Импульсные системы лазерного сканирования LiDAR на основе принципа PToF

Миниатюрные импульсные системы лазерного сканирования или «лидары» (от анг. LiDAR - Light Detection and Ranging, что означает «обнаружение и определение дальности с помощью света») всё активнее входят в нашу жизнь заменяя собой ультразвуковые и радиолокационные сенсоры в качестве более точных и более устойчивых к помехам датчиков, предназначенных для определения расстояния до различных объектов в режиме реального времени. В основе принципа действия таких приборов лежит технология PToF (Pulse Time of Flight), т.е. расчёт времени прохождения лазерного импульса. LiDAR излучает лазерный луч с узким полем зрения (FOV), который коллимируется передающей линзой, а затем попадает в приемную систему после отражения от цели и фокусируется на фотодетекторе приемной линзой. Время между переданным и принятым сигналом вычисляется с помощью схемы усиления и фильтрации, а расстояние между носителем лидара и целью может быть рассчитано исходя из скорости света.  

LiDAR также может иметь несколько направлений излучения. В этом случае принцип измерения углового направления состоит в использовании внутреннего сканирующего устройства для отклонения излучаемого лазерного луча, запуска измерения с постоянной угловой амплитудой для сканирования окружающей среды и реализации восприятия трехмерного пространства. Однако большинство лазерных датчиков расстояния всё же представляют собой одноточечные, либо линейные сканирующие устройства. В качестве излучателей в них чаще всего используются лазерные диоды VCSEL или EEL ближнего ИК диапазона, но иногда (в случае нахождения в подводной среде) применяются лазерные диоды видимого спектра. Фотоприёмными устройствами в системах лазерного сканирования обычно служат фотодиоды на основе лавинного пробоя (APD).

Сферы применения лидаров в современном мире очень разнообразны и описать их полностью достаточно сложно, но на некоторых из них безусловно следует остановиться более подробно.

1. Контроль уровня веществ или материалов, содержащихся в определённой ёмкости или бункере:

LiDAR устанавливается на верхней или боковой поверхности бункера и направляется вертикально или наклонно к дну хранилища. Таким образом он используется для определения уровня и высоты материала, хранящегося в бункере и для приблизительного расчета его оставшегося объёма. Для более точного расчёта можно использовать систему сканирования, состоящую из нескольких одноточечных лидаров.

2. Контроль за поверхностью при передвижении роботов:

Когда робот при движении сталкивается с препятствиями, такими как лестницы, стены и т.д., он может с помощью лидара вовремя остановиться и объехать их, чтобы избежать повреждений при столкновении. LiDAR может обнаруживать препятствия по ходу движения и одновременно передавать их в микроконтроллер робота, чтобы он мог своевременно отреагировать, например, затормозить, повернуть и т.д., дабы избежать падения.

3. Удержание определённой высоты полёта БПЛА:

LiDAR устанавливается непосредственно под беспилотником и определяет высоту полета по направлению вертикально вниз. Система обработки сигналов вычисляет высоту полета дрона над землей в соответствии с принципом PToF и формулой зависимости скорости от времени.

4. Контроль за транспортной системой:

Обладая высокой частотой, точностью, многодиапазонностью и другими характеристиками, LiDAR может помочь в области построения интеллектуальной транспортной системы для обнаружения парковки, захвата транспортных средств с помощью камеры, определения транспортных потоков и т.д.

5. Автомобильные сенсоры (парковочные датчики, датчики открытия дверей и т.д.):

LiDAR легко установить незаметно, не нарушая эстетики автомобиля, к тому же лазерные датчики намного точнее ультразвуковых или датчиков на основе фотоэлемента. LiDAR безукоризненно обнаруживает окружающие препятствия даже на черных или глянцевых поверхностях. Благодаря высокой частоте импульсов он быстро распознает близлежащие металлические предметы, пешеходов, велосипеды и другие быстро движущиеся препятствия, оперативно запуская систему оповещения и повышая безопасность вождения.

6. Отдельный класс лидаров – это приборы, предназначенные для использования под водой на глубине до 4м:

Такие лидары помогают робототехнике ориентироваться в подводной среде, сканируя окружающее пространство на 360 градусов вокруг при помощи однофотонного лазерного излучателя.

Полный ассортимент описанных выше систем лазерного сканирования (LiDAR) вы можете найти на нашем сайте: Навигационные лидары