Lidar (transliteración LIDAR o LiDAR - English Light Detection and Ranging “detección y rango con la ayuda de la luz”) es una tecnología para medir distancias emitiendo luz ( láser ) y midiendo el tiempo que tarda esta luz reflejada en regresar al receptor .
Lidar como dispositivo es, como mínimo, un telémetro óptico activo .
La traducción bien establecida de LIDAR como " radar láser " no es del todo correcta, ya que en los sistemas de corto alcance (por ejemplo, diseñados para trabajar en interiores), las principales propiedades de un láser -coherencia , alta densidad y potencia de radiación instantánea- son no en demanda; Los diodos emisores de luz ordinarios pueden servir como emisores de luz en tales sistemas . Sin embargo, en las principales aplicaciones de la tecnología ( meteorología , geodesia y cartografía ), con rangos que van desde cientos de metros hasta cientos de kilómetros , solo se utilizan láseres.
El acrónimo LIDAR apareció por primera vez en el trabajo de 1953 "Instrumentos meteorológicos" de Middleton y Speelhouse , mucho antes de la invención de los láseres [1] . Los primeros lidars usaban lámparas ordinarias o de flash con obturadores de alta velocidad que formaban un pulso corto como fuentes de luz [2] .
En 1963, comenzaron en los Estados Unidos las pruebas de campo del telémetro láser portátil XM-23 con una potencia de radiación de 2,5 W y un rango de distancias medidas de 200 a 9995 m [3] . El XM-23 originalmente no estaba clasificado y se convirtió en el instrumento de referencia para los investigadores civiles en la década de 1960 [4] . A fines de la década de 1960, los telémetros láser se convirtieron en equipo estándar en los nuevos tanques estadounidenses (el primer modelo diseñado con telémetros láser fue el M551 Sheridan , lanzado en 1967). Las aplicaciones civiles de los telémetros láser solo estaban limitadas por el alto costo de los circuitos integrados en ese momento.
Al mismo tiempo, en la primera mitad de la década de 1960, comenzaron los experimentos sobre el uso de un lidar con emisores láser para estudiar la atmósfera [5] .
En 1969, se utilizó un telémetro láser y un objetivo montados en el Apolo 11 para medir la distancia de la Tierra a la Luna. Todavía se utilizan cuatro objetivos enviados a la Luna por tres Apolos y Lunokhod 2 para observar la órbita de la Luna [6] [7] .
Durante la década de 1970, por un lado, se depuró la tecnología de los telémetros láser y los láseres semiconductores compactos y, por otro lado, se iniciaron los estudios de dispersión de rayos láser en la atmósfera. A principios de la década de 1980, estos estudios se habían vuelto tan famosos en los círculos académicos de EE. UU. que la abreviatura LIDAR se convirtió en un nombre familiar: lidar , que fue registrado por el Diccionario Webster de 1985 [2] . En los mismos años, los telémetros láser alcanzaron la etapa de tecnología madura (al menos en aplicaciones militares) y se destacaron como una rama de la tecnología separada de los lidars [8] .
Los experimentos sobre la ubicación láser de la Luna en la URSS comenzaron en 1963, y desde 1973 se realizaron observaciones sistemáticas de los cinco reflectores de esquina ubicados en ese momento en la Luna (" Lunokhod-1 ", " Lunokhod-2 ", " Apollo-11 ", " Apolo -14 ", " Apolo 15 ") [9] :263,267,272 . Para el alcance láser de los satélites artificiales de la Tierra , se lanzaron en la URSS satélites con reflectores de esquina a bordo : Interkosmos-17 (1977), Interkosmos-Bulgaria-1300 (soviético-búlgaro, 1981), Meteor-3 (1985), utilizado desarrollado por científicos soviéticos telémetro láser "Crimea" [10] : 321,323 .
En la URSS, había dos familias de instrumentos meteorológicos lidar destinados a su uso en aeródromos (en ambas familias, se usaban lámparas de destello como fuente del flujo de luz de sondeo):
A diferencia de las ondas de radio , que se reflejan efectivamente solo en objetivos metálicos bastante grandes, las ondas de luz están sujetas a dispersión en cualquier entorno, incluido el aire, por lo que es posible no solo determinar la distancia a objetivos discretos opacos (que reflejan la luz), sino también para fijar la intensidad de la dispersión de la luz en ambientes transparentes. La señal reflejada que regresa pasa a través del mismo medio de dispersión que el haz de la fuente y está sujeta a una dispersión secundaria; por lo tanto, restaurar los parámetros reales de un medio óptico distribuido es una tarea bastante difícil que puede resolverse mediante métodos analíticos y heurísticos.
Las principales diferencias en los diseños y principios de funcionamiento de los lidars modernos radican en los módulos para generar el escaneo. El barrido puede formarse tanto por métodos mecánicos (utilizando espejos giratorios o utilizando el movimiento de sistemas microelectromecánicos ), como utilizando un conjunto de antenas en fase [11] .
En la gran mayoría de diseños, el emisor es un láser que genera pulsos cortos de luz de alta potencia instantánea. La tasa de repetición de pulsos o la frecuencia de modulación se elige de modo que la pausa entre dos pulsos sucesivos no sea menor que el tiempo de respuesta de los objetivos detectables (que pueden estar físicamente más lejos que el alcance estimado del dispositivo). La elección de la longitud de onda depende de la función del láser y de los requisitos de seguridad y sigilo del instrumento; los láseres Nd:YAG y las longitudes de onda (en nanómetros ):
También es posible utilizar (ver robots industriales y de servicios ) en lugar de pulsos cortos de modulación de amplitud continua de la radiación por tensión alterna.
La mayoría de los lidars modernos utilizan un barrido cilíndrico. Este tipo de barrido es el más simple de formar y fácil de procesar. Sin embargo, tiene desventajas. Por ejemplo, al usar un barrido cilíndrico, es posible que no se detecten objetos horizontales estrechos (como una barrera). La mayoría de las veces, este problema se resuelve utilizando un lidar adicional con un escaneo cilíndrico, pero orientado perpendicularmente al primer lidar.
Además del escaneo cilíndrico, hay lidars con un patrón de escaneo de "roseta". La formación de este barrido es más complicada que la formación de un barrido cilíndrico; sin embargo, los lidar con un barrido de roseta no experimentan los problemas descritos anteriormente.
Óptica de escaneoLos sistemas lidar atmosféricos más simples no tienen medios de guía y están dirigidos verticalmente hacia el cenit .
Para escanear el horizonte en un plano, se utilizan cabezales de escaneo simples. En ellos, el emisor y el receptor fijos también están dirigidos al cenit; en un ángulo de 45° con respecto al horizonte y la línea de radiación, se instala un espejo que gira alrededor del eje de radiación. En las instalaciones aeronáuticas, donde es necesario escanear una franja perpendicular a la dirección de vuelo de la aeronave portadora, el eje de radiación es horizontal. Para sincronizar el motor que hace girar el espejo y los medios de procesamiento de la señal recibida, se utilizan sensores de posición del rotor precisos , así como marcas de referencia fijas aplicadas a la carcasa transparente del cabezal de exploración.
El escaneo en dos planos agrega a este esquema un mecanismo que gira el espejo en un ángulo fijo con cada giro de la cabeza; así es como se forma un escaneo cilíndrico del mundo circundante. Si tiene suficiente poder de cómputo, puede usar un espejo rígidamente fijo y un haz de rayos divergentes; en este diseño, se forma un "marco" por revolución de la cabeza.
Escaneo con MEMSEl escaneo también se puede hacer usando sistemas microelectromecánicos. Dichos sistemas pueden reducir significativamente el tamaño y aumentar la confiabilidad de los productos.
Antena de matriz en fase activaUn conjunto de antenas en fase activa forma un rayo láser con una pluralidad de módulos de transmisión, cada uno de los cuales genera radiación con sus propios parámetros. De esta manera, se puede controlar la dirección del haz. El uso de PAR en lidar le permite deshacerse de las piezas móviles y, por lo tanto, prolongar la vida útil del producto.
El rango dinámico de la ruta de recepción juega un papel importante . Por ejemplo, la ruta de recepción del último subsistema de visión artificial MuCAR-3 (2006) con un rango dinámico de 1:10 6 proporciona un rango efectivo de 2 a 120 m (1:60 en total). Para evitar sobrecargar el receptor con una iluminación intensa debido a la dispersión en la "zona cercana", los sistemas de largo alcance utilizan obturadores mecánicos de alta velocidad que bloquean físicamente el canal óptico receptor. En dispositivos de rango cercano con un tiempo de respuesta de menos de un microsegundo , esto no es posible.
La investigación atmosférica mediante lidars estacionarios es la aplicación más extendida de la tecnología. Hay varias redes de investigación permanentes (interestatales y universitarias) desplegadas en todo el mundo que monitorean los fenómenos atmosféricos.
Medición de la altura de la base de las nubes . Los localizadores de luz DVO-2 [12] (con una lámpara de destellos como fuente de luz), los localizadores de luz láser DOL-2 [13] y un nefobasímetro láser para medir la altura del límite inferior de las nubes y la visibilidad vertical [14] también son producido en Rusia Localizadores de luz láser CL31 de la producción finlandesa [15] .
Medida de visibilidad . Los transmisómetros FI-3 [16] se fabrican en Rusia y también se utilizan los transmisómetros finlandeses LT31 [17] . En ambos dispositivos, la fuente de radiación es un LED semiconductor.
Medición de la velocidad y dirección de los flujos de aire . La justificación teórica para el uso de un lidar Doppler basado en tierra para tales mediciones se dio en la década de 1980 [18] . Los primeros desarrollos prácticos utilizaron sistemas ópticos fijos con el haz apuntando verticalmente al cenit ; en la década de 1990, se propusieron tecnologías para permitir que los lidar Doppler escanearan un amplio campo de visión [19] . En 2001 , Alcatel propuso la colocación de lidars a bordo de los satélites , de modo que una "constelación" de satélites en órbita sea capaz de rastrear el movimiento de masas de aire dentro de todo un continente, y potencialmente en la Tierra como un todo [20] . Los lidars se utilizan activamente para observar la contaminación atmosférica . Una clase especial de lidar de absorción diferencial ( lidar de absorción diferencial, DIAL), que emite luz simultáneamente con diferentes longitudes de onda, puede determinar de manera efectiva la concentración de gases individuales, cuyos parámetros ópticos dependen de la longitud de onda.
Medición de la temperatura de la atmósfera . Se han desarrollado y puesto en práctica varios métodos básicos para medir los perfiles de temperatura.
El primer método utiliza dispersión resonante por átomos de metales alcalinos, en particular, sodio, potasio y también hierro [21] [22] [23] . Las nubes de átomos metálicos se encuentran a una altitud de 85-100 km. La temperatura se mide a partir del ensanchamiento Doppler de las líneas de resonancia por sondeo con un láser sintonizable de banda estrecha (se utilizan láseres líquidos con una sustancia activa en forma de una solución de colorante orgánico). Las primeras mediciones se realizaron utilizando nubes artificiales de sodio lanzadas a la atmósfera por cohetes. A pesar de que el método está limitado por el rango de alturas en las que están presentes los átomos metálicos, la señal dispersada resulta ser relativamente grande, lo que permite medir la temperatura con una precisión de hasta 1,5 ˚K [24]. ] .
El segundo método es el método de dispersión de Rayleigh (LiDAR de Rayleigh), basado en la dispersión de luz no resonante por moléculas de aire [22] [25] [26] . Se utilizó por primera vez en 1953 en experimentos con proyector de sondeo de la atmósfera [27] . La esencia del método es la siguiente. Si no hay dispersión de aerosoles, la potencia de la señal retrodispersada es directamente proporcional a la densidad del aire, a partir de la cual se puede calcular la temperatura. La rarefacción del aire con la altura permite utilizar el método de dispersión de Rayleigh a alturas que no superen los 90 km. El límite inferior de la altura de medición (alrededor de 20-30 km) se debe a la presencia de una gran cantidad de aerosol en la capa límite, lo que aumenta significativamente la dispersión, pero prácticamente no afecta la densidad del aire.
El tercer método se basa en la dispersión rotacional Raman (Raman) por moléculas de aire (Raman lidar) [22] [25] . A medida que aumenta la temperatura, aumenta la intensidad de las transiciones con números cuánticos grandes, mientras que disminuye la intensidad de las líneas del espectro Raman rotacional correspondientes a números cuánticos pequeños. Las transiciones con números cuánticos grandes corresponden a líneas en el espectro Raman que están más alejadas de la frecuencia central. La temperatura se determina usando mediciones en dos regiones del espectro con diferentes dependencias de temperatura. La altura máxima de sondeo es de unos 30 km, el error de medición es inferior a 1 ˚K hasta una altura de 10 km [28] . Dado que la línea de dispersión elástica se suprime en el receptor, las mediciones también se pueden realizar en presencia de concentraciones significativas de aerosoles.
La medición de la temperatura también se puede llevar a cabo utilizando el lidar DIAL [22] , pero este método no se usa mucho.
Además de los fines científicos y las observaciones meteorológicas, se están probando activamente sistemas integrados para monitorear los flujos de aire en áreas aeroportuarias. Entre las propuestas prácticas de los últimos años se encuentran los sistemas de control automático de aerogeneradores que utilizan lidars para determinar la fuerza y dirección del viento [29] .
Alerta temprana de incendios forestales . Un lidar colocado en una colina (en una colina o en un mástil) y escaneando el horizonte es capaz de distinguir anomalías en el aire generadas por incendios. A diferencia de los sistemas infrarrojos pasivos que reconocen solo anomalías térmicas, el lidar detecta humo por anomalías generadas por partículas de combustión, cambios en la composición química y transparencia del aire, etc. La tecnología con un radio de detección de humo de 20 km se anunció por primera vez en 1990 [30 ] , Las búsquedas activas de configuraciones óptimas del sistema todavía están en curso [31] .
En lugar de instalar el lidar en el suelo, donde la luz reflejada recibida será ruidosa debido a la dispersión en la atmósfera inferior contaminada, el lidar "atmosférico" se puede levantar en el aire o en órbita, lo que mejora significativamente la señal a relación de ruido y el rango efectivo del sistema. El primer lidar orbital completo fue puesto en órbita por la NASA en diciembre de 1994 como parte del programa LITE (Lidar In-Space Technology Experiment) [32] [33] . Un lidar LITE de dos toneladas con un telescopio reflector de un metro de largo , elevado a una altura de 260 km, "dibuja" un punto borroso en el suelo con un diámetro de 300 m, que claramente no fue suficiente para mostrar el relieve de manera efectiva, y era exclusivamente “atmosférica”.
La experiencia de verificar datos de imágenes satelitales utilizando datos sincrónicos de más de 60 lidars terrestres en todo el mundo resultó ser especialmente valiosa [34] .
Está previsto que el primer lidar orbital europeo (proyecto ALADIN) se lance en 2014 [35] .
Geodesia espacial . Los proyectos espaciales modernos se dividen en dos áreas: la mejora de los sistemas "atmosféricos" (ver el proyecto Alcatel mencionado anteriormente) y los lidars geodésicos capaces de escanear la superficie terrestre con una resolución aceptable. Los lidars se pueden usar tanto en la órbita de la Tierra como en las órbitas de otros planetas, un ejemplo práctico de esto es el lidar a bordo AMS Mars Global Surveyor .
Aeronáutica Geodesia, Topografía y Arqueología . El Servicio Oceanográfico Nacional de EE. UU. (NOAA) utiliza sistemáticamente lidars aéreos para levantamientos topográficos de la costa del mar. El lidar de escaneo de NOAA tiene una resolución vertical de 15 cm y un ancho de banda de escaneo (a una altitud de vuelo nominal) de 300 m La referencia a la altura absoluta se hace "desde el nivel del mar" (ajustado por mareas), hasta las coordenadas geográficas, de acuerdo con las señales de GPS [36] . El Servicio Geográfico de los Estados Unidos (USGS) lleva a cabo levantamientos topográficos similares en la Antártida , los datos de levantamientos del USGS están disponibles públicamente [37] . En 2007, el USGS inició un programa para incorporar datos LIDAR en la base de datos topográfica nacional de EE . UU. [38] .
Una dirección especial utilizada en la práctica en regiones sísmicas de los Estados Unidos es la medición diferencial de alturas para identificar movimientos locales de masas de tierra en el área de la falla . En 1996, se descubrió una zona de falla previamente desconocida cerca de Seattle usando lidar [39] .
Seguimiento de bosques y biomasa . Los lidars espaciales (por ejemplo, GLAS - Geoscience Laser Altimeter System) y de aviación permiten determinar la altura de la vegetación, en particular de los bosques. De esta forma, se hace posible esclarecer la distribución de los bosques, calcular sus parámetros (fitomasa, existencias de madera) y monitorear la dinámica de la cobertura forestal (por ejemplo, deforestación en los trópicos ).
El escaneo láser aéreo del terreno permite obtener datos sobre la superficie real de la tierra, excluyendo distorsiones de bosques, edificios, etc., y también permite identificar objetos arqueológicos poco profundos de la capa cultural [40] [41] [42] . Por ejemplo, las ruinas de las antiguas grandes zonas residenciales en la jungla alrededor del templo de Angkor Wat fueron descubiertas de esta manera , ocupando más de 1.000 km² [43] .
Los lidars que escanean objetos inmóviles (edificios, paisajes urbanos, trabajos en minas a cielo abierto) son relativamente baratos: dado que el objeto está inmóvil, no se requiere una velocidad especial del sistema de procesamiento de señales y el ciclo de medición en sí puede llevar bastante tiempo (minutos) . Así como el costo de los telémetros láser y los niveles utilizados en la construcción cayeron al mismo tiempo, debemos esperar una mayor disminución en los precios de los lidars de construcción y minería: la caída de los precios está limitada solo por el costo de la óptica de escaneo de precisión. Aplicaciones Típicas:
Topografía de minas : mediciones de trabajos de mina a cielo abierto, construcción de modelos tridimensionales de formaciones rocosas subterráneas (incluso junto conherramientas sismográficas ).
Construcción : mediciones de edificios, control de la desviación de los planos de paredes y columnas de carga de la vertical (incluso en dinámica), análisis de vibraciones de paredes y acristalamientos. Mediciones de fosas, creación de modelos tridimensionales de obras para evaluar el volumen de movimiento de tierras.
La arquitectura es la construcción de modelos tridimensionales del entorno urbano para evaluar el impacto de los nuevos edificios propuestos en la apariencia de la ciudad.
Medición de la profundidad del mar . Para esta tarea, se utiliza un lidar diferencial aerotransportado. Las ondas rojas se reflejan casi por completo en la superficie del mar, mientras que las ondas verdes penetran parcialmente en el agua, se disipan en ella y se reflejan en el fondo marino. La tecnología aún no se utiliza en hidrografía civil debido al alto error de medición y al pequeño rango de profundidades medidas.
Búsqueda de peces . Medios similares pueden detectar signos de cardúmenes de peces en las capas de agua cercanas a la superficie. Especialistas del laboratorio estatal estadounidense ESRL afirman que la búsqueda de peces con aviones ligeros equipados con lidar es al menos un orden de magnitud más económica que con barcos equipados con ecosondas [44] .
Salvamento de personas en el mar . En 1999 , la Marina de los EE. UU. patentó un diseño de avión lidar aplicable a la búsqueda de personas y cuerpos humanos en la superficie del mar; [45] , la novedad fundamental de este desarrollo es el uso del enmascaramiento óptico de la señal reflejada, lo que reduce el efecto de la interferencia.
liquidación _ La detección de minas es posible utilizando lidars sumergidos directamente en el agua (por ejemplo, desde una boya remolcada por un barco o un helicóptero), pero no tiene ninguna ventaja especial en comparación con los sistemas acústicos activos ( sonares ). Se han patentado medios para detectar minas en capas de agua cercanas a la superficie utilizando lidars aerotransportados; se desconoce la efectividad de tales lidars.
Sistemas de visión submarina . En los orígenes de la aplicación submarina de lidars en el mar fue Kaman Corporation , que patentó una tecnología viable en 1989 [46] . La dispersión intensa (en comparación con el aire) de la luz en el agua durante mucho tiempo limitó la acción de los lidar submarinos a decenas de metros. El pulso láser es capaz de "atravesar" incluso largas distancias, pero la señal reflejada útil es indistinguible en el contexto de la iluminación parásita. Kaman superó este problema mediante el uso de obturadores electrónicos que solo abrieron el camino óptico al receptor CCD durante un breve período de respuesta esperada. Además, la imagen del objetivo en sí se formó mediante el método de "sustracción de sombras", lo que aumentó significativamente el alcance del sistema. Kaman también aplica el método de ventana de tiempo corto a los sistemas de aeronaves; en ellos, el momento de apertura del canal óptico lo establece el altímetro del avión de transporte [47] .
En los años siguientes, Kaman desarrolló el tema de los lidars tanto en la dirección de aumentar el alcance y la confiabilidad del reconocimiento de patrones como parte de nuevas áreas de aplicación. Por ejemplo, en 1999 patentó el uso de lidars para establecer comunicaciones submarinas de alta velocidad con vehículos submarinos no tripulados ( torpedos guiados ) a través de un canal óptico [48] . En 1992, se propusieron lidars individuales para buzos y buceadores [49] . Es probable que una capa significativa de desarrollos navales siga siendo desconocida para el público en general.
Determinación de la velocidad de los vehículos . En Australia, los lidars más simples se utilizan para determinar la velocidad de los automóviles, al igual que los radares de la policía. El "radar" óptico es mucho más compacto que el tradicional, pero menos confiable para determinar la velocidad de los automóviles modernos: los reflejos de planos inclinados de forma compleja "confunden" al lidar.
Sistemas de seguridad activaVehículos no tripulados . En 1987-1995, durante el proyecto EUREKA Prometheus , que le costó a la Unión Europea más de mil millones de dólares, se desarrollaron los primeros desarrollos prácticos de vehículos no tripulados . El prototipo más famoso, VaMP (desarrollador - Universidad Bundeswehr en Munich ) no usó lidars debido a la falta de poder de cómputo de los procesadores de entonces . Su último desarrollo, MuCAR-3 (2006), utiliza un solo lidar de 360 grados elevado por encima del techo del vehículo, junto con una cámara multifocal direccional hacia adelante y un sistema de navegación inercial [50] . El lidar MuCAR-3 es utilizado por el subsistema para seleccionar la trayectoria óptima en terreno accidentado, da una resolución angular de 0,01° con un rango dinámico del receptor óptico de 1:10 6 , lo que da un radio de visión efectivo de 120 m Para lograr una velocidad de escaneo aceptable, un haz de 64 rayos láser divergentes, por lo que un "marco" completo requiere una sola rotación del espejo giratorio [50] .
Desde 2003, el gobierno de EE. UU. ha financiado el desarrollo y la competencia de vehículos robóticos a través de la Agencia de Desarrollo Avanzado de Defensa ( DARPA ). Hay carreras anuales de DARPA Grand Challenge ; la carrera de 2005 fue ganada por una máquina de Stanford , basada en un sistema de visión basado en cinco lidars de visión direccional.
En octubre de 2017, se vio en las calles un dispositivo de Apple llamado Project Titan para llevar la función de piloto automático a cualquier automóvil. Apple eligió el automóvil Lexus RX para probar el piloto automático . En su techo se instaló un dispositivo con un radar y 12 lidars, que ayudan al sistema a estudiar el entorno.
Sistemas automáticos de atraque . La empresa canadiense Optech diseña y fabrica sistemas de acoplamiento automático en órbita basados en lidars [51] .
Los sistemas de visión artificial de corto alcance para robots basados en el lidar de escaneo de IBM forman un barrido cilíndrico con un ángulo de cobertura del horizonte de 360° y un ángulo de visión vertical de hasta +30...-30°. El telémetro en sí, instalado dentro del cabezal óptico de exploración, funciona con radiación constante de baja potencia modulada por una frecuencia portadora de unos 10 MHz. La distancia a los objetivos (con una portadora de 10 MHz - no más de 15 m) es proporcional al cambio de fase entre el oscilador de referencia que modula la fuente de luz y la señal de respuesta. El lidar de IBM utiliza un discriminador de fase continuo analógico simple y tiene una alta resolución angular, que en la práctica está limitada solo por la velocidad del procesador que procesa la "imagen" tridimensional del lidar y el sistema para controlar automáticamente la señal. nivel en la salida del receptor (los AGC rápidos introducen distorsiones de fase en la señal recibida, los lentos reducen el rango dinámico). En 1990–1994, Joseph Engelberger [52] probó estos lidar en robots de servicio , sin embargo, el uso de lidar en productos en serie se abandonó en favor de sensores ultrasónicos baratos.
Apple instalará lidar en iPhones y iPads a partir de 2020.
