Высокие технологии все активнее внедряются в нашу жизнь. Раньше слово лидар ассоциировалось со сложнейшим устройством, доступным лишь крупным компаниям и исследовательским институтам. Сегодня же лидары стали настолько распространены, что их можно встретить даже в смартфонах. Что это за технология и где она используется?
Лидар — что это такое и как работает
Слово «лидар» (LIDAR) происходит от «Light Detection and Ranging» — это технология измерения расстояний с помощью светового луча.
Первое упоминание термина датируется 1953 годом. Раньше в метеорологии так называли обычные импульсные источники света. Однако после изобретения лазера в 1960 году стали появляться первые лидары, в которых в качестве излучателя уже использовался самый настоящий лазер. Одним из первых изобретений в 1963 году стал лазерный дальномер XM-23, который после испытаний был сразу же принят на вооружение армии США.
В последствие лазерный дальномер стал стандартным оборудованием для танка M551 Шеридан, а широкую популяризацию эта технология получила после запуска Аполлоон-11 — астронавты установили на Луне первый уголковый отражатель, с помощью которого и удалось сделать точные замеры расстояния от Земли до спутника.
В СССР эксперименты по лазерной локации Луны начались с 1963 года, а впоследствии были запущены и собственные уголковые отражатели на «Луноход-1» и «Луноход-2». Первый советский лазерный дальномер появился в 1974 году — КТД-1 был способен замерять расстояния до 10 километров с погрешностью всего в 1,8 метра.
Главной проблемой лидаров была необычайная дороговизна за счет использования интегральных схем, поэтому сфера применения обычно ограничивалась военными потребностями, космосом и метеорологией. Однако с развитием и удешевлением микроэлектроники возможности и области применения существенно расширились.
Принцип действия лидара очень схож со знакомым нам радаром — разница лишь в том, что в одном случае к объекту посылается свет, а в другом — радиоволна. Одна из главных проблем радиоволн в том, что они хорошо отражаются только от крупных металлических объектов. Свет этого недостатка лишен, а после изобретения лазера у инженеров появилась возможность посылать на большие расстояния сконцентрированные пучки света.
Лидар посылает световую волну (как правило, в инфракрасном диапазоне), она отражается от объекта и возвращается. Анализируя время или отраженный сигнал можно рассчитать расстояние до объекта.
Различают импульсный и фазовый методы измерения дальности. При импульсном методе к объекту посылается импульс, параллельно которому устройство запускает внутренний счетчик. Когда отраженный луч возвращается, он останавливает работу счетчика. После этого микропроцессор с использованием времени счетчика по формуле рассчитывает расстояние до объекта.
При фазовом методе излучение модулируется по синусоидальному закону, а отраженный луч смещается по фазе. На основе разницы в фазе и определяется расстояние.
Большинство лидаров использует одну из трех длин волны — 850, 905 или 1550 нм. Источники, генерирующие волны 850 и 905 нм при достаточно большой мощности могут повредить сетчатку, однако их производство максимально дешевое и доступное. Луч длиной волны 1550 нм безопасен для человеческого глаза даже на большой мощности, но для производства таких излучателей необходимы достаточно редкие ресурсы, например, арсенид галлия-индия.
Применение лидаров
Отметим, термин «лидар» можно понимать в двух разных значениях. Первое — это технология, использующая пучок света для замера расстояния до объекта. Второе значение — отдельное устройство, которое посылает многочисленные пучки света для построения 3D-карты.
Большинство людей знакомы с технологией по лазерным дальномерам. Эти гаджеты обычно не называет лидарами, поскольку они посылают лишь один луч для замера расстояния. Компактные устройства размером с телефон способны замерять расстояния в среднем до 100 метров. Незаменимый гаджет во время ремонта или стройки.
Развитием этой технологии стали вращающиеся и сканирующие излучатели. Такие устройства уже способны не просто замерять расстояние до одной точки, а строить полноценную карту рельефа или 3D-модели объектов. Именно они чаще всего называются лидарами.
Технология активно применяется в картографировании и археологии, поскольку позволяет быстро создать карту с точностью вплоть до 10 сантиметров. Лидары могут устанавливаться на самолеты или беспилотные летальные аппараты, в том числе на небольшие дроны. Последние используются для получения моделей зданий или карт местных сельскохозяйственных угодий.
Мощные лидары устанавливаются уже на самолеты и способны составлять карты целых регионов — используются несколько различных методов сканирования. Так океанографы используют лидары для отслеживания береговой эрозии, а ботаники — для измерения меняющейся структуры лесов. Применяются лазеры и для изучения газового состава атмосферы — летучие вещества в разной степени поглощают отраженный луч, так что по рассеиванию возможно высчитать концентрацию.
Устанавливают лидары даже на космические аппараты. Например, на МКС стоит система JEDI, которая с 2018 года используется для исследования лесов. Ученым удалось построить карту высоты лесных массивов по всему миру.
Также NASA приступила к созданию лидара MARLI для изучения скорости ветра и состава атмосферы на Марсе.
Если же говорить о более приземленных устройствах, то лидары (LDS-лазер) используются в некоторых роботах-пылесосах. Специальный блок с вращающейся головкой позволяет сканировать территорию на 360 градусов вокруг пылесоса, тем самым составляя карту стен и препятствий.
Лидар способен быстро и с высокой точностью построить карту помещений, однако он плохо работает с зеркалами, которые идентифицирует не как препятствие, а как еще одно пространство. Лидары постепенно проникают в потребительскую электронику, например, смартфоны. Вы наверняка слышали про ToF-камеры, которые имеются у Samsung Galaxy S20+, Huawei P30 Pro, Sony Xperia XZ4 и других гаджетах. Так вот эти камеры и используют технологию лидара — сенсор в инфракрасном диапазоне посылает пучок света и замеряет время, через которое он вернется. Открывает это дополнительные возможности: измерение расстояния до объектов, эффект размытия заднего фона, улучшенное распознавание лиц и не только.
Развитием ToF-камер занялись в Apple — впервые в iPhone 12 Pro они представили уже полноценный лидар. Ключевое отличие — сенсор лидара посылает импульсы света не один раз, как это делает ToF-сенсор, а постоянно. Это позволяет в режиме реального времени строить полноценные 3D-модели объектов и предоставляет больше возможностей работы с дополненной реальностью.
Однако одной из самых перспективных сфер применения лидаров являются беспилотные автомобили. В сумме с другими средствами обнаружения препятствий лидары позволяют создавать достаточно точную карту. Например, в беспилотных автомобилях «Яндекса» использовались лидары одного из ведущих брендов Velodyne.
Одним из главных сдерживающих факторов развития рынка лидаров является их стоимость. Достаточно мощные устройства для автомобильного применения, безопасные для глаз человека, стоят в районе 800–1200 долларов. Лидары для бытовой техники вроде пылесосов уже существенно дешевле — обычно до 100 долларов.
А вот в машинах Tesla лидары не используются — там навигация осуществляется исключительно по камерам, радару и ультразвуковым датчикам. Илон Маск уверен, что лидары — это дорогой и бесполезный способ навигации, а с развитием технологии компьютерного зрения и вовсе станет бесполезным. Прав он или нет, покажет время, но даже проработанная система обнаружения препятствий в автомобилях Tesla дает сбои.
Сферы применения лидара расширяются с каждым годом — быстрое создание виртуальных 3D-моделей требуется в самых разных отраслях, начиная от дизайна с трехмерной печатью и заканчивая исследованием рельефа других планет. Вполне возможно, что лидар станет будущим для всех беспилотных аппаратов, включая автомобили и даже самолеты.
