Як концепція, лідер уже налічує кілька десятиліть. Втім, інтерес до цієї технології останніми роками різко зріс, оскільки сенсори стають меншими, ускладнюються, а сфера застосування продуктів з технологією лідара дедалі більше розширюється.

Слово лідер є транслітерацією LIDAR (Light Detection and Ranging - світлова система виявлення та вимірювання дальності). Це технологія отримання та обробки інформації про віддалені об'єкти за допомогою активних оптичних систем, що використовують явища відображення світла та його розсіювання у прозорих та напівпрозорих середовищах. Лідар як прилад подібний до радару, тому його застосування - це спостереження і виявлення, але замість радіохвиль як у радарі в ньому використовується світло, що генерується в переважній більшості випадків лазером. Термін лідар часто використовується рівноправно з терміном ладар, який означає laser detection and ranging (лазерне виявлення та вимірювання дальності), хоча, на думку Джо Бака, керівника дослідницьких робіт у Coherent Technologies, що входить до дивізіону космічних систем компанії Lockheed Martin, ці дві концепції з технічного погляду різні. «Коли ви дивитеся на щось, що може розглядатися як м'який об'єкт, наприклад, тверді частинки або аерозоль у повітрі, фахівці прагнуть використовувати лідер, коли говорять про виявлення цих об'єктів. Коли ви дивитеся на щільні, тверді об'єкти, наприклад, автомобіль або дерево, тоді ви схиляєтеся до терміну ладар». Докладніше про лідера з наукового погляду дивіться розділ «Лідар: як це працює».

"Лідар був предметом досліджень протягом багатьох десятиліть з моменту своєї появи на початку 60-х років", - продовжив Бак. Втім, інтерес до нього помітно зріс із початку цього століття завдяки, насамперед, технічному прогресу. Він навів як приклад візуалізацію за допомогою синтезованої апертури. Чим більший телескоп, тим більша роздільна здатність об'єкта може бути отримана. Якщо вам потрібна надзвичайно висока роздільна здатність, тоді може знадобитися набагато більша оптична система, що може бути не дуже зручним з практичної точки зору. Візуалізація за допомогою синтезованої апертури вирішує цю проблему за рахунок використання платформи, що рухається, і обробки сигналів з метою отримання дійсної апертури, яка може набагато більше фізичної апертури. Радіолокатори із синтезованою апертурою (РСА) використовуються вже багато десятиліть. Проте, лише на початку 2000-х почалися практичні демонстрації формування оптичних зображень із синтезуванням апертури, незважаючи на те, що лазери вже широко використовувалися на той час. «Реально знадобилося більше часу для розробки оптичних джерел, які б мали достатню стабільність у широкому діапазоні регулювання... Удосконалення матеріалів, джерел світла та детекторів (використовуваних у лідерах) триває. Ви не просто маєте здатність проводити тепер ці вимірювання, ви здатні виконувати їх у невеликих блоках, що робить системи практичними щодо розмірів, ваги та енергоспоживання».

Також стає простіше і практичніше збирати дані від лідера (або інформацію, зібрану лідером). Традиційно вона збиралася із сенсорів літальних апаратів, каже Нік Розенгартен, керівник Geospatial Exploitation Products Group у компанії ВАЕ Systems. Втім, сьогодні сенсори можуть бути встановлені на наземних транспортних засобах або навіть у рюкзаках, що передбачає збір даних людиною. "Це відкриває цілу низку можливостей, дані тепер можуть збиратися як у приміщеннях, так і на відкритому повітрі", - пояснив Розенгартен. Керівник дивізіону геопросторових рішень у компанії Textron Systems Мет Морріс стверджує, що «лідар є реально дивовижним масивом даних, оскільки він надає велику деталізацію поверхні Землі. Він дає набагато більш деталізовану і, якщо можна так сказати, більш відтінкову картинку, ніж технологія цифрових даних топографічних висот DTED (Digital Terrain Elevation Data), яка надає інформацію щодо висоти земної поверхні в певних точках. Можливо, одним із найпотужніших сценаріїв використання, про який я чув від наших військових замовників, є сценарій розгортання в незнайомій місцевості, адже їм необхідно знати, куди вони йдуть... піднятися на дах або перелізти огорожу. Дані DTED не дозволяють вам бачити це. Ви навіть не побачите будівель».

Морріс зазначив, що навіть деякі традиційні дані про висоти точок рельєфу місцевості з високою роздільною здатністю не дозволять вам побачити ці елементи. А ось лідер дозволяє це зробити через свій крок позицій - термін, що описує дистанцію між позиціями, які можуть бути точно показані в масиві даних. У випадку з лідером «крок позицій» може бути зменшено до сантиметрів, «тому ви можете точно дізнатися висоту даху будівлі або висоту стіни чи висоту дерева. Це реально підвищує рівень тривимірної (3D) ситуаційної поінформованості». Крім того, вартість сенсорів лідер знижується, як і їх розміри, що робить їх більш доступними. «Десять років тому сенсорні системи лідарів були дуже великими та дуже дорогими. Вони справді мали високе енергоспоживання. Але в міру свого розвитку, удосконалення технологій, платформи ставали значно менше, знижувалося енергоспоживання, а якість даних, що генеруються ними, підвищилася».

Морріс сказав, що основне застосування лідара у військовій галузі – це 3D планування та відпрацювання бойових завдань. Наприклад, продукт Lidar Analyst його компанії для моделювання умов польотів дозволяє користувачам приймати великі обсяги даних і швидко генерувати ці 3D моделі, потім вони можуть дуже точно планувати свої завдання. Те саме вірно і для наземних операцій. Морріс пояснив: «Наш продукт використовується для планування шляхів входу та виходу в район мети, а оскільки вихідні дані мають високу роздільну здатність, то можна проводити дуже точний аналіз ситуації в межах прямої видимості».

Поряд із Lidar Analyst компанія Textron розробила RemoteView - програмний продуктаналізу зображень, замовниками якого є американські військові та розвідувальні структури. Програмне забезпечення RemoteView може використовувати різні джерела даних, у тому числі дані з лідера. Компанія BAE Systems також надає програмне забезпечення(ПЗ) для геопросторового аналізу, її флагманським продуктом тут є SOCET GXP, який забезпечує безліч можливостей, включаючи використання даних лідара. Крім того, як пояснив Розенгартен, компанія розробила технологію GXP Xplorer, яка є програмою управління даними. Ці технології цілком підходять для воєнного застосування. Розенгартен, наприклад, згадав про інструмент для розрахунку посадкової зони вертольота, що входить до складу програмного забезпечення SOCET GXP. «Він може брати дані лідара та надає користувачам інформацію про зони на землі, яких може бути достатньо для посадки гелікоптера». Наприклад, він може підказати їм, чи є вертикальні перешкоди на шляху, наприклад, дерева: «Люди можуть використовувати цей інструмент для визначення зон, які можуть бути найкраще підходити як евакуаційний пункт під час гуманітарних криз». Розенгартен також наголосив на потенціалі методу «монтування мозаїкою», коли множинні масиви даних лідара збираються з конкретної зони і «зшиваються» один з одним. Це стало можливим у зв'язку з « підвищеною точністюметаданих лідарних сенсорів у комбінації з таким ПЗ, як, наприклад, програма SOCET GXP від ​​BAE Systems, яка може перетворити метадані на точні зони на землі, розраховані за допомогою геопросторових даних. Процес полягає в даних лідара і залежить від цього, як ці дані зібрані».

Як це працює: лідер

Лідар працює, підсвічуючи ціль світлом. Лідар може використовувати світло видимого, ультрафіолетового або ближнього інфрачервоного діапазонів. Принцип дії лідара простий. Об'єкт (поверхня) висвітлюється коротким світловим імпульсом, вимірюється час, через який сигнал повернеться до джерела. Лідар запускає швидкі короткі імпульси лазерного випромінювання на об'єкт (поверхню) із частотою до 150000 імпульсів на секунду. Датчик на приладі вимірює проміжок часу між передачею світлового імпульсу та його відображенням, виходячи із постійної швидкості світла, що дорівнює 299792 км/с. Вимірюючи цей проміжок часу можна обчислити дистанцію між лідером та окремою частиною об'єкта і, отже, побудувати зображення об'єкта на основі його положення щодо лідера.

Зсув вітру

Тим часом Бак вказав на можливе військове застосування технології WindTracer від Lockheed Martin. Комерційна технологія WindTracer використовує лідер для вимірювання вітрового зсуву в аеропортах. Такий самий процес може використовуватися у військовій сфері, наприклад, для точного викидання з повітря. «Вам необхідно скинути запаси з досить великої висоти, для цього ви складаєте їх на піддони та скидаєте з парашута. А тепер побачимо, де вони приземляться? Ви можете спробувати та передбачити, куди вони відлетять, але проблема полягає в тому, що поки ви знижуєтеся, вітровий зсув на різних висотах змінює свій напрямок, – пояснив він. - І як ви після цього передбачите, де піддон приземлиться? Якщо ви можете виміряти вітер і оптимізувати траєкторію, ви можете доставити запаси з дуже високою точністю».

Лідар також використовується у наземних безекіпажних транспортних засобах. Наприклад, виробник автоматичних наземних апаратів (AHA) компанія Roboteam створив інструмент, названий Top Layer. Це 3D технологія картографування та автономної навігації, яка використовує лідер. Top Layer задіє лідер двома способами, розповідає керівник компанії Roboteam Шахар Абухазіра. Перший дозволяє картографувати закриті простори в реальному часі. Іноді відео недостатньо в підземних умовах, наприклад, може бути занадто темно або видимість погіршилася через пил або дим, - додав Абухазіра. - Можливості лідара дозволяють вам уникнути ситуації з нульовими орієнтацією і розумінням навколишнього оточення... тепер він складає карту кімнати, він становить карту тунелю. Негайно ви можете зрозуміти обстановку, навіть якщо ви нічого не бачите і навіть якщо ви не знаєте, де ви знаходитесь».

Друге застосування лідара полягає в його автономності, допомоги оператору в контролюванні більш ніж однієї системи в будь-який момент. «Один оператор може контролювати один AHA, але є два інші AHA, які просто відстежують керований людиною апарат і йдуть за ним автоматично», - пояснив він. Подібним чином солдат може увійти в приміщення, а АНА просто слідує за ним, тобто немає необхідності відкладати в бік для того, щоб керувати апаратом. «Це робить роботу простою та інтуїтивною». Більший AHA Probot компанії Roboteam також має на борту лідер, який допомагає проходити великі дистанції. «Ви не можете вимагати від оператора, щоб він тиснув кнопку три дні поспіль... ви використовуєте лідарний сенсор для того, щоб просто слідувати за солдатами, або слідувати за машиною або навіть у автоматичному режиміпереміщатися від одного пункту до іншого, лідер у цих ситуаціях допоможе уникнути перешкод». Абухазіра очікує у майбутньому великих проривів у цій галузі. Наприклад, користувачі хотіли мати ситуацію, в якій людина і АНА взаємодіють подібно до двох солдатів. «Ви не контролюєте один одного. Ви дивитеся один на одного, ви кличете один одного і дієте так, як повинні діяти. Я вважаю, що у певному сенсі ми отримаємо цей рівень спілкування між людьми та системами. Це буде ефективніше. Я вважаю, що лідери ведуть нас у цьому напрямі».

Ідемо під землю

Абухазіра також сподівається, що лідарні рецептори покращать проведення операцій у небезпечних підземних умовах. Лідарні рецептори дають додаткову інформацію, виконуючи картографування тунелів. Крім того, він зауважив, що часом у невеликому та темному тунелі оператор може навіть не зрозуміти, що веде AHA не в тому напрямку. «Лідарні сенсори працюють як GPS у реальному часі та роблять процес схожим на відеогру. Ви можете бачити вашу систему в тунелі, знаєте, куди рухаєтеся в реальному часі».

Варто зазначити, що лідарні рецептори це ще одне джерело даних і не повинні розглядатися як пряма заміна радара. Бак зауважив, що є велика різниця у довжині хвиль цих двох технологій, які мають свої переваги та недоліки. Часто найкращим рішеннямє використання обох технологій, наприклад проведення вимірювання параметрів вітру за допомогою аерозольного хмари. Коротші довжини хвиль оптичних сенсорів забезпечують краще визначення напрямку порівняно з довшими хвиль радіочастотного сенсора (радару). Втім, властивості пропускання атмосфери дуже відрізняються для двох типів сенсорів. «Радар здатний проходити крізь хмари певних типів, з якими лідеру було б складно впоратися. Але в тумані, наприклад, лідар може показати себе трохи краще за радар».

Розенгартен сказав, що поєднання лідара з іншими джерелами світла, наприклад панхроматичними даними (коли зображення будується з використанням широкого діапазону світлових хвиль) дасть повну картинку досліджуваної зони. Хорошим прикладом тут є визначення посадкового майданчика для вертольота. Лідар може просканувати зону і сказати, що вона має нульовий ухил, не зважаючи на те, що фактично він дивиться на озеро. Цей тип інформації можна отримати за рахунок використання інших джерел світла. Розенгартен вважає, що промисловість, зрештою, займеться злиттям технологій, зведенням різних джерел візуальних та інших світлових даних. «Вона знайде способи звести всі дані під однією парасолькою... Отримання точної та вичерпної інформації – це не просто використання даних лідара, а комплексне завдання із залученням усіх доступних технологій».

За матеріалами сайтів:
www.nationaldefensemagazine.org
www.lockheedmartin.com
www.baesystems.com
www.textron.com
www.robo-team.com
www.robotshop.com
www.Geo-Plus.com
www.nplus1.ru

У статті представлено загальний огляд технології лазерного сканування об'єктів у просторі, розглянуто пристрої, що реалізують цю технологію та застосовуються у мобільних робототехнічних комплексах.

ОГЛЯД ТЕХНОЛОГІЇ LIDAR
Термін LIDAR (від англ. Light Detection and Ranging) відноситься до систем радіолокації, що працюють в оптичному діапазоні і використовують як джерело випромінювання лазер. Часто у зарубіжних джерелах можна зустріти аналогічні терміни – LADAR (Laser Detection and Ranging) та Laser Radar. У мобільних наземних робототехнічних комплексах та безпілотних літальних апаратах (БПЛА) ця технологія відіграє дуже важливу роль: вона використовується для автоматичної побудови тривимірної карти (сцени) навколишнього простору та просторової орієнтації апарату. Існують різні варіанти систем LIDAR, але в загальному випадку всі вони включають такі ключові елементи, що визначають принцип роботи системи: джерело фотонів (найчастіше це лазер);
● детектор фотонів;
● тактуючий ланцюг;
● оптична приймальна частина .

Системи LIDAR часпрольотного типу (Time-of-Flight, ToF) використовують короткі імпульси лазерного випромінювання, з високою точністю фіксуючи моменти їх передачі та прийому відгуків (відбитих сигналів), щоб обчислити відстані до об'єктів в навколишньому просторі або на поверхні землі (наприклад, при топосъемке з БПЛА). Після об'єднання серії таких вимірювань з інформацією про місцезнаходження та орієнтацію апарату, створюється результуюча тривимірна сцена області простору, що цікавить. Найчастіше ця сцена зберігається як масиву координат (x, y, z), званого хмарою точок.

Незважаючи на те, що існує безліч пристроїв LIDAR для різних сфер застосування, всі вони складаються зі схожого набору функціональних вузлів(див. рис. 1), таких як:
● підсистема вимірювання відстані (лазерний передавач та приймач);
● скануюча підсистема;
● підсистема позиціонування та орієнтації;
● система керування;
● сховище даних.

ПІДСИСТЕМА ВИМІРУ ВІДСТАНИ
Принципові відмінності окремих пристроїв LIDAR полягають у реалізації функції вимірювання відстані. Найважливіший вузол системи LIDAR – підсистема вимірювання відстані – складається, у свою чергу, таких внутрішніх підсистем, як лазерний передавач і електрооптичний приймач. Лазерний передавач випромінює енергію у вигляді сфокусованого променя, який до виходу з пристрою проходить через ряд перетворювальних компонентів: перемикач приймача, розширювачі променя, вихідна телескопічна оптика та інше. У системі LIDAR можуть використовуватись різні типилазерів, але найчастіше застосовують твердотільний Nd:YAG-лазер, активним середовищем у якому виступає алюмо-іттрієвий гранат (Y3Al5O12), легований іонами неодиму. Лазерні скануючі далекоміри працюють на різних довжинах хвиль, але найчастіше використовуються такі:
● 1064 нм (близький інфрачервоний діапазон) – для топографічних сканерів;
● 532 нм (зелений) – для батиметричних (вимірюють глибину) сканерів;
● 600–1000 нм – для наземних пристроїв, призначених для комерційного використання;
● ~1500 нм – для наземних скануючих систем, що використовуються в наукових цілях.

Вибір довжини хвилі лазерного випромінювача залежить від цілого ряду факторів:
● властивостей сканованих об'єктів;
● характеристик довкілля;
● чутливості використовуваного детектора;
● необхідного ступеня безпеки для очей;
● вимог до конструкції пристрою.

Крім довжини хвилі випромінювання необхідно враховувати потужність лазера. Електрооптичний приймач отримує енергію лазерного променя, відбитого чи розсіяного метою, і фокусує її світлочутливому детекторі з допомогою вхідний оптики.

Методи визначення відстані
Зафіксовані значення моментів передачі та прийому лазерного променя використовуються для розрахунку часу, проведеного світлом у дорозі, і, отже, відстані до об'єкта, що відбив промінь. У системі LIDAR зазвичай використовується один із двох режимів, що визначають метод вимірювання відстані: імпульсний режим або режим безперервної хвилі. У системах з імпульсною модуляцією, також відомих як час пролітні системи, лазером випромінюються поодинокі світлові імпульси високою частотоюслідування. Вимірюється час, який минув з моменту випромінювання імпульсного сигналу до моменту повернення відгуку до приймача. Відстань до точки поверхні об'єкта, в якій відбулося відображення лазерного променя, може бути обчислено за формулою: D = 0,5 × c × t, (1) де c – швидкість світла, t – повний час проходження світлом шляху до точки відображення та назад (Раундтрип), D - відстань до точки відображення. У системах з безперервною хвилею лазер випромінює безперервний сигнал, До якого потім застосовується синусоїдальна амплітудна модуляція. В цьому випадку час проходження світлом повного шляху від передавача до приймача буде прямо пропорційно зсуву фаз у випромінюваному та прийнятому сигналах: (2) де – фазовий зсув, T – період сигналу. Після визначення часу t проходження променя відстань D, як і в першому випадку, обчислюється за формулою (1). Для зниження невизначеності може бути використана багатотонова синусоїдальна модуляція. Також у системах з безперервною хвилею використовується альтернативний метод- З лінійною частотною модуляцією. У таких системах переданий і прийнятий сигнали змішуються, а для демодуляції та отримання інформації, що міститься в несучій частоті, використовується когерентний приймач. Слід зазначити, що у рівняннях (1) і (2) передбачається, що детектор протягом часу t стаціонарний. Для випадків з детектором, що пересувається, необхідно буде внести в рівняння відповідні поправки.

Методи детекції
Зазвичай у системах LIDAR використовується два способи детекції: пряма та когерентна. При прямій детекції приймач перетворює сигнал безпосередньо в напругу або струм, пропорційний вхідної оптичної потужності. Приймачі можуть включати лавинні фотодіоди та фотоелектронні помножувачі. LIDAR-детектори можуть працювати в режимі рахунку фотонів. У цьому режимі детектор здатний реєструвати навіть дуже невелику кількість фотонів, а в режимі лічильника Гейгер стає чутливим навіть до окремих фотонів. Електронна схема приймача проводить вимірювання струму, що генерується, з поправкою на час прольоту фотонів у приймачі, в результаті чого виходить прямий вимір моменту прийому оптичного відгуку. При когерентній детекції отриманий оптичний сигнал поєднується з локальним осцилятором за допомогою гетеродину, і тільки після цього фокусується на фоточутливому елементі. При змішуванні інформація перетворюється на вузькосмуговий сигнал, що знижує шум у порівнянні з методом прямого детектування, де використовується оптичний фільтр.

Промінь і масив, що біжить
Важливо, що описані методи визначення відстані та способи детектування вимагають різної геометрії приймачів. В цілому, більшість комерційних систем LIDAR працюють за принципом «променя, що біжить», де для одного випромінюваного імпульсу фіксується один або кілька (як правило, від 2 до 5) значень відстані для оптичних сигналів, що повернулися вздовж однієї і тієї ж лінії візування (множинні повернення ). Для наступного імпульсу підсистема цілевказівки змінює напрямок лінії візування, і потім знову записується кілька значень відстані. Цей метод – метод точкового сканування – зазвичай застосовується в системах LIDAR, що працюють у лінійному режимі, при якому енергія лазера фокусується на малій області досліджуваної поверхні, і потрібен сильний відбитий сигнал для запису відгуку та розрахунку дистанції. Однак існують також системи LIDAR, які використовують лазерне випромінювання для засвічення великої площі поверхні. При цьому вони оснащені покадровим матричним детектором для вимірювання значень відстані для кожного пікселя в масиві. Цим системам з кадровою розгорткою потрібна невелика сила відбитого сигналу. Вони записують сотні чи навіть тисячі відстаней для випромінюваного імпульсу.

ПІДСИСТЕМА РОЗгортання (СКАНУВАННЯ)
У тих випадках, коли необхідно не просто визначити відстань до об'єкта, а зробити огляд цільової області, система LIDAR повинна проводити вимірювання у безлічі точок. Для побудови сцени цільової області простору використовується комбінація руху LIDAR-пристрою в цілому та роботи підсистеми розгортки, через яку проходить випромінюваний оптичний сигнал. Поширений варіант реалізації підсистеми розгортки заснований на використанні дзеркала, що коливається. Послідовна зміна напряму лінії візування, вздовж якої випромінюється оптичний сигнал здійснюється за допомогою рухомого дзеркала. Це дзеркало повертається на обмежений кут (кут огляду) навколо осі, що лежить на його площині і, як правило, паралельна напрямку руху пристрою. Гойдання дзеркала дозволяє сканувати цільову область простору та формувати сцену потрібної ширини, що визначається кутом хитання дзеркала (див. мал. 2).

Підсистема на основі дзеркала, що коливається, створює синусоїдальну розгортку. При цьому частота хитання обернено пропорційна заданому куту огляду (ширині сцени). Основний недолік такого способу розгортки – непостійна швидкість руху дзеркала. Двічі протягом робочого циклу дзеркало має сповільнитися, повністю зупинитися, змінити напрямок руху на протилежне і знову прискоритися. В результаті вимірювання, що виробляються з постійною частотою, формують сцену з нерівномірною щільністю точок (менше точок у середині смуги сканування і більше по краях). Підсистема розгортки лазерного променя за допомогою дзеркала, що коливається, застосовується, зокрема, в лазерних сканерах фірм Leica і Optech. Альтернативний спосібсканування заснований на використанні призми, що обертається. У такій підсистемі розгортки багатогранна призма із дзеркальними гранями безперервно обертається навколо осі симетрії. Лазерний промінь переходить від однієї грані призми до іншої стрибкоподібно, внаслідок чого масив точок, що формується під час руху пристрою, складається з низки паралельних ліній (див. рис. 3).

Цей варіант позбавлений недоліків дзеркала, що коливається, проте він складніше в реалізації і в тому, що стосується обробки результатів вимірювань. Системи LIDAR з призмою, що обертається, виробляє австрійська фірма Riegl. Третій варіант підсистеми сканування використовує дзеркало, що обертається. Вісь обертання в цьому варіанті розташована майже перпендикулярно поверхні дзеркала (див. рис. 4).

За рахунок відхилення поверхні дзеркала від площини, перпендикулярної до осі обертання, формується розгортка відбитого лазерного променя як еліптичної кривої. Перевага методу у тому, кожна точка простору сканується двічі. Разом про те еліптична розгортка значно ускладнює обробку результатів сканування, оскільки обробка подвійних вимірів є складним завданням. Крім того, оскільки точки в одній і тій же області отримані з різних позицій (оскільки система рухається і змінює орієнтацію в просторі), отримана таким способом хмара точок може містити велику кількість шумів. Прикладами систем, що використовують розгортку лазерного променя за допомогою дзеркала, що обертається, є сканери Leica AHAB DragonEye. Як альтернатива механічної розгортці в даний час існує застосована в деяких системах LIDAR оптоволоконна підсистема для направлення лазерного променя на цільову область. При такому способі досягається стабільніша геометрія сканування, завдяки фіксованим зв'язкам між оптоволоконними каналами та іншими оптичними каналами пристрою. Лазерний промінь прямує за допомогою оптоволоконного пучка, а напрям сканування для кожного імпульсу залежить від того, з якого оптоволоконного каналу він випромінюється. Подібна система пучків використовується і в приймальній оптиці (див. рис. 5).

ПІДСИСТЕМА ПОЗИЦІОНУВАННЯ ТА ОРІЄНТАЦІЇ
Для практичного використанняінформації, одержуваної за допомогою скануючих лазерних далекомірів, одного масиву значень відстані від пристрою до об'єктів і величин відносних кутів сканування недостатньо. Достовірність даних про навколишній простір (одержуваних у вигляді тривимірної хмари точок або двовимірного зображення з даними про відстані) може бути досягнута лише за умови, що для кожної точки вимірюються абсолютні значення положення та орієнтації несучої платформи системи LIDAR у просторі в момент прийому відгуку від імпульсу. Для таких вимірювань використовується підсистема орієнтації та позиціонування. Ця підсистема включає два основних компоненти: прийомний модуль системи глобального позиціонування (ГЛОНАСС або GPS) і блок інерційної навігації (IMU). Дані GPS-приймача використовуються для запису розташування несучої платформи в певні моменти часу. З багатьох існуючих методів уточнення GPS-координат, в системах LIDAR, як правило, застосовується диференціальна постобробка сигналу зі стаціонарною. базової станціїабо диференціальні оновлення реального часу. Для отримання більш точних наборів даних накладаються суворі обмеження розміщення базової станції щодо платформи лазерного далекоміра. Орієнтація платформи вимірюється за допомогою інерційного блоку вимірювального пристрою, в якому використовуються гіроскопи і акселерометри. Дані GPS та IMU записуються під час руху платформи та об'єднуються (зазвичай під час кроку постобробки даних).

СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ (СИСТЕМНИЙ КОНТРОЛЕР)
Для генерації хмари точок усі підсистеми, що становлять систему LIDAR, повинні працювати спільно. Якість отриманих даних безпосередньо залежить лише від параметрів кожної підсистеми, а й від взаємоузгодженості їх роботи. Виставляння параметрів сенсорів та контроль роботи підсистем здійснює системний контролер лазерного далекоміра.

СХОВИЩЕ ДАНИХ
Кінцеві дані LIDAR є файлами зі значеннями координат GPS і IMU, з виміряними значеннями відстаней і іноді з інформацією від інших підсистем. Оскільки системи LIDAR можуть генерувати дуже великі обсяги даних, у системі передбачений накопичувач, який дані зберігаються відразу після збору.

ПРАКТИЧНИЙ ПРИКЛАД: VELODYNE HDL-64E
Як приклад розглянемо пристрій лазерного скануючого далекоміра високого дозволу HDL-64E, що виробляється компанією Velodyne. Саме цей 64-променевий LIDAR із тривимірним скануванням встановлений на безпілотні автомобілі, розроблені компанією Google. Лазерний далекомір став одним із ключових компонентів, що дозволило зробити автомобіль по-справжньому автономним.

Пристрій Velodyne, встановлений на даху безпілотного автомобіля (див. мал. 6), генерує докладну тривимірну карту навколишнього простору. Бортовий комп'ютер об'єднує дані вимірювань, отриманих з LIDAR, з картами високого дозволу, формуючи різні моделіданих, які дозволяють роботизованому автомобілю пересуватися самостійно, уникаючи зіткнень із перешкодами та не порушуючи правил дорожнього руху. Модель далекоміра HDL-64E має 64 пари випромінювач-детектор, які забезпечують наявність рівновіддалених секторних полів огляду по 26,5 °. Для забезпечення 360-градусного огляду по азимуту весь оптичний блок закріплений на підставі, що обертається (див. рис. 7) і обертається з частотою 600 оборотів в хвилину.

При необхідності ця частота регулюється в діапазоні 300...900 об/хв шляхом передачі простої текстової команди через послідовний інтерфейс. Цей послідовний порт може бути використаний для оновлення прошивки сканера. Дальномір Velodyne має максимальний діапазон виміру відстані – до 120 м з похибкою не більше 2 см . Незалежно від частоти обертання оптичного блоку, пристрій постійно генерує великий обсяг даних - 1 млн точок в секунду, що відповідає горизонтальному кутовому роздільній здатності 0,05 °. Пристрій статично та динамічно збалансований, що зводить до мінімуму вплив вібрації та забезпечує стабільне зображення сцени. Кожен лазер далекоміра HDL-64E випромінює оптичний імпульс тривалістю 5 нс (на рівні 50% амплітуди з максимальною піковою потужністю 60 Вт). Висока напруга, необхідне створення пікового струму в випромінювачі лише на рівні 30 А, генерується схемою обратноходового перетворювача, що дозволяє використовуватиме живлення лазерної установки низькі напруги. Вихідний лазерний промінь фокусується лінзами. При попаданні на ціль частина випромінювання відбивається у напрямку джерела. Це відбите світло проходить через окрему систему лінз і УФ-фільтр, необхідний зниження фонової оптичної засвітки (збільшення відношення сигнал/шум). Лінзи приймальної системи фокусують відбите випромінювання на лавинний фотодіод, що генерує електричний сигнал , пропорційний інтенсивності оптичного. Лазер і лавинний фотодіод юстуються на заводі-виробнику для забезпечення максимальної чутливості при мінімізації перехресних сигнальних завад, утворюючи таким чином найбільш ефективну пару випромінювач-детектор. Відповідно до сили відбитого сигналу, що детектується лавинним фотодіодом і схемою підсилювача, система змінює амплітуду лазерного імпульсу, підтримуючи мінімальний необхідний рівень випромінювання. Ця автоматична підстроювання потужності лазера, по-перше, знижує нагрівання оптичного блоку та підвищує його надійність, а по-друге, не дає детекторам увійти в режим насичення. В іншому випадку, при отриманні детектором занадто великої кількості оптичної енергії, наставав би режим насичення, для виходу з якого детектору потрібен значний час (якщо воно перевищує період проходження імпульсів, це неминуче призводить до спотворення сигналу, що детектується). По-третє, якщо рівень сигналу можна порівняти з шумом, що ускладнює його детектування, система автоматично підвищує рівень потужності лазерного випромінювання. Це може бути, наприклад, у разі наближення до порога чутливості (120 м) або при слабкому відображенні від чорної матової поверхні. Вихідний сигнал посилюється і передається на аналого-цифровий перетворювач із частотою дискретизації 3 ГГц. Потім оцифрований сигнал з детектора передається в цифровий сигнальний процесор (DSP), який використовує власний алгоритм аналізу даних та визначення часу повернення сигналу. Використання коротких оптичних імпульсів у поєднанні з високочастотною обробкою сигналу забезпечують більшу роздільну здатність системи. Пари випромінювач-детектор поділені на дві групи по 32 лазери. Одна група розташована у верхній частині модуля та спрямована на верхню половину поля огляду, а друга група, що знаходиться під першою, спрямована на нижню половину поля огляду. Оскільки верхній оптичний блок призначений для вимірювання великих відстаней, кутова відстань між оптичними імпульсами у нього більша, ніж у нижньому блоці, який проводить вимірювання на більш коротких дистанціях. Пристрій надає дані користувачеві через стандартний порт 100BaseT Ethernet. Інформація безперервно передається як кадрів. Частота генерації кадрів дорівнює частоті обертання оптичного блоку (при 600 об/хв – 10 Гц). Обсяг даних, переданих за секунду, може містити понад мільйон точок. У пакетах даних міститься інформація про відстань та інтенсивність випромінювання для кожної пари випромінювач-детектор, а також відповідна кутова координата. Ці дані можуть бути зібрані за допомогою стандартної утиліти збору Ethernet-пакетів, наприклад Wireshark, і візуалізовані в комп'ютерної програми, Такий як Velodyne Digital Sensor Recorder. Також отримані дані можуть бути оброблені автономною навігаційною системою для створення оцінної картки, яка потім може використовуватися для виявлення перешкод, пошуку оптимального маршруту і, зрештою, для обчислень, пов'язаних з кермовим керуванням, гальмуванням та прискоренням. На малюнку 8 показаний приклад кадру даних з HDL-64E, отриманого за допомогою програми Velodyne Digital Sensor Recorder. Біля центру зображення видно білу точку, що вказує на положення сенсора. Для кожної пари випромінювач-детектор згенерована хмара точок представлена ​​окремим кольором. Просторове представлення даних формується об'єднанням двовимірних хмар точок. При обертанні модуля набір точок від однієї пари випромінювач-детектор утворює на рівній поверхні безперервне коло. Наведений приклад відноситься до варіанту встановлення далекоміра на даху кабіни вантажівки, тому на зображенні нижче білої точки є темна область - кузов. Як видно на малюнку, попереду вантажівки знаходяться два транспортні засоби: іншу вантажівку, яка намагається повернути ліворуч, і легковий автомобіль, що перетинає перехрестя. Крім того, позаду легкового автомобіля на зображенні видно дорожню огорожу, землю та дерева. Ліворуч і праворуч від сенсора видно хвилясті області, що відповідають дорожній огорожі та тротуару та виділяють проїжджу частину в полі зору. Уздовж тротуару розрізнім чагарник. Отримані дані дозволяють визначити дорожню ситуацію позаду сенсора – на зображенні є транспортний засіб, що знаходиться за вантажівкою. Важливо, що у будь-якій з хмар точок немає розривів у кругових даних (навколо вантажівки). Цей факт показує, що частоти проходження лазерних імпульсів для верхнього і нижнього блоків далекоміра налаштовані правильно. Якби частота проходження імпульсів була нижчою, ніж потрібно, то кожна з кіл складалася б з пунктирних ліній. Порожні області на зображенні виникають через перешкод, що перебувають на оптичному шляху, не дозволяють отримати дані про простір за ними (ефект затінювання). Наприклад, так виникає чорна смуга за кузовом вантажівки. Слід зазначити, що пристрій LIDAR також може бути встановлений під кутом 90° вертикальної осі для зміни області огляду. Така схема установки може бути використана в геодезичних та картографічних додатках. Розглянутий лазерний далекомір Velodyne HDL-64E відноситься до класу 1M, тобто вважається безпечним для очей. Сенсор поміщений у водонепроникний корпус, зберігає працездатність при екстремальних температурах і є оптимальним для використання в автомобілях. Основні технічні характеристики пристрою наведено у таблиці.

Вступ

Термін "лідар" є абревіатурою англійського вираження light identification, detection and ranging (виявлення та визначення дальності за допомогою світла).

Лідар - технологія отримання та обробки інформації про віддалені об'єкти за допомогою активних оптичних систем, що використовують явища відображення світла та його розсіювання у прозорих та напівпрозорих середовищах.

Як прилад, лідар є оптичним локатором для дистанційного зондування повітряних і водних середовищ. Також до лідерів відносять оптичні локатори, які дозволяють дистанційно отримувати інформацію про тверді об'єкти.

Лідари затребувані і користуються популярністю завдяки перевагам лазерів, що використовуються в них:

· Когерентність випромінювання

· Мала довжина хвилі випромінювання і, як наслідок, малі втрати через розбіжність

· Миттєва потужність випромінювання

Сукупність цих властивостей робить використання лідара незамінним на дистанціях від сотень метрів до кількох кілометрів.

Принцип дії лідара

Імпульсне випромінювання лазера надсилається в атмосферу. Потім, розсіяне атмосферою у зворотному напрямку, випромінювання збирається телескопом і реєструється фотоприймачем з наступним оцифруванням сигналів.

імпульсний лідар оптичний телеоб'єктив

Лідар запускає швидкі короткі імпульси лазерного випромінювання на об'єкт (поверхню) із частотою до 150000 імпульсів на секунду. Датчик на приладі вимірює проміжок часу, необхідний повернення імпульсу. Світло рухається з постійною та відомою швидкістю, тому лідар може обчислити відстань між ним та цілі з високою точністю.

Існують дві основні категорії імпульсних лідарів: мікроімпульсні та високоенергетичні системи.

Мікроімпульсні лідори працюють більш потужної комп'ютерної техніці з великими обчислювальними можливостями.

Ці лазери меншої потужності і класифікуються як "безпечні для очей", що дозволяє використовувати їх практично без особливих запобіжних заходів.

Лідари з великою енергією імпульсу в основному застосовуються для дослідження атмосфери, де вони часто використовуються для вимірювання різних параметрів атмосфери, таких як висота, нашарування та щільність хмар, властивості частинок хмари, температуру, тиск, вітер, вологість та концентрацію газів в атмосфері.

Влаштування лідара

Більшість лідарів складається із трьох частин:

· Передавальна частина

· Приймальна частина

· Система управління

Передавальна частина (а) лідара містить джерело випромінювання - лазер та оптичну систему на формування вихідного лазерного пучка, тобто. для управління розміром вихідної плями та розбіжністю пучка.

В більшості конструкцій випромінювачем служить лазер, що формує короткі імпульси світла високої миттєвої потужності. Періодичність проходження імпульсів або модулююча частота вибираються так, щоб пауза між двома послідовними імпульсами була не меншою, ніж час відгуку від цілей (які можуть фізично перебувати далі, ніж розрахунковий радіус дії приладу). Вибір довжини хвилі залежить від функції лазера та вимог до безпеки та скритності приладу; найчастіше застосовуються Nd:YAG-лазери та довжини хвиль:

1550 нм – інфрачервоне випромінювання, невидиме ні оку людини, ні типовим приладам нічного бачення. Око не здатне сфокусувати ці хвилі на поверхні сітківки, тому травматичний поріг для хвилі 1550 значно вищий, ніж для більш коротких хвиль. Однак ризик пошкодження очей насправді вищий, ніж у випромінювачів видимого світла - оскільки око не реагує на ІЧ випромінювання, то не спрацьовує і природний захисний рефлекс людини

1064 нм - ближнє інфрачервоне випромінювання неодимових та ітербієвих лазерів, невидиме оку, але виявлене приладами нічного бачення.

532 нм - зелене випромінювання неодимового лазера, що ефективно «пробиває» маси води

355 нм - ближнє ультрафіолетове випромінювання

Прийомна частина (б) складається з об'єктива (телескоп), спектрального та/або просторових фільтрів, поляризаційного елемента та фотодетектора. Випромінювання, відбито-розсіяне від об'єкта, що досліджується, концентрується приймальною оптикою (телескопом), а потім проходить через аналізатор спектра. Цей прилад служить виділення інтервалу довжин хвиль, у якому проводяться спостереження, і, отже, для відсічення фонового випромінювання інших довжинах хвиль. Аналізатор може бути або складним, ретельно налаштованим моно- або поліхроматор, або набір вузькосмугових фільтрів, включаючи фільтр відсічення випромінювання на довжині хвилі лазерного передавача.

Випромінювач і приймальний блок можуть бути далеко рознесені один від одного або виконані в єдиному блоці, що останніми роками є звичайним. Осі випромінювача та приймача можуть бути поєднані (коаксіальна схема) або рознесені (біаксіальна схема).

Система управління(в) виконує такі завдання:

ѕ Управління режимом роботи лідара;

ѕ Управління частотою зондувального випромінювання лазера;

ѕ Вимірювання енергії випромінювання у вихідному та прийнятому двочастотному лазерному пучку на обох частотах;

ѕ Обробка результатів, тобто. отримання спектральних характеристик атмосфери, визначення наявності та концентрацій домішок за наявними у базі даних комп'ютера «спектральним портретам» молекул;

ѕ Керування системою наведення лідара на досліджуваний об'єкт.

У своєму дослідженні я вирішив докладно розглянути схеми об'єктивів, що використовуються у різних лідерах.

Застосовується оптичний датчик – лідар (lidar від Light Detection and Ranging, дослівно світлове виявлення та визначення відстані). У датчику використовуються електромагнітні хвилі інфрачервоного діапазону, за допомогою яких визначається відстань до об'єкта (транспортного засобу), що знаходиться попереду, а також його швидкість. Лідар може використовуватися для визначення частинок вологи в атмосфері ліній дорожньої розмітки.

За своїми функціями лідер виступає як альтернатива автомобільного радара , тому інша його назва лазерний радар. Перевагами лідара є менший розмір(можна встановити в будь-якому місці), велика кутова роздільна здатність (порядку 180 °), значний радіус дії (до 250 м), порівняно невисока вартість. Доведено, що інфрачервоні промені є безпечними для людського ока.

Водночас лазерний радар чутливий до зміни рельєфу дороги (промені можуть відбиватися від поверхні дороги та спотворювати інформацію). Ефективність лідара знижується у поганих погодних умовах (дощ, сніг, туман), а також при забрудненні датчика.

Провідними виробниками лідерів є компанії Denso, Continental, Siemens, Hella. Лазерний радар використовують у системі адаптивного круїз-контролю компанії Nissan, Toyota, в активній системі нічного бачення компанії Mercedes-Benz, Toyota, у системі автоматичного екстреного гальмування компанія Volvo (система City Safety).

Для підвищення ефективності детектування об'єктів лідер може застосовуватися спільно з радаром, автомобільною відеокамерою. Системи автоматичного керування автомобілем також не обходяться без лідара.

Влаштування лідара

Конструкція автомобільного лідара включає такі елементи: передавач, модулятор, приймач, оптичний елемент, підсилювач, аналого-цифровий перетворювач та мікропроцесор.

Роль передавача виконує лазерний діод, який служить передачі інфрачервоного випромінювання. Інфрачервоне випромінювання модулюється в модульаторі, який за необхідності змінює його інтенсивність. Залежно від типу модуляції розрізняють лідери безперервної та імпульсної дії. Більш досконала імпульсна модуляція інфрачервоного випромінювання. Для підвищення ефективності вимірювань використовується багатоімпульсна технологія (передача кількох імпульсів одночасно).

Світловий імпульс, а потім його відображення проходять через оптичний елемент. Відбитий імпульс приймається фотодіодом, де перетворюється на електричний сигнал. Далі сигнал посилюється підсилювачем, перетворюється на "цифру" за допомогою АЦП (аналого-цифрового перетворювача), а потім обробляється мікропроцесором.

Незважаючи на відмінності в конструкції, принцип дії лідара аналогічний радару. Лідар спрямовує на ціль інфрачервоне світло. Світло частково відбивається від мети, частково розсіюється. Відбитий імпульс повертається назад, де сприймається фотодіод. Струм на фотодіоді пропорційний світові, що впливає. На підставі прийнятого цифрового сигналу процесор визначає відстань до транспортного засобу, що йде, і його швидкість.

Висока горизонтальна і вертикальна роздільна здатність лідара досягається шляхом багатопроменевої конфігурації передавача, яка досягається декількома способами - використанням поворотного дзеркала, переміщенням передавача.

Науково-дослідна робота студента (УНІРС) на тему:

"Дзеркальні схеми лідарних об'єктивів"

Санкт-Петербург

Вступ

1. Принцип дії лідара

2. Влаштування лідара

3. Оптичні схеми об'єктивів лідерів

3.1 Об'єктив Ньютона

3.2 Об'єктив Кассегрена

3.3 Об'єктив Грегорі

Висновок

Вступ

Термін "лідар" є абревіатурою англійського вираження light identification, detection and ranging (виявлення та визначення дальності за допомогою світла).

Лідар - технологія отримання та обробки інформації про віддалені об'єкти за допомогою активних оптичних систем, що використовують явища відображення світла та його розсіювання у прозорих та напівпрозорих середовищах.

Як прилад, лідар є оптичним локатором для дистанційного зондування повітряних і водних середовищ. Також до лідерів відносять оптичні локатори, які дозволяють дистанційно отримувати інформацію про тверді об'єкти.

Лідари затребувані і користуються популярністю завдяки перевагам лазерів, що використовуються в них:

· Когерентність випромінювання

· Мала довжина хвилі випромінювання і, як наслідок, малі втрати через розбіжність

· Миттєва потужність випромінювання

Сукупність цих властивостей робить використання лідара незамінним на дистанціях від сотень метрів до кількох кілометрів.

1. Принцип дії лідара

Імпульсне випромінювання лазера надсилається в атмосферу. Потім, розсіяне атмосферою у зворотному напрямку, випромінювання збирається телескопом і реєструється фотоприймачем з наступним оцифруванням сигналів.

імпульсний лідар оптичний телеоб'єктив

Лідар запускає швидкі короткі імпульси лазерного випромінювання на об'єкт (поверхню) із частотою до 150000 імпульсів на секунду. Датчик на приладі вимірює проміжок часу, необхідний повернення імпульсу. Світло рухається з постійною та відомою швидкістю, тому лідар може обчислити відстань між ним та цілі з високою точністю.

Існують дві основні категорії імпульсних лідарів: мікроімпульсні та високоенергетичні системи.

Мікроімпульсні лідори працюють більш потужної комп'ютерної техніці з великими обчислювальними можливостями.

Ці лазери меншої потужності і класифікуються як "безпечні для очей", що дозволяє використовувати їх практично без особливих запобіжних заходів.

Лідари з великою енергією імпульсу в основному застосовуються для дослідження атмосфери, де вони часто використовуються для вимірювання різних параметрів атмосфери, таких як висота, нашарування та щільність хмар, властивості частинок хмари, температуру, тиск, вітер, вологість та концентрацію газів в атмосфері.

2 . Влаштування лідара

Більшість лідарів складається із трьох частин:

· Передавальна частина

· Приймальна частина

· Система управління

Передавальна частина (а) лідара містить джерело випромінювання - лазер та оптичну систему на формування вихідного лазерного пучка, тобто. для управління розміром вихідної плями та розбіжністю пучка.

В більшості конструкцій випромінювачем служить лазер, що формує короткі імпульси світла високої миттєвої потужності. Періодичність проходження імпульсів або модулююча частота вибираються так, щоб пауза між двома послідовними імпульсами була не меншою, ніж час відгуку від цілей (які можуть фізично перебувати далі, ніж розрахунковий радіус дії приладу). Вибір довжини хвилі залежить від функції лазера та вимог до безпеки та скритності приладу; найчастіше застосовуються Nd:YAG-лазери та довжини хвиль:

1550 нм – інфрачервоне випромінювання, невидиме ні оку людини, ні типовим приладам нічного бачення. Око не здатне сфокусувати ці хвилі на поверхні сітківки, тому травматичний поріг для хвилі 1550 значно вищий, ніж для більш коротких хвиль. Однак ризик пошкодження очей насправді вищий, ніж у випромінювачів видимого світла - оскільки око не реагує на ІЧ випромінювання, то не спрацьовує і природний захисний рефлекс людини

1064 нм - ближнє інфрачервоне випромінювання неодимових та ітербієвих лазерів, невидиме оку, але виявлене приладами нічного бачення.

532 нм - зелене випромінювання неодимового лазера, що ефективно «пробиває» маси води

355 нм - ближнє ультрафіолетове випромінювання

Прийомна частина (б) складається з об'єктива (телескоп), спектрального та/або просторових фільтрів, поляризаційного елемента та фотодетектора. Випромінювання, відбито-розсіяне від об'єкта, що досліджується, концентрується приймальною оптикою (телескопом), а потім проходить через аналізатор спектра. Цей прилад служить виділення інтервалу довжин хвиль, у якому проводяться спостереження, і, отже, для відсічення фонового випромінювання інших довжинах хвиль. Аналізатор може бути або складним, ретельно налаштованим моно- або поліхроматор, або набір вузькосмугових фільтрів, включаючи фільтр відсічення випромінювання на довжині хвилі лазерного передавача.

Випромінювач і приймальний блок можуть бути далеко рознесені один від одного або виконані в єдиному блоці, що останніми роками є звичайним. Осі випромінювача та приймача можуть бути поєднані (коаксіальна схема) або рознесені (біаксіальна схема).

Система управління(в) виконує такі завдання:

ѕ Управління режимом роботи лідара;

ѕ Управління частотою зондувального випромінювання лазера;

ѕ Вимірювання енергії випромінювання у вихідному та прийнятому двочастотному лазерному пучку на обох частотах;

ѕ Обробка результатів, тобто. отримання спектральних характеристик атмосфери, визначення наявності та концентрацій домішок за наявними у базі даних комп'ютера «спектральним портретам» молекул;

ѕ Керування системою наведення лідара на досліджуваний об'єкт.

У своєму дослідженні я вирішив докладно розглянути схеми об'єктивів, що використовуються у різних лідерах.

3 . Оптичні схеми об'єктивів лідерів

Зворотний сигнал від об'єкта, що досліджується, повинен бути перехоплений приймальним об'єктивом лідара, відфільтрований (просторово і спектрально) і спрямований на чутливий майданчик фотоприймача. Все це має бути зроблено з максимальною ефективністю, без значних втрат корисного світлового сигналу, зібраного об'єктивом, та з максимальним придушенням всіх завад, що зашумляють сигнал. Простежимо проходження корисного сигналу через приймальну систему та розглянемо окремо кожен елемент цієї системи.

Лазер висвітлює на об'єкті пляма, розмір якої визначається розбіжністю пучка 2 та відстанню до об'єкта R: D=2Rtg2R. Частина відбитого і розсіяного у напрямку випромінювання збирається об'єктивом, як показано на рис.: (лазер і приймальний об'єктив співвісні).

Показані лише крайні промені пучків від точок у плямі, що потрапляють до об'єктиву. При великих відстанях промені від точки практично паралельні один одному. Призначення об'єктива - зібрати достатню кількість світла від плями та спроектувати пляму на фотоприймачі. Тому основними параметрами об'єктива є світлозбиральна площа, фокусна відстань та поле зору. Для космічних лідарів, коли відстань до досліджуваних шарів атмосфери або землі досягає сотень кілометрів, необхідно використовувати об'єктиви з великим діаметром 1...3 м і навіть більше, щоб зібрати достатньо світла, особливо під час роботи в режимах комбінаційного розсіювання або диференціального поглинання. Діаметр d і фокусна відстань f" визначають світлосилу об'єктива (відносний отвір d/f"). Чим світлосильніша система, тим менший розмір зображення, яке вона формує. Поле зору об'єктива визначається кутом, під яким промінь від крайньої точки плями проходить через центр вхідної зіниці об'єктива (на рис.). Розмір зображення (не більше розміру фотоприймача), еквівалентна фокусна відстань (з урахуванням додаткових перепроектуючих елементів у спектральному блоці приймача) та кут поля зору пов'язані співвідношенням 2a = 2f"tg, яке дозволяє вибрати параметри конкретних схем та підібрати необхідні елементи. У багатьох випадках пляма проектується не на фотоприймач безпосередньо, а в площину польової діафрагми (первинне зображення), яка обмежує поле зору об'єктива.Регулюючи розміри польової діафрагми, можна змінювати ефективний розмір плями, що проектується на фотоприймач. шумову засітку від багаторазово розсіяного світла Перепроектування первинного зображення також є способом боротьби з розсіяним всередині об'єктива світлом. та вимірювання діафрагми має мінімальний розмір. Діафрагма зазвичай буває ірисова або як диск з отворами різного діаметра.

Оскільки лідер працює з віддаленими об'єктами, об'єктив повинен будувати зображення практично з нескінченності на кінцеву відстань (у фокальній площині). Тобто. використовуються телеоб'єктиви. Оптичний розрахунок телеоб'єктива роблять з урахуванням того, що абераційне розмиття краю зображення має бути мінімальним або прийнятним з погляду світлових втрат (віньєтування польовою діафрагмою). У системах типу далекомірів, сканерів, батиметрів діаметр об'єктива невеликий - від 15 до 150 мм. Тому об'єктиви зазвичай лінзові.

Об'єктиви, що використовуються у лідерах:

· Дзеркальні (рефлектори) - використовують як світлозбиральний елемент дзеркало.

· Дзеркально – лінзові (катадіоптричні) – як оптичні елементи використовуються і дзеркала, і лінзи. Лінзи за розміром можна порівняти з основним дзеркалом і служать для корекції формується ним зображення.

Дзеркала можна зробити полегшеними, що важливо для авіаційних та особливо космічних систем. Дзеркальні системи будують за класичними схемами телескопів: Ньютона), Грегорі та Кассегрена. Після первинного фокусу умовно наведено лінзовий об'єктив, що означає наявність певної додаткової оптики приймальній системі. Дзеркальні системи мають центральне екранування, навіть у схемі Ньютона, у якій у фокусі на осі розміщено приймач. При невеликих полях зору одиниці кутових секунд і малих відносних отворах (d/f" менше 1:10) замість параболоїда в схемі Ньютона використовують сферу, що переважно з економічних міркувань. Через невисокі вимоги до якості зображення (треба тільки зібрати енергію) іноді вдається замінити вторинне гіперболічне дзеркало на сферичне, можливі також варіанти схеми типу Кассегрена з головним сферичним дзеркалом і вторинним асферичним дзеркалом високого порядку, такі корисні для космічних лідерів з великими телескопами.

Варіанти взаємного розташування лазера та приймального телескопа:

У першій схемі суміщення оптичних осей використовується тильна поверхня діагонального плоского дзеркала. У другій схемі приймальний телескоп використовується і як формує, що вимагає посилення вимог до його якості (інакше лазерний пучок сильно розійдеться). Крім того, у ній неминучі втрати через використання світлодільника. У третій схемі використовуються отвори в головному та діагональному (або вторинному) дзеркалах. Центральні зони завжди неробочі. Використовують також схеми, у яких осі лазера і телескопа не суміщені – паралельні чи взаємно нахилені. Такі схеми не дозволяють максимально ефективно використовувати енергію лазерного пучка, але дозволяють позбутися яскравої плями на осі (майже нульове поле зору), яка може спричинити перенасичення приймача. При енергетичних розрахунках слід враховувати гаусовий розподіл енергії в лазерному пучку

3.1 Об'єктив Ньютона

Ця схема була винайдена Ісааком Ньютоном у 1668 році. Тут головне (параболічне) дзеркало спрямовує випромінювання на невелике плоске діагональне дзеркало, розташоване поблизу фокусу. Воно у свою чергу відхиляє пучок випромінювання за межі труби, де він потрапляє на приймальний пристрій.

Дана схема має мінімальну кількість оптичних елементів, що обумовлює простоту юстування, невисокі вимоги до обробки дзеркал та невисоку вартість виготовлення. Головне дзеркало через свій великий розмір вимагає часу на термостабілізацію. Також потрібно періодичне підстроювання дзеркал, схильна втрачатися при транспортуванні та в процесі експлуатації. Система невільна від аберації коми.

Об'єктив Ньютона використовується в багатьох лідерах, розглянемо деякі з них:

1) Багатохвильовий романівський лідер MRL-400

В основу роботи цього лідара покладено явище комбінаційне розсіювання світла (ефект Рамана) - непружне розсіювання оптичного випромінювання на молекулах речовини (твердого, рідкого або газоподібного), що супроводжується помітною зміною частоти випромінювання. У спектрі розсіяного випромінювання з'являються спектральні лінії, яких немає в спектрі первинного (збудливого) світла. Число і розташування ліній визначається молекулярною будовою речовини.

Випромінювання лазера телескопується позаосьовим параболічним дзеркальним коліматором. Лазер разом із коліматором кріпиться на приймальному телескопі, що дозволяє проводити вимірювання під будь-яким кутом до горизонту.

структура лідара MRL-400

Джерело випромінювання: Nd:YAG лазер Quantel Brilliant з генератором третьої гармоніки

Енергія в імпульсі: 300/300/200 мДж – 1064/532/355 нм

Частота повторення: 10 Гц

Позаосьовий параболічний дзеркальний коліматор з коефіцієнтом збільшення 5. Діелектричні дзеркальні покриття забезпечують роботу коліматора на довжинах хвиль 355, 532, 1064 нм.

Телескоп Ньютона з апертурою 400 мм та фокусною відстанню 1200 мм.

2) Багатохвильовий аерозольний лідер PL-200

структура лідара PL-200

Джерело випромінювання: Nd:YAG лазер із генератором третьої гармоніки.

Енергія на довжині хвилі 355 нм: 70 мДж

Частота повторення: 25 Гц

Розбіжність пучка:< 1 мрад

Коліматор: Позаосьовий параболічний коліматор з діелектричними покриттями та коефіцієнтом збільшення 5 призначений для одночасного телескопування випромінюваних довжин хвиль (1064, 532, 355 нм).

Лідар використовується телескоп Ньютона з апертурою 300 мм. Головне дзеркало є параболічним із фокальною відстанню 970 мм.

3.2 Об'єктив Кассегрена

Схема була запропонована Лореном Кассегреном у 1672 році. Головне дзеркало більшого діаметра (увігнуте; в оригінальному варіанті параболічне) відкидає випромінювання на вторинне опукло меншого діаметра (зазвичай гіперболічне). Вторинне дзеркало розташоване між головним дзеркалом та його фокусом та повна фокусна відстань об'єктива більша, ніж у головного. Об'єктив при тому самому діаметрі і фокусній відстані має майже вдвічі меншу довжину труби і трохи менше екранування, ніж у Грегорі. Традиційний рефлектор Кассегрена складний у виробництві (складні поверхні дзеркал – парабола, гіпербола), а також має недовиправлену аберацію коми. Останній недолік виправлений у різних модифікаціях схеми Кассегрена.

З дзеркальних об'єктивів побудований за схемою Кассегрена користується найбільшою популярністю завдяки поєднанню компактності та великої фокусної відстані.

Розглянемо деякі лідери, в яких використовується приймальний телескоп, побудований за схемою Кассегрена:

1) Стаціонарний лідарний комплекс МВЛ-60

Багатохвильовий лідер МВЛ-60 призначений для оперативного дистанційного аналізу характеристик атмосферного аерозолю та хмарних утворень в атмосфері за допомогою лазера, що працює на довжинах хвиль 1064 (ІЧ), 532 (зелений) та 355 (УФ) нм.

Приймальна антена лідара є телескопом, найчастіше дзеркальним, побудованим зазвичай за схемою Ньютона або Кассегрена. У телескопі лідара МВЛ-60 з діаметром головного параболічного дзеркала 60 см реалізовані обидві ці схеми.

При роботі в якості приймальної антени лідара в телескопі реалізується схема Кассегрена, коли прийнятий відбитий сигнал лазера потрапляє спочатку на головне параболічне дзеркало, потім на вторинне дзеркало гіперболічне, а далі через отвір в центрі параболічного дзеркала в блок аналізатора і де розводиться реєструється комп'ютером.

Працюючи як стандартного астрономічного приладу в телескопі реалізується схема Ньютона: на оптичну вісь головного параболического дзеркала вводиться плоске дзеркало, з якого прийняте головним дзеркалом зображення виводиться під кутом 90 град. вздовж поворотної вісі телескопа. У цьому фокусі Ньютона можна розмістити окуляр або відеокамеру та отримувати зображення об'єктів зоряного неба.

2) Багатохвильовий лідар із Раманівськими каналами

Випромінювач імпульсний: Nd:YAG лазер

Довжина хвилі: 1064, 532 і 355 нм

Енергія імпульсу: 100/55/30 мДж

Тривалість імпульсу: 10 нс

Частота посилки імпульсів: 10 Гц

Діаметр лазерного пучка (розширений): 50 мм

Розбіжність лазерного випромінювання: 0.3 мрад

Телескоп (діаметр): Кассегрен, 300 мм первинне дзеркало

Кут прийому випромінювання: 0.6 - 5 мрад

Довжини хвиль пружного розсіювання: 1064, 532, 532 деполяризація та 355 нм

Раманівські довжини хвиль: 387, 407, 607 нм

3 . 3 Об'єктив Грегорі

Дана схема була винайдена Джеймсом Грегорі у 1663 році. У системі Грегорі випромінювання від головного увігнутого параболічного дзеркала прямує на невелике увігнуте еліптичне дзеркало, яке відображає пучок у фотоприймальний пристрій, розміщений у центральному отворі головного дзеркала. Наявність вторинного дзеркала подовжує фокусну відстань і цим дає можливість застосовувати великі збільшення.

Розмір приймального телескопа, побудованого за схемою Грегорі, виходить більше, ніж телескоп Ньютона і майже вдвічі більше, ніж об'єктив Кассегрена, що збільшує екранування, ускладнює юстирування та її збереження, транспортування та експлуатацію загалом.

Дана схема не набула такого поширення, як схеми Ньютона і Кассегрена, так як за інших рівних її недоліки більш істотні, і використовується в деяких специфічних випадках.

Висновок

У процесі вивчення дзеркальних об'єктивів, що використовуються в лідарах, та порівняння між собою різних схем, я зробив такий висновок:

Дзеркальні об'єктиви мають ряд переваг (порівняно з лінзовими):

ѕ Висока світлосила і роздільна здатність

ѕ Відсутність хроматичних аберацій у дзеркал

ѕ Високий коефіцієнт світлопропускання

ѕ При порівняно нескладній конструкції дзеркальних систем можна отримати досить досконалу корекцію сферичної аберації

ѕ Дзеркальні системи не містять заломлюючих поверхонь і тому зручні для використання в ІЧ та УФ областях спектру

Але крім переваг дзеркальні об'єктиви мають і недоліки:

ѕ Складність виготовлення та контролю асферичних поверхонь дзеркал

ѕ Складність юстування дзеркальних систем

ѕ Складнощі, пов'язані з використанням великих дзеркал (вплив погодних умов, необхідність термостабілізації)

ѕ Дзеркальні системи, як правило, мають велику кому, що зменшує корисне поле системи. Цей недолік усувають застосуванням дзеркально-лінзових схем.

Подібні документи

Призменный монокуляр: поняття, призначення, особливості конструкції. Розгляд оптичної схеми монокулярів із призмовими системами О. Малафєєва, основні елементи: об'єктив, окуляр. Етапи абераційного розрахунку окуляра із призмою у зворотному ході променів.

курсова робота , доданий 18.01.2013


Габаритний розрахунок оптичної системи. Обґрунтування компонентів мікроскопа. Дослідження оптичної системи об'єктива на ЕОМ. Розрахунок конструктивних властивостей. Числова апертура об'єктива у просторі. Оптичні параметри окуляра Ґюйгенса.

курсова робота , доданий 19.03.2012


Фотоапарат як оптичний прилад. Фокусна відстань фотооб'єктиву. Поле зору фотооб'єктиву. Світлосила об'єктива. Просвітлювальні покриття. Стандартний ряд відносних отворів. Роздільна здатність фотооб'єктиву та гіперфокальна відстань.

презентація , доданий 30.01.2015


Розмаїття ринку оптичних приладів. Методи контрастування зображення. Предметне та покривне скло. Пристрої захисту. Система призм та дзеркал. Рахункові камери та вимірювальні пристрої. Сучасні металургійні прямі мікроскопи.

реферат, доданий 27.11.2014


Ідеальна оптична система. Розрахунок призми, вибір окуляра. Осесиметрична та просторова оптична система. Конструкційні параметри, аберація об'єктив та призма. Розрахунок аберацій монокуляра. Випуск креслення сітки. Тріорі простору предметів.

контрольна робота , доданий 02.10.2013


Види світлових мікроскопів, їхня комплектація. Правила використання та догляду за мікроскопом. Класифікація застосовуваних об'єктивів оптичних приладах. Іммерсійні системи та рахункові камери світлових мікроскопів. Методи контрастування зображення.

реферат, доданий 06.10.2014


Роль електротехніки у розвитку суднобудування. Функціональна схемауправління асинхронним двигуном із короткозамкненим ротором. Принцип роботи електричної схемивентилятора. Технологія монтажу електричної схеми, використовувані матеріали та інструменти.

курсова робота , доданий 12.12.2009


Теоретичний аналіз основних контурів газонаповненого генератора імпульсної напруги, зібраного за схемою Аркадьєва-Мракса. Розрахунок розрядної схеми ГІН, розрядного контуру на аперіодичність. Вимірювання струму та напруги ГІНу. Конструктивне виконання.

курсова робота , доданий 19.04.2011


Вибір схеми генератора імпульсів напруги та загальної компоновки конструкції. Розрахунок розрядного контуру генератора, розрядних, фронтових та демпферних опорів, комутаторів імпульсної випробувальної установки. Розробка схеми керування установкою.

курсова робота , доданий 29.11.2012


Поняття та сфери практичного використання електронно-оптичних перетворювачів як пристроїв, що перетворюють електронні сигнали на оптичне випромінювання або зображення, доступне для сприйняття людиною. Пристрій, цілі та завдання, принцип дії.