LiDAR este un sistem electronic ce face parte din familia senzorilor, mai precis din categoria de senzori Time Of Flight (ToF). Un senzor colectează date despre un parametru fizic precum temperatura, umiditatea, lumina, greutatea, distanța, în timp ce un sistem LiDAR măsoară distanța până la cel mai apropiat obstacol printr-un protocol de comunicare. 

LiDAR (de asemenea cunoscut și sub LIDAR sau LADAR) este un acronim de la ”light detection and ranging” și este echivalentul radarului pentru domeniul luminii vizibile. Este o metodă pentru măsurarea distanțelor prin iluminarea țintei cu lumină laser și măsurarea reflexiei cu ajutorul unui senzor. 

Distance = (Speed of Light x Time of Flight) / 2

Termenul ”lidar” a fost inițial o combinare între termenii ”lumină” și ”radar”. Acum este de asemenea folosit ca acronim al „detectării și variației luminii” și „imagistică, detectare și distribuție cu laser”. Lidar mai poate însemna și scanarea laser 3-D, o combinație specială de scanare 3-D și scanare laser.

Cu ce scop se utilizează senzorii LiDAR

Tehnologia LiDAR este utilizată în mod obișnuit pentru a realiza hărți de înaltă rezoluție, cu aplicații în topografie, geodezie, geomatică, arheologie, geografie, geologie, geomorfologie, seismologie, silvicultură, fizică atmosferică, ghidare cu laser, cartografiere cu laser în aerotransportare (ALSM) și altimetrie laser. Tehnologia este de asemenea folosită în control și navigație pentru unele mașini autonome. Senzorii LiDAR, prin milioane de impulsuri laser emise, pot detecta cu acuratețe obiectele din jur pentru scanarea împrejurimilor în format 3D. Astfel, conturează o hartă provizorie 3D în timp real fără conectivitate la internet. 

Lidar folosește lumina ultravioletă și poate viza o gamă largă de materiale, inclusiv obiecte nemetalice, roci, ploaie, compuși chimici, aerosoli, nori și chiar molecule unice. O rază laser îngustă poate cartografia caracteristicile fizice cu rezoluții foarte mari; de exemplu, o dronă poate cartografia terenul la o rezoluție de 30 de centimetri.

Oamenii de știință din domeniul forestier care trebuie să studieze vegetația pe regiuni mari pentru a răspunde problemelor legate de cercetare la nivelul ecosistemului sau la scară regională au nevoie de instrumente care să poată estima caracteristicile cheie pe suprafețe mari, deoarece nu avem resurse pentru a măsura manual fiecare arbore sau arbust.

Teledetecția înseamnă că nu măsurăm fizic lucrurile cu mâinile noastre. Folosim senzori care captează informații despre un peisaj și înregistrează lucruri pe care le putem folosi pentru a estima condițiile și caracteristicile. Pentru a măsura vegetația sau alte date pe suprafețe mari, avem nevoie de metode de teledetecție care să poată lua multe măsurători rapid, folosind senzori automatizați. Cu sistemul LiDAR se măsoară direct înălțimea și densitatea vegetației de pe sol, ceea ce îl face un instrument ideal pentru oamenii de știință care studiază vegetația pe suprafețe mari.

De asemenea, un domeniu în care se utilizează cu mare succes sistemul LiDAR este atmosfera. LiDAR poate fi utilizat pentru a studia gazele atmosferice, aerosolii și norii. Răspândirea moleculară scade odată cu creșterea lungimii de undă, ceea ce permite sistemului să construiască o „hartă a densității”. Datele colectate de LiDAR sunt extrem de precise, oferind o estimare exactă a moleculelor cuprinzând orice formă de materie. Senzorii LiDAR pot detecta particule atât în aer cât și în apă, ceea ce îi face utili în identificarea poluanților precum dioxidul de carbon, dioxidul de sulf și metanul. Astfel, cercetătorii pot utiliza aceste date pentru a observa și reduce acumularea de poluanți într-o anumită zonă.

În domeniul geologiei și topografiei, senzorii LiDAR au înregistrat rezultate foarte bune. Datele LiDAR s-au dovedit a fi un instrument esențial pentru cartografierea, monitorizarea și gestionarea pericolelor și resurselor naturale, permițând geologilor să studieze topologia pământului și originea sa printr-un proces cunoscut sub numele de geomorfologie. Senzorii LiDAR pot capta micro-topografia de înaltă rezoluție a zonelor ascunse altfel de copaci și verdeață, pătrunzând prin copertina pădurii pentru a detecta suprafața de dedesubt. De asemenea, tehnologia LiDAR este capabilă să determine profilul și rugozitatea diferitelor tipuri de sol agricol, informând cu privire la plantarea culturilor, a solului și la ce tip de îngrășământ trebuie utilizat pentru cele mai bune rezultate.

Specificațiile LiDAR

• Tehnologie de scanare

În modul de scanare, LiDAR calculează valori continue în funcție de frecvența de pulsație. Scanarea LiDAR de obicei măsoară distanța într-un domeniu unghiular până la un cerc de 360 ° pe baza frecvenței între 1Hz și 100Hz.

• Sistemul de viziune LiDAR

Există 3 categorii de sisteme de vizualizare LiDAR: 1D, 2D sau 3D. Ele funcționează în același mod, diferența constă în utilizarea unui punct și a fotografierii sau a unui sistem de mod de scanare, precum și a cantității de fascicule laser utilizate. Pentru un scaner laser 1D, avem nevoie de un fascicul laser, care să măsoare distanța dintre un obstacol și scanerul de pe un singur ax, astfel încât să fie o singură dimensiune.

Pentru un LiDAR 2D este necesară o singură rază laser. Aceasta va trimite impulsuri și va măsura distanța orizontală față de ținte pentru a obține date pe axele X și Y.

Pentru un LiDAR 3D, ideea este aceeași, dar mai multe fascicule laser răspândite pe axul vertical sunt înregistrate pentru a obține date despre axele X, Y și Z. Fiecare fascicul laser va avea un delta unghiular cu celelalte axe.

• Interior / Exterior

Toți senzorii LiDAR care respectă standarde tehnologice pot fi utilizați în interior. Doar o parte dintre ei pot fi folosiți în aer liber. Trebuie să se țină seama de următorii factori:

• Lungimea de undă: la 500 nm, lumina solară produce cel mai înalt nivel de perturbare;
• Rezistența la lumină ambientală: parametru care indică câtă lumină poate accepta ca să funcționeze corect;
• Tipul suprafeței: suprafață transparentă, fum, ceață etc.
• Capacitatea de rezistență la zgomot de mediu: ploaie, zăpadă, relief etc.
• Intervalul de temperatură: temperatura de funcționare a LiDAR;
• Considerații electromagnetice: tulburări fizice care pot modifica comportamentul senzorului;
• LiDAR-urile de exterior sunt mai scumpi datorită performanțelor superioare.

Avantaje LiDAR

• Datele pot fi colectate rapid și cu o precizie ridicată;
• LiDAR poate fi integrat cu alți senzori: senzori sonar, camera, IMU, GPS, ToF;
• Tehnologia LiDAR poate fi folosită pe timp de zi sau pe întuneric, datorită unui senzor de iluminare activ;
• Poate fi folosită pentru a colecta date din locuri greu accesibile;
• LiDAR sunt rapide și extrem de precise. Acești senzori sunt instrumente excelente pentru a colecta date despre zone vaste de teren;
• Odată configurat corect, un LiDAR este o piesă tehnologică autonomă și poate funcționa destul de mult fără intervenție asupra ei.

Dezavantaje LiDAR

• LiDAR poate fi scump în funcție de specificațiile cerute de proiect;
• LiDAR sunt ineficiente în ploaie abundentă, nori groși, dacă este ceață mare sau fum sau se utilizează obstacole transparente;
• Analiza cantității masive de date colectate poate consuma timp și resurse;
• Lamele laser puternice utilizate în unele LiDAR pot deteriora ochiul uman;
• Dificultăți de a pătrunde în materie extrem de densă.

Senzorii LiDAR sunt o tehnologie cheie a viitorului pentru automatizarea proceselor sau conducerea autoturismelor complet automatizate și autonome. În combinație cu camerele și senzorii radar, ei percep împrejurimile, ajută la orientare, detectează obstacolele, măsoară distanțele – și asigură astfel o siguranță și o eficiență sporită pe drumurile aglomerate și în mediile industriale automatizate.