LiDAR
Jak działa
Emiter (dioda laserowa lub laser światłowodowy, zwykle 905 nm lub 1550 nm) wysyła krótki impuls lub falę modulowaną. Światło odbija się od obiektu i wraca do detektora (np. fotodiody lawinowej APD lub SPAD). Elektronika pomiarowa wyznacza czas przelotu: bezpośrednio mierząc opóźnienie impulsu (dToF) lub fazę sygnału modulowanego (iToF); w wariancie FMCW porównuje częstotliwości sygnału wysłanego i odebranego, uzyskując jednocześnie odległość i prędkość radialną. Odległość liczona jest jako d = c·t/2. Mechanizm skanowania (obrotowe lustro, MEMS, matryca fazowana lub oświetlenie flash) omiata wiązkę po polu widzenia. Zebrane pomiary (odległość + kąty + intensywność) są łączone w chmurę punktów 3D, którą dalsze algorytmy wykorzystują do detekcji obiektów, mapowania i SLAM.
Rozwiązany problem
Roboty i pojazdy potrzebują dokładnej, metrycznej informacji o odległości i kształcie otoczenia w 3D. Kamery pasywne nie mierzą głębi bezpośrednio i zawodzą przy słabym lub zmiennym oświetleniu, a radar ma niską rozdzielczość kątową. LiDAR dostarcza gęstej, dokładnej geometrii 3D niezależnej od światła otoczenia.
Komponenty
Źródło światła (dioda laserowa lub laser światłowodowy), zwykle 905 nm lub 1550 nm, generujące impulsy lub falę modulowaną.
Oficjalna
Kieruje wiązkę po polu widzenia: obrotowe lustro, MEMS, optyczna matryca fazowana lub oświetlenie flash (bez skanowania).
Oficjalna
Fotodetektor rejestrujący powracające światło, np. fotodioda lawinowa (APD) lub jednofotonowa (SPAD).
Oficjalna
Wyznacza czas przelotu (dToF) lub fazę/częstotliwość (iToF/FMCW) i przelicza go na odległość d = c·t/2.
Łączy pomiary odległości, kątów i intensywności w chmurę punktów 3D wykorzystywaną przez percepcję, mapowanie i SLAM.
Oficjalna
Implementacja
Deszcz, mgła, śnieg, kurz i spaliny rozpraszają wiązkę, obniżając zasięg i wprowadzając fałszywe punkty.
Ciemne, mokre lub lustrzane obiekty odbijają mało światła do detektora, powodując luki w chmurze punktów.
Skanowanie sekwencyjne przy ruchu sensora deformuje chmurę punktów, jeśli nie zostanie skorygowane.
W obecności wielu lidarów impulsy z innych urządzeń mogą być błędnie rejestrowane.
Ewolucja
Theodore Maiman demonstruje pierwszy działający laser (rubinowy), umożliwiając aktywny pomiar odległości światłem.
Hughes Aircraft Company buduje wczesny laserowy dalmierz/system śledzenia.
Termin „lidar” pojawia się w publikacji; powstaje dalmierz „Colidar Mark II”.
Astronauci Apollo 15 używają laserowego altimetru do mapowania powierzchni Księżyca, popularyzując technologię.
Zawody ujawniają ograniczenia jednowiązkowych lidarów i kamer w jeździe autonomicznej, motywując rozwój lidaru 3D.
Velodyne (David Hall) wprowadza obrotowy sensor 64-wiązkowy dający mapę 360° 3D (~1 mln punktów/s) — przełom dla pojazdów autonomicznych.
Hiperparametry (konfigurowalne osie)
Zwykle 905 nm (tańsze, ograniczone bezpieczeństwem oka) lub 1550 nm (większy zasięg, bezpieczniejsze dla oka).
Maksymalna odległość pomiaru; zależy od mocy lasera, czułości detektora i odbicia obiektu.
Gęstość kątowa punktów; determinuje zdolność rozróżniania małych i odległych obiektów.
Przepustowość pomiarów; nowoczesne sensory osiągają setki tysięcy do milionów punktów/s.
Zakres kątowy pokrycia poziomego i pionowego; mechaniczne dają 360° w poziomie, solid-state zwykle wycinek.
Sposób omiatania wiązki: mechaniczny, MEMS, matryca fazowana lub flash.