- LiDAR는 무엇입니까?
- LiDAR의 작동 원리
- LIDAR 시스템의 구성 요소
- LiDAR의 유형
- 플랫폼 기반 LiDAR 유형
- 후방 산란 유형에 따른 LIDAR 유형
- LiDAR의 응용
- LiDAR 제한 사항
- LiDAR의 장단점
- 애호가 및 제작자를위한 LIDAR
1990 년대의 가장 큰 기술적 환상 중 하나였던 무인 자동차 ("The Love Bug"및 "Demolition Man"과 같은 초기 영화에 의해 구동 됨)는 오늘날 여러 기술, 특히 LIDAR를 중심으로 한 엄청난 발전 덕분에 현실이되었습니다.
LiDAR는 무엇입니까?
LIDAR (Light Detection and Ranging의 약자)은 물체에 광선을 발사하여 물체의 거리를 측정하고 반사 된 광선의 시간과 파장을 사용하여 거리를 추정하고 일부 응용 분야 (Laser 이미징), 개체의 3D 표현을 만듭니다.
레이저에 대한 아이디어는 1930 년 EH Synge의 작업으로 거슬러 올라갈 수 있지만, 레이저가 발명 된 후 1960 년대 초까지는 문제가되지 않았습니다. 본질적으로 레이저 초점 이미징과 비행 시간 기술을 사용하여 거리를 계산할 수있는 기능을 결합한이 회사는 구름을 측정하는 데 사용되는 기상학과 레이저 고도계가 매핑에 사용 된 우주에서 가장 초기에 응용 프로그램을 발견했습니다. 아폴로 15 호 임무 중 달 표면. 그 이후로이 기술은 개선되어 다음과 같은 다양한 응용 분야에서 사용되었습니다. 지진 활동, 해양학, 고고학 및 항법 감지.
LiDAR의 작동 원리
이 기술은 물체 감지 및 거리에 파도 반사 원리를 사용하는 RADAR (선박과 비행기에서 사용하는 전파 탐색) 및 SONAR (잠수함에서 주로 사용하는 수중 물체 감지 및 탐색)과 매우 유사합니다. 견적. 그러나 RADAR는 전파를 기반으로하고 SONAR는 사운드를 기반으로하는 반면 LIDAR는 광선 (레이저)을 기반으로 합니다.
LIDAR는 다음과 같은 다양한 파장에 걸쳐 빛을 사용합니다. 이미지 물체에 대한 자외선, 가시 광선 또는 근적외선 및 그 자체로 다음을 포함한 모든 종류의 재료 구성을 감지 할 수 있습니다. 비금속, 암석, 비, 화학 물질, 에어로졸, 구름, 심지어는 단일 분자. LIDAR 시스템은 초당 최대 1,000,000 개의 광 펄스를 발사하고 펄스가 스캐너로 다시 반사되는 데 걸리는 시간을 사용하여 스캐너 주변의 물체와 표면이 위치하는 거리를 결정합니다. 거리 측정에 사용되는 기술은 비행 시간으로 알려져 있으며 그 방정식은 다음과 같습니다.
거리 = (빛의 속도 x 비행 시간) / 2
원거리 측정 외에 대부분의 응용 분야에서 광선이 발사 된 환경 / 물체의 3D 맵이 생성됩니다. 이것은 물체 또는 환경에서 레이저 빔의 연속 발사를 통해 수행됩니다.
평면 거울에서 얻을 수있는 정반 사형 반사와는 달리, LIDAR 시스템에서 경험하는 반사 는 광파가 오는 방향을 통해 역으로 확산되기 때문에 후방 산란 반사 라는 점에 유의해야합니다. 응용 분야에 따라 LIDAR 시스템은 Rayleigh 및 Raman 산란을 포함한 다양한 후방 산란 변형을 사용합니다.
LIDAR 시스템의 구성 요소
LIDAR 시스템은 일반적으로 적용으로 인한 변동에 관계없이 존재할 것으로 예상되는 5 개의 요소로 구성됩니다. 이러한 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.
- 레이저
- 스캐너 및 광학 시스템
- 프로세서
- 정확한 타이밍 전자
- 관성 측정 장치 및 GPS
1. 레이저
레이저는 광 펄스의 에너지 원 역할을합니다. LIDAR 시스템에 배치 된 레이저의 파장은 특정 애플리케이션의 특정 요구 사항으로 인해 애플리케이션마다 다릅니다. 예를 들어, Airborne LiDAR 시스템은 1064nm 다이오드 펌핑 YAG 레이저를 사용하는 반면 Bathymetric 시스템은 공기 중 1064nm 버전보다 훨씬 적은 감쇠로 물 (최대 40 미터)을 투과하는 532nm 이중 다이오드 펌핑 YAG 레이저를 사용합니다. 그러나 응용 분야에 관계없이 사용되는 레이저는 일반적으로 안전을 보장하기 위해 에너지가 낮습니다.
2. 스캐너 및 광학
스캐너는 LIDAR 시스템의 중요한 부분입니다. 레이저 펄스를 표면에 투사하고 표면에서 반사 된 펄스를 다시 수신하는 역할을합니다. LIDAR 시스템에 의해 이미지가 현상되는 속도는 스캐너가 후방 산란 빔을 캡처하는 속도에 따라 다릅니다. 응용 분야에 관계없이 LIDAR 시스템에 사용되는 광학 장치는 특히 매핑을위한 최상의 결과를 얻으려면 고정밀 및 품질이어야합니다. 렌즈 유형, 특정 유리 선택 및 사용되는 광학 코팅은 LIDAR의 해상도 및 범위 기능을 결정하는 주요 요소입니다.
응용 프로그램에 따라 다양한 해상도에 대해 다양한 스캔 방법을 배포 할 수 있습니다. 방위각 및 고도 스캐닝, 이중 축 스캐닝은 가장 널리 사용되는 스캐닝 방법 중 하나입니다.
3. 프로세서
고용량 프로세서는 일반적으로 모든 LIDAR 시스템의 핵심입니다. LIDAR 시스템의 모든 개별 구성 요소의 활동을 동기화하고 조정하여 모든 구성 요소가 필요할 때 작동하는지 확인하는 데 사용됩니다. 프로세서는 스캐너, 타이머 (처리 하위 시스템에 내장되지 않은 경우), GPS 및 IMU의 데이터를 통합하여 LIDAR 포인트 데이터를 생성합니다. 이러한 고도 포인트 데이터는 응용 프로그램에 따라지도를 만드는 데 사용됩니다. 무인 자동차에서 포인트 데이터는 장애물 회피 및 일반 내비게이션을 지원하는 차량의 실시간 환경지도를 제공하는 데 사용됩니다.
빛이 나노 초당 약 0.3 미터의 속도로 이동하고 일반적으로 수천 개의 빔이 스캐너로 다시 반사되므로 프로세서는 일반적으로 높은 처리 능력과 함께 고속이어야합니다. 따라서 컴퓨팅 요소의 처리 능력의 발전은 LIDAR 기술의 주요 동인 중 하나였습니다.
4. 타이밍 전자
전체 작업이 정시에 구축되므로 정확한 타이밍은 LIDAR 시스템의 핵심입니다. 타이밍 전자 장치는 레이저 펄스가 나가는 정확한 시간과 스캐너로 돌아 오는 정확한 시간을 기록하는 LIDAR 하위 시스템을 나타냅니다.
정확성과 정확성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 산란 된 반사로 인해 전송 된 펄스는 일반적으로 데이터의 정확성을 보장하기 위해 정확한 시간을 맞춰야하는 여러 반환 값을 갖습니다.
5. 관성 측정 장치 및 GPS
LiDAR 센서가 위성, 비행기 또는 자동차와 같은 모바일 플랫폼에 장착 된 경우 사용 가능한 데이터를 유지하려면 센서의 절대 위치와 방향을 결정해야합니다. 이는 관성 측정 시스템 (IMU) 및 글로벌 위치 확인 시스템 (GPS)을 사용하여 이루어집니다. IMU는 일반적으로 가속도계, 자이로 스코프 및 자기 계로 구성되어 속도, 방향 및 중력을 측정하며, 함께 결합되어지면에 대한 스캐너의 각도 방향 (피치, 롤 및 요)을 결정하는 데 사용됩니다. 반면에 GPS는 센서의 위치에 대한 정확한 지리 정보를 제공하므로 물체 지점의 직접적인 지리 참조가 가능합니다.이 두 구성 요소는 다양한 시스템에서 사용하기 위해 센서 데이터를 정적 지점으로 변환하는 방법을 제공합니다.
GPS 및 IMU를 사용하여 얻은 추가 정보는 수집 된 데이터의 무결성에 중요하며, 특히 자율 주행 차량 및 항공기 기반 상상 시스템과 같은 모바일 LIDAR 애플리케이션에서 표면까지의 거리를 정확하게 추정하는 데 도움이됩니다.
LiDAR의 유형
LIDAR 시스템은 상당히 많은 요인에 따라 유형으로 분류 할 수 있지만, 다음과 같은 세 가지 일반적인 유형의 LIDAR 시스템이 있습니다.
- 거리 측정기 LIDAR
- 차동 흡수 LIDAR
- 도플러 LIDAR
1. 거리 측정기 LIDAR
이들은 가장 단순한 종류의 LIDAR 시스템입니다. LIDAR 스캐너에서 물체 또는 표면까지의 거리를 결정하는 데 사용됩니다. "작동 방식"섹션에 설명 된 비행 시간 원리를 사용하여 반사 빔이 스캐너에 닿는 데 걸리는 시간을 사용하여 LIDAR 시스템과 물체 사이의 거리를 결정합니다.
2. 차동 흡수 LIDAR
차동 흡수 LIDAR 시스템 (때때로 DIAL이라고도 함)은 일반적으로 특정 분자 또는 물질의 존재를 조사하는 데 사용됩니다. DIAL 시스템은 일반적으로 파장 중 하나가 관심 분자에 흡수되고 다른 파장은 흡수되지 않는 방식으로 선택되는 두 파장의 레이저 빔을 발사합니다. 빔 중 하나의 흡수는 스캐너가 수신하는 반사 빔의 강도에 차이 (차동 흡수)를 발생시킵니다. 이 차이는 조사되는 분자의 존재 수준을 추론하는 데 사용됩니다. DIAL은 대기의 화학적 농도 (예: 오존, 수증기, 오염 물질)를 측정하는 데 사용되었습니다.
3. 도플러 LIDAR
도플러 LiDAR는 표적의 속도를 측정하는 데 사용됩니다. LIDAR에서 발사 된 광선이 LIDAR쪽으로 또는 멀리 이동하는 대상에 부딪히면 대상에서 반사 / 산란되는 빛의 파장이 약간 변경됩니다. 이를 도플러 시프트라고합니다. 결과적으로 도플러 LiDAR입니다. 표적이 LiDAR에서 멀어지면 반사광은 더 긴 파장을 가지며 (때때로 적색 이동이라고 함), LiDAR쪽으로 이동하면 반사광은 더 짧은 파장 (파란색 이동)에있게됩니다.
LIDAR 시스템이 유형으로 그룹화되는 다른 분류에는 다음이 포함됩니다.
- 플랫폼
- 후방 산란 유형
플랫폼 기반 LiDAR 유형
플랫폼을 기준으로 사용하여 LIDAR 시스템은 다음과 같은 4 가지 유형으로 분류 할 수 있습니다.
- 지상 기반 LIDAR
- 공수 LIDAR
- Spaceborne LIDAR
- Motion LIDAR
이러한 LIDAR은 구성, 재료, 파장, 전망 및 배치 할 환경에서 작동하는 것에 적합하도록 일반적으로 선택되는 기타 요소가 다릅니다.
후방 산란 유형에 따른 LIDAR 유형
LIDAR 시스템의 작동 방식에 대한 설명에서 LIDAR에서의 반사는 후방 산란을 통한 것이라고 언급했습니다. 다양한 유형의 후방 산란 출구 및 때때로 LIDAR 유형을 설명하는 데 사용됩니다. 후방 산란 유형은 다음과 같습니다.
- 미에
- 레일리
- 라만
- 형광
LiDAR의 응용
극도의 정확성과 유연성으로 인해 LIDAR는 특히 고해상도지도 제작과 같은 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다. LIDAR은 측량뿐만 아니라 농업, 고고학 및 로봇에서 사용되어 왔으며, 현재 자율 주행 자동차 경주의 주요 원동력 중 하나이며 LIDAR 시스템과 유사한 역할을 수행하는 대부분의 차량에 사용되는 주요 센서입니다. 차량의 눈.
LiDAR에는 수백 가지의 다른 응용 프로그램이 있으며 아래에서 가능한 한 많이 언급하려고합니다.
- 자율 주행 차
- 3D 이미징
- 토지 조사
- 전력선 검사
- 관광 및 공원 관리
- 산림 보호를위한 환경 평가
- 홍수 모델링
- 생태 및 토지 분류
- 오염 모델링
- 석유 및 가스 탐사
- 기상학
- 해양학
- 모든 종류의 군사용 애플리케이션
- 셀 네트워크 계획
- 천문학
LiDAR 제한 사항
다른 모든 기술과 마찬가지로 LIDAR에는 단점이 있습니다. LIDAR 시스템 의 범위와 정확도는 악천후시 심각한 영향을받습니다. 예를 들어, 안개 상태에서는 안개에 반사되는 빔으로 인해 상당한 양의 잘못된 신호가 생성됩니다. 이것은 일반적으로 미 산란 효과로 이어지고 따라서 발사 된 빔의 대부분은 스캐너로 다시 돌아 오지 않습니다. 비 입자가 가짜 반환을 일으키기 때문에 비에서도 비슷한 일이 발생합니다.
날씨를 제외하고, LIDAR 시스템은 "빛"을 깜박임으로써 물체가 존재한다고 생각 하도록 속일 수 있습니다 (의도적으로 또는 의도하지 않게). 2015 년에 발표 된 논문 에 따르면 자율 주행 차에 장착 된 LIDAR 시스템에 간단한 레이저 포인터를 플래시하면 차량의 내비게이션 시스템의 방향을 잃을 수있어 물체가 존재하지 않는 것처럼 보일 수 있습니다. 특히 무인 자동차 레이저 적용의이 결함은 카잭 커가 공격에 사용하기위한 원칙을 수정하는 데 오래 걸리지 않기 때문에 많은 보안 문제를 제기합니다. 또 다른 차나 보행자라고 생각되는 것을 감지하면 도로 한가운데 갑자기 차가 멈추는 사고로 이어질 수 있습니다.
LiDAR의 장단점
이 기사를 마무리하기 위해 LIDAR가 프로젝트에 적합한 이유와이를 피해야하는 이유를 살펴 봐야 할 것입니다.
장점
1. 빠르고 정확한 데이터 수집
2. 높은 침투
3. 주변 환경의 빛의 강도에 영향을받지 않으며 야간이나 햇볕에 사용할 수 있습니다.
4. 다른 방법에 비해 고해상도 이미징.
5. 기하학적 왜곡 없음
6. 다른 데이터 수집 방법과 쉽게 통합됩니다.
7. LIDAR는 인적 오류가 데이터의 신뢰성에 영향을 미칠 수있는 특정 애플리케이션에서 좋은 최소한의 인적 의존성을 가지고 있습니다.
단점
1. LIDAR의 비용으로 인해 특정 프로젝트에 대해 과도한 비용이 발생합니다. LIDAR는 상대적으로 비싸다고 가장 잘 설명됩니다.
2. LIDAR 시스템은 폭우, 안개 또는 눈 조건에서 성능이 저하됩니다.
3. LIDAR 시스템은 처리하는 데 높은 계산 리소스가 필요한 대규모 데이터 세트를 생성합니다.
4. 난류 응용 분야에서 신뢰할 수 없습니다.
5. 채택 된 파장에 따라, 특정 종류의 LIDAR에서 발사 된 펄스가 특정 고도에서 효과가 없어 지므로 LIDAR 시스템의 성능은 제한적인 고도입니다.
애호가 및 제작자를위한 LIDAR
LIDAR의 비용으로 인해 시장에 나와있는 대부분의 LIDAR 시스템 (예: 벨로 다인 LIDAR)은 산업용 애플리케이션에 사용됩니다 (모든 "비 취미"애플리케이션을 통합하기 위해).
현재 사용 가능한 "애호가 급"LIDAR 시스템에 가장 가까운 것은 Hybo가 설계 한 iLidar Solid-State LiDAR 센서입니다. 유효 최대 범위가 6 미터 인 3D 매핑 (센서 회전없이)이 가능한 소형 LiDAR 시스템입니다. 센서에는 UART / SPI / i2C 포트와 함께 USB 포트가 장착되어있어 센서와 마이크로 컨트롤러 사이에 통신을 설정할 수 있습니다.
iLidar는 모든 사람에게 적합하도록 설계되었으며 LiDAR와 관련된 기능은 제작자에게 매력적입니다.