инерциальные измерительные модули (IMU) могут контролировать изменения углов в реальном времени, обеспечивая точность и надежность данных.
Заключение
Технология лидарных систем для БЛА объединяет лазерное определение расстояния, многоканальное сканирование, позиционирование с использованием GPS и измерение ориентации с помощью IMU для эффективного и точного трехмерного восприятия окружающей среды и сбора географической информации. Применения данной технологии охватывают такие области, как геодезические работы, строительство, умный сельский хозяйство и мониторинг стихийных бедствий, что делает ее важной частью современной технологии пространственной информации.
Рекомендуемая литература
Ниже приведены рекомендации по чтению литературы по технологии лидарных систем для БЛА, которые охватывают авторитетные технические анализы, примеры применения и тенденции развития отрасли:
- Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) - Принципы работы лидарных систем и их применение в дистанционном зондировании: Официальное техническое описание лидарных систем от NOAA, которое охватывает их применение в океанографических съемках, топографических съемках и мониторинге окружающей среды.
- Геологическая служба США (USGS) - Руководство по использованию лидарных систем в геологических и географических съемках: Стандарты обработки данных лидарных систем, рекомендации по их использованию и открытые данные, предоставленные USGS, которые подходят для профессиональных геодезических работ и исследований в области географических информационных систем (ГИС).
- Международная федерация геодезистов (FIG) - Специальный отчет о технологии БЛА и лидарных систем: Обсуждение стандартизации, оценки точности и направлений развития технологии лидарных систем для БЛА в геодезических работах, которое имеет высокую практическую ценность для отрасли.