Như một khái niệm, lidar đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, sự quan tâm đến công nghệ này đã tăng mạnh trong những năm gần đây, khi các cảm biến ngày càng trở nên nhỏ hơn, phức tạp hơn và phạm vi của các sản phẩm với công nghệ lidar ngày càng mở rộng.
Từ lidar là phiên âm của LIDAR (Light Detection and Ranging). Đây là công nghệ thu thập và xử lý thông tin về các vật thể ở xa bằng hệ thống quang học hoạt động sử dụng hiện tượng phản xạ và tán xạ ánh sáng trong môi trường trong suốt và bán trong suốt. Lidar là một thiết bị tương tự như radar, do đó ứng dụng của nó là quan sát và phát hiện, nhưng thay vì sóng vô tuyến, như trong radar, nó sử dụng ánh sáng được tạo ra trong phần lớn các trường hợp bằng tia laser. Thuật ngữ lidar thường được sử dụng thay thế cho Ladar, viết tắt của phát hiện và phạm vi laser, mặc dù Joe Buck, người đứng đầu nghiên cứu tại Công nghệ Cohere, thuộc bộ phận hệ thống không gian của Lockheed Martin, cho biết hai khái niệm này theo quan điểm kỹ thuật là khác nhau. “Khi bạn nhìn vào thứ gì đó có thể được coi là vật thể mềm, như hạt vật chất hoặc sol khí trong không khí, các chuyên gia có xu hướng sử dụng lidar khi nói về việc phát hiện những vật thể đó. Khi bạn nhìn vào những vật thể rắn chắc như một chiếc ô tô hay một cái cây, thì bạn có xu hướng nghiêng về thuật ngữ Ladar. " Để biết thêm một chút thông tin về lidar theo quan điểm khoa học, hãy xem phần "Lidar: Cách hoạt động".
“Lidar đã là chủ đề nghiên cứu trong nhiều thập kỷ kể từ khi thành lập vào đầu những năm 1960,” Buck tiếp tục. Tuy nhiên, sự quan tâm đến nó đã tăng lên đáng kể kể từ đầu thế kỷ này, trước hết là nhờ vào tiến bộ công nghệ. Anh ấy sử dụng kết xuất khẩu độ tổng hợp làm ví dụ. Kính thiên văn càng lớn, độ phân giải của vật thể càng cao. Nếu bạn cần độ phân giải cực cao, thì có thể cần một hệ thống quang học lớn hơn nhiều, điều này có thể không thực tế lắm theo quan điểm thực tế. Chụp ảnh khẩu độ tổng hợp giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng nền tảng chuyển động và xử lý tín hiệu để có được khẩu độ thực tế có thể lớn hơn nhiều so với khẩu độ vật lý. Các radar khẩu độ tổng hợp (SAR) đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, phải đến đầu những năm 2000, các cuộc trình diễn thực tế về hình ảnh quang học khẩu độ tổng hợp mới bắt đầu, mặc dù thực tế là tia laze đã được sử dụng rộng rãi vào thời điểm đó. “Trên thực tế, cần nhiều thời gian hơn để phát triển các nguồn quang học có đủ độ ổn định trong một phạm vi điều chỉnh rộng rãi … Việc cải tiến vật liệu, nguồn sáng và máy dò (được sử dụng trong lidar) vẫn tiếp tục. Giờ đây, bạn không chỉ có khả năng thực hiện các phép đo này mà còn có thể thực hiện chúng trong các khối nhỏ, làm cho các hệ thống trở nên thực tế về kích thước, trọng lượng và mức tiêu thụ điện năng."
Việc thu thập dữ liệu từ lidar (hoặc thông tin do lidar thu thập) cũng trở nên dễ dàng và thiết thực hơn. Theo truyền thống, nó được lắp ráp từ các cảm biến máy bay, Nick Rosengarten, người đứng đầu Nhóm Sản phẩm Khai thác Không gian Địa lý tại BAE Systems cho biết. Tuy nhiên, ngày nay, các cảm biến có thể được lắp đặt trong các phương tiện mặt đất hoặc thậm chí trong ba lô, điều này ngụ ý thu thập dữ liệu của con người. Rosengarten giải thích: “Điều này mở ra rất nhiều khả năng, dữ liệu hiện có thể được thu thập cả trong nhà và ngoài trời. Matt Morris, Trưởng bộ phận Giải pháp Không gian Địa lý tại Hệ thống Textron cho biết, “lidar là một tập dữ liệu thực sự tuyệt vời vì nó cung cấp những chi tiết cụ thể nhất trên bề mặt Trái đất. Nó cung cấp hình ảnh chi tiết hơn và có thể nói là nhiều màu hơn so với công nghệ DTED (Dữ liệu độ cao địa hình kỹ thuật số), cung cấp thông tin liên quan đến độ cao của bề mặt trái đất tại một số điểm nhất định. Có lẽ một trong những trường hợp sử dụng mạnh mẽ nhất mà tôi đã nghe từ các khách hàng quân sự của chúng tôi là kịch bản triển khai ở địa hình xa lạ, bởi vì họ cần biết mình sẽ đi đâu … trèo lên mái nhà hoặc leo hàng rào. Dữ liệu DTED không cho phép bạn thấy điều này. Bạn thậm chí sẽ không nhìn thấy các tòa nhà."
Morris lưu ý rằng ngay cả một số dữ liệu độ cao địa hình có độ phân giải cao truyền thống cũng sẽ không cho phép bạn xem các tính năng này. Nhưng lidar cho phép bạn làm điều này vì "khoảng cách vị trí" của nó - một thuật ngữ mô tả khoảng cách giữa các vị trí có thể được hiển thị chính xác trong mảng dữ liệu. Trong trường hợp nắp đậy, “cao độ” có thể giảm xuống còn cm, “vì vậy bạn có thể biết chính xác chiều cao của mái một tòa nhà hoặc chiều cao của tường hoặc chiều cao của cây. Điều này thực sự làm tăng mức độ nhận thức tình huống ba chiều (3D). " Ngoài ra, chi phí của cảm biến lidar đang giảm theo kích thước của chúng, làm cho chúng có giá cả phải chăng hơn. “Mười năm trước, hệ thống cảm biến lidar rất lớn và rất đắt tiền. Chúng thực sự có mức tiêu thụ điện năng cao. Nhưng khi chúng phát triển, công nghệ được cải thiện, các nền tảng trở nên nhỏ hơn nhiều, tiêu thụ năng lượng giảm và chất lượng dữ liệu chúng tạo ra tăng lên."
Morris nói rằng ứng dụng chính của lidar trong lĩnh vực quân sự là lập kế hoạch 3D và huấn luyện các nhiệm vụ chiến đấu. Ví dụ, sản phẩm mô phỏng chuyến bay Lidar Analyst của công ty ông cho phép người dùng lấy một lượng lớn dữ liệu và "nhanh chóng tạo ra các mô hình 3D này, sau đó họ có thể lập kế hoạch nhiệm vụ của mình rất chính xác." Điều này cũng đúng với các hoạt động trên mặt đất. Morris giải thích: "Sản phẩm của chúng tôi được sử dụng để lập kế hoạch các tuyến đường ra vào khu vực mục tiêu, và vì dữ liệu thô có độ phân giải cao, nên có thể tiến hành phân tích rất chính xác tình hình trong tầm ngắm."
Cùng với Lidar Analyst, Textron đã phát triển RemoteView, một sản phẩm phần mềm phân tích hình ảnh cho quân đội và cơ quan tình báo Hoa Kỳ. Phần mềm RemoteView có thể sử dụng nhiều nguồn dữ liệu khác nhau, bao gồm cả dữ liệu lidar. BAE Systems cũng cung cấp phần mềm để phân tích không gian địa lý, sản phẩm chủ lực của hãng ở đây là SOCET GXP, cung cấp nhiều khả năng, bao gồm cả việc sử dụng dữ liệu lidar. Ngoài ra, Rosengarten giải thích rằng công ty đã phát triển công nghệ GXP Xplorer, đây là một ứng dụng quản lý dữ liệu. Các công nghệ này khá phù hợp cho các ứng dụng quân sự. Rosengarten, chẳng hạn, đã đề cập đến một công cụ để tính toán bãi đáp trực thăng nằm trong phần mềm SOCET GXP. "Nó có thể lấy dữ liệu lidar và cung cấp cho người dùng thông tin về các khu vực trên mặt đất có thể đủ để trực thăng hạ cánh." Ví dụ, anh ta có thể cho họ biết nếu có chướng ngại vật thẳng đứng trên đường đi, chẳng hạn như cây cối: "Mọi người có thể sử dụng công cụ này để xác định các khu vực có thể phù hợp nhất làm điểm sơ tán trong các cuộc khủng hoảng nhân đạo." Rosengarten cũng nhấn mạnh tiềm năng của việc lát gạch, nơi nhiều bộ dữ liệu lidar được thu thập từ một khu vực cụ thể và được kết hợp với nhau. Điều này có thể thực hiện được nhờ “siêu dữ liệu cảm biến lidar được tăng cường độ trung thực kết hợp với phần mềm như ứng dụng SOCET GXP của BAE Systems, có thể biến siêu dữ liệu thành các khu vực chính xác trên mặt đất, được tính toán bằng dữ liệu không gian địa lý. Quá trình này dựa trên dữ liệu lidar và không phụ thuộc vào cách dữ liệu được thu thập."
Cách hoạt động: lidar
Lidar hoạt động bằng cách chiếu sáng mục tiêu bằng ánh sáng. Nắp đậy có thể sử dụng ánh sáng trong phạm vi nhìn thấy, tia cực tím hoặc gần hồng ngoại. Nguyên lý hoạt động của lidar rất đơn giản. Đối tượng (bề mặt) được chiếu sáng bằng một xung ánh sáng ngắn, thời gian mà tín hiệu quay trở lại nguồn được đo. Lidar phóng bức xạ laser xung ngắn nhanh lên một vật thể (bề mặt) với tần số lên đến 150.000 xung mỗi giây. Một cảm biến trên thiết bị đo thời gian từ khi truyền xung ánh sáng đến khi phản xạ của nó, giả sử tốc độ ánh sáng không đổi là 299792 km / s. Bằng cách đo khoảng thời gian này, có thể tính toán khoảng cách giữa nắp và một phần riêng biệt của đối tượng và do đó, xây dựng hình ảnh của đối tượng dựa trên vị trí của nó so với nắp.
Cắt gió
Trong khi đó, Buck chỉ ra các ứng dụng quân sự có thể có của công nghệ WindTracer của Lockheed Martin. Công nghệ thương mại WindTracer sử dụng lidar để đo lực cắt gió tại các sân bay. Quy trình tương tự có thể được sử dụng trong lĩnh vực quân sự, ví dụ, đối với các máy bay tiêm kích chính xác. “Bạn cần thả vật tư từ độ cao vừa đủ, vì điều này, bạn đặt chúng lên pallet và thả chúng từ dù xuống. Bây giờ chúng ta hãy xem nơi họ hạ cánh? Bạn có thể thử và dự đoán nơi chúng sẽ đi, nhưng vấn đề là khi bạn đi xuống, sức cắt của gió sẽ thay đổi hướng ở các độ cao khác nhau,”ông giải thích. - Và sau đó làm thế nào để bạn dự đoán nơi pallet sẽ hạ cánh? Nếu bạn có thể đo gió và tối ưu hóa quỹ đạo, thì bạn có thể cung cấp vật tư với độ chính xác rất cao”.
Lidar cũng được sử dụng trong các phương tiện mặt đất không người lái. Ví dụ, nhà sản xuất xe mặt đất tự động (AHAs), Roboteam, đã tạo ra một công cụ có tên là Top Layer. Đây là công nghệ điều hướng tự động và lập bản đồ 3D sử dụng lidar. Shahar Abukhazira, người đứng đầu Roboteam, cho biết Top Layer sử dụng lidar theo hai cách. Đầu tiên cho phép ánh xạ thời gian thực của các không gian kín. Abukhazira nói thêm: “Đôi khi video không đủ trong điều kiện dưới mặt đất, có thể quá tối hoặc khả năng hiển thị bị suy giảm do khói hoặc bụi,” Abukhazira nói thêm. - Khả năng của Lidar cho phép bạn thoát khỏi tình huống không có định hướng và hiểu biết về môi trường … bây giờ anh ta lập bản đồ căn phòng, anh ta lập bản đồ đường hầm. Ngay lập tức bạn có thể hiểu được tình hình, ngay cả khi bạn không nhìn thấy gì và ngay cả khi bạn không biết mình đang ở đâu."
Công dụng thứ hai của lidar là tính tự chủ của nó, giúp người vận hành kiểm soát nhiều hơn một hệ thống tại bất kỳ thời điểm nào. Ông giải thích: “Một người điều khiển có thể điều khiển một AHA, nhưng có hai AHA khác chỉ đơn giản là theo dõi và bám theo phương tiện do con người điều khiển. Tương tự như vậy, một người lính có thể vào cơ sở và ANA chỉ đơn giản là theo sau anh ta, tức là không cần phải bỏ vũ khí sang một bên để vận hành bộ máy. "Nó làm cho công việc trở nên đơn giản và trực quan." AHA Probot lớn hơn của Roboteam cũng có nắp đậy trên tàu để giúp nó di chuyển trên quãng đường dài. “Bạn không thể yêu cầu người điều khiển nhấn một nút trong ba ngày liên tiếp … bạn sử dụng cảm biến lidar để đơn giản theo dõi binh lính, theo dõi xe, hoặc thậm chí tự động di chuyển từ điểm này sang điểm khác, lidar sẽ giúp những tình huống này. tránh chướng ngại vật. " Abukhazira kỳ vọng sẽ có những bước đột phá lớn trong lĩnh vực này trong tương lai. Ví dụ: người dùng muốn có một tình huống trong đó một con người và một ANA tương tác như hai người lính. “Các bạn không kiểm soát lẫn nhau. Bạn nhìn nhau, bạn gọi nhau, và bạn hành động chính xác như những gì bạn nên làm. Tôi tin rằng theo một nghĩa nào đó, chúng ta sẽ có được mức độ giao tiếp giữa con người và hệ thống. Nó sẽ hiệu quả hơn. Tôi tin rằng những kẻ lừa đảo đang dẫn dắt chúng ta theo hướng đó."
Hãy đi dưới lòng đất
Abukhazira cũng hy vọng cảm biến lidar sẽ cải thiện hoạt động trong môi trường nguy hiểm dưới lòng đất. Cảm biến nắp cung cấp thông tin bổ sung khi lập bản đồ đường hầm. Ngoài ra, ông nhận thấy rằng đôi khi trong một đường hầm nhỏ và tối, người điều khiển thậm chí có thể không nhận ra rằng AHA đang dẫn sai hướng. “Cảm biến nắp đậy hoạt động giống như GPS trong thời gian thực và khiến quá trình này giống như một trò chơi điện tử. Bạn có thể thấy hệ thống của mình trong đường hầm, bạn biết mình đang đi đâu trong thời gian thực."
Cần lưu ý rằng cảm biến lidar là một nguồn dữ liệu khác và không nên được coi là sự thay thế trực tiếp cho radar. Buck nhận thấy rằng có sự khác biệt lớn về bước sóng giữa hai công nghệ, có những ưu và nhược điểm riêng. Thường thì giải pháp tốt nhất là sử dụng cả hai công nghệ, ví dụ, đo các thông số gió bằng đám mây aerosol. Bước sóng ngắn hơn của cảm biến quang học cung cấp khả năng phát hiện định hướng tốt hơn so với bước sóng dài hơn của cảm biến RF (radar). Tuy nhiên, các đặc tính truyền của khí quyển rất khác nhau đối với hai loại cảm biến. “Radar có khả năng đi xuyên qua một số loại mây nhất định mà kẻ gian khó đối phó. Nhưng trong sương mù chẳng hạn, lidar có thể hoạt động tốt hơn một chút so với radar."
Rosengarten cho biết việc kết hợp lidar với các nguồn ánh sáng khác như dữ liệu panchromatic (khi chụp ảnh sử dụng một loạt các bước sóng ánh sáng) sẽ cho một bức tranh hoàn chỉnh về khu vực quan tâm. Một ví dụ điển hình ở đây là định nghĩa về bãi đáp trực thăng. Lidar có thể quét một khu vực và nói rằng nó có độ dốc bằng không, bất kể thực tế là anh ta đang thực sự nhìn vào hồ. Loại thông tin này có thể thu được thông qua việc sử dụng các nguồn sáng khác. Rosengarten tin rằng cuối cùng ngành công nghiệp này sẽ hợp nhất các công nghệ, tập hợp các nguồn dữ liệu hình ảnh và ánh sáng khác nhau. "Nó sẽ tìm mọi cách để đưa tất cả dữ liệu dưới một cái ô … Lấy thông tin chính xác và toàn diện không chỉ đơn thuần là sử dụng dữ liệu lidar, mà là một nhiệm vụ phức tạp liên quan đến tất cả các công nghệ hiện có."
