Лидар (LIDAR, от англ. Light Detection and Ranging) — это технология дистанционного зондирования, использующая лазерное излучение для измерения расстояний до объектов. Лидар излучает лазерный луч и измеряет время, за которое отражённый сигнал возвращается обратно. На основе этих данных создается трёхмерная модель окружающей среды.
В этой статье мы рассмотрим основные этапы становления данной технологии, как она работает и где применяется.
История развития лидаров
История лидаров начинается с исследований в области радиолокации (радаров) в 1930-х годах, которые заложили основы для будущего развития лидарных технологий. В этот период начала формироваться идея использования света для измерения расстояний до объектов. Однако настоящий прорыв произошел в 1960 году с изобретением лазера американским физиком Теодором Майманом. Лазеры предоставили мощный и точный источник света, необходимый для лидарных технологий. В 1961 году начались первые эксперименты с использованием лазеров для измерения расстояний, и в 1962 году был создан первый прототип лидара, использующий принцип измерения времени полёта света.
В 1971 году NASA использовало лидар на космическом аппарате "Аполлон-15" для картографирования поверхности Луны. Это было одно из первых практических применений лидарной технологии. В 1970-х годах лидары начали использоваться для изучения атмосферы, в том числе для измерения высоты облаков и концентрации озона. В 1980-е годы лидарные системы стали более компактными и точными, что позволило применять их в геодезии, картографии и изучении лесов. В 1990-е годы появились новые типы лидаров, такие как диодные и полупроводниковые лазеры, что сделало технологии более доступными и расширило их применение, особенно в области мониторинга окружающей среды и исследований атмосферы.
В 2000-е годы лидары начали активно применяться в различных коммерческих сферах, таких как строительство, архитектура и автомобильная промышленность. В 2005 году Google начала разработку своей программы беспилотных автомобилей, в которой лидарные системы играли ключевую роль. В 2010-е годы появились доступные и высокоточные лидарные системы для дронов и наземных транспортных средств, что привело к их массовому использованию в самоуправляемых автомобилях и быстрому развитию технологий.
Виды лидаров
Лидары классифицируются по различным характеристикам и применению. Ниже приведены основные виды лидаров:
По методам сканирования:
- Механические лидары (ротационные и гальванометрические): Первые используют вращающиеся зеркала или сам лидарный модуль для сканирования окружающей среды. Вторые используют гальванометрические зеркала для точного направления лазерного луча.
- Flash лидары: Такие лидары освещают всю сцену сразу с помощью широкого лазерного импульса и фиксируют отраженные сигналы на матрице детекторов.
По платформе:
- Воздушные лидары: Устанавливаются на самолётах, вертолётах или беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). Используются для картографирования, геодезии, исследования лесов и сельского хозяйства.
- Наземные лидары: Такие лидары можно условно разделить на стационарные и мобильные. Первые устанавливаются на штативах или других неподвижных платформах для сканирования зданий, инфраструктуры и природных объектов. Вторые устанавливаются на транспортных средствах, таких как автомобили или поезда, для картографирования городов, дорог и железнодорожных путей.
- Подводные лидары: Применяются для исследования дна водоемов, озёр, рек и морей.
По типу излучаемого сигнала:
- Импульсные лидары: Излучают короткие мощные импульсы света и измеряют время их возврата. Широко используются в геодезии и самоуправляемых автомобилях.
- Лидары в непрерывном режиме: Излучают непрерывный лазерный луч, и расстояние измеряется на основе частотных модуляций. Часто используются в близком диапазоне, например, в промышленных приложениях.
По длине волны лазера:
- Ультрафиолетовые лидары: Применяются для анализа атмосферы и обнаружения химических соединений.
- Лидары в видимом диапазоне: Используют лазеры в видимом спектре и применяются в системах дополненной реальности и распознавания объектов.
- Инфракрасные лидары: Наиболее распространены в беспилотных автомобилях и картографировании, так как инфракрасное излучение хорошо проникает через атмосферные помехи.
Применение лидаров
По нескромному мнению автора лидар является одной из самых популярных лазерных технологий, который используется во многих областях науки и техники. Например:
- Геодезия и картография: Создание детализированных карт местности, измерение высот и построение топографических моделей.
- Археология: Обнаружение и исследование археологических объектов, скрытых под густой растительностью или слоем почвы.
- Лесное хозяйство: Изучение структуры лесов, оценка биомассы и мониторинг состояния лесных насаждений.
- Беспилотные автомобили: Обеспечение безопасной навигации и распознавания объектов на дороге.
- Строительство и архитектура: Создание трёхмерных моделей зданий и инфраструктуры для планирования и контроля строительства.
Перспективы использования лидаров
Лидары становятся всё более доступными и точными, что открывает новые возможности для их применения.
В будущем можно ожидать улучшение технологии для беспилотных транспортных средств, развитие технологий "умных" городов, в именно использование лидаров для управления городским трафиком, мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности, а также расширение применения в сельском хозяйстве, например, оптимизация процессов посева, сбора урожая и мониторинга состояния полей.