Als concept bestaat lidar al tientallen jaren. De belangstelling voor deze technologie is de afgelopen jaren echter sterk gegroeid, omdat sensoren kleiner en complexer worden en het bereik van producten met lidar-technologie steeds groter wordt.
Het woord lidar is een transliteratie van LIDAR (Light Detection and Ranging). Dit is een technologie voor het verkrijgen en verwerken van informatie over verre objecten met behulp van actieve optische systemen die gebruik maken van de verschijnselen van lichtreflectie en -verstrooiing in transparante en semitransparante media. Lidar is als apparaat vergelijkbaar met een radar, daarom is de toepassing ervan observatie en detectie, maar in plaats van radiogolven, zoals bij een radar, gebruikt het licht dat in de overgrote meerderheid van de gevallen door een laser wordt gegenereerd. De term lidar wordt vaak door elkaar gebruikt met Ladar, wat staat voor laserdetectie en -bereik, hoewel Joe Buck, hoofd onderzoek bij Coherent Technologies, onderdeel van de ruimtesystemenafdeling van Lockheed Martin, zegt dat de twee concepten vanuit technisch oogpunt verschillend zijn. "Als je kijkt naar iets dat als een zacht object kan worden beschouwd, zoals fijnstof of een aerosol in de lucht, hebben experts de neiging om lidar te gebruiken bij het detecteren van die objecten. Als je kijkt naar solide, solide objecten zoals een auto of een boom, dan neig je naar de term Ladar." Voor wat meer informatie over lidar vanuit wetenschappelijk oogpunt, zie de sectie "Lidar: hoe het werkt".
"Lidar is al tientallen jaren onderwerp van onderzoek sinds het begin in de vroege jaren zestig," vervolgde Buck. Sinds het begin van deze eeuw is de belangstelling ervoor echter aanzienlijk gegroeid, in de eerste plaats dankzij de technologische vooruitgang. Als voorbeeld gebruikte hij synthetische apertuurweergave. Hoe groter de telescoop, hoe hoger de resolutie van het object kan worden verkregen. Als je een extreem hoge resolutie nodig hebt, kan een veel groter optisch systeem nodig zijn, wat vanuit praktisch oogpunt misschien niet erg praktisch is. Beeldvorming met synthetische apertuur lost dit probleem op door een bewegend platform en signaalverwerking te gebruiken om een werkelijk diafragma te verkrijgen dat veel groter kan zijn dan het fysieke diafragma. Synthetische apertuurradars (SAR's) worden al tientallen jaren gebruikt. Het was echter pas in het begin van de jaren 2000 dat praktische demonstraties van optische beeldvorming met synthetische apertuur begonnen, ondanks het feit dat lasers toen al op grote schaal werden gebruikt. “In feite kostte het meer tijd om optische bronnen te ontwikkelen die voldoende stabiliteit zouden hebben over een breed aanpassingsbereik … De verbetering van materialen, lichtbronnen en detectoren (gebruikt in lidars) gaat door. Je hebt nu niet alleen de mogelijkheid om deze metingen te doen, je kunt ze ook in kleine blokken doen, waardoor de systemen praktisch zijn qua grootte, gewicht en stroomverbruik.”
Ook wordt het makkelijker en praktischer om gegevens uit de lidar (of informatie verzameld door de lidar) te verzamelen. Traditioneel is het samengesteld uit vliegtuigsensoren, zegt Nick Rosengarten, hoofd van de Geospatial Exploitation Products Group bij BAE Systems. Tegenwoordig kunnen sensoren echter worden geïnstalleerd in grondvoertuigen of zelfs in rugzakken, wat het verzamelen van menselijke gegevens impliceert. "Dit opent een hele reeks mogelijkheden, gegevens kunnen nu zowel binnen als buiten worden verzameld", legt Rosengarten uit. Matt Morris, hoofd Geospatial Solutions bij Textron Systems, zegt: “De lidar is een werkelijk verbazingwekkende dataset omdat het de meest gedetailleerde details op het aardoppervlak biedt. Het geeft een veel gedetailleerder en om zo te zeggen meer getint beeld dan de DTED-technologie (Digital Terrain Elevation Data), die informatie geeft over de hoogte van het aardoppervlak op bepaalde punten. Misschien wel een van de krachtigste use-cases die ik van onze militaire klanten heb gehoord, is het scenario van inzetten op onbekend terrein, omdat ze moeten weten waar ze heen gaan … om een dak te beklimmen of een hek te beklimmen. De DTED-gegevens laten u dit niet zien. Je ziet de gebouwen niet eens."
Morris merkte op dat zelfs sommige traditionele terreinhoogtegegevens met hoge resolutie u niet toelaten om deze functies te zien. Maar de lidar stelt u in staat dit te doen vanwege zijn "positie-afstand" - een term die de afstand tussen posities beschrijft die nauwkeurig kan worden weergegeven in de gegevensarray. In het geval van een lidar kan de 'pitch' worden teruggebracht tot centimeters, 'zodat je precies weet hoe hoog het dak van een gebouw is, of de hoogte van een muur of de hoogte van een boom. Dit verhoogt echt het niveau van driedimensionaal (3D) situationeel bewustzijn." Bovendien nemen de kosten van lidar-sensoren af, evenals hun grootte, waardoor ze betaalbaarder worden. “Tien jaar geleden waren lidar-sensorsystemen erg groot en erg duur. Ze hadden echt een hoog stroomverbruik. Maar naarmate ze zich ontwikkelden, verbeterden technologieën, werden platforms veel kleiner, nam het energieverbruik af en nam de kwaliteit van de gegevens die ze genereerden toe."
Morris zei dat het belangrijkste gebruik van de lidar op militair gebied is in 3D-planning en training van gevechtsmissies. Met het vluchtsimulatieproduct Lidar Analyst van zijn bedrijf kunnen gebruikers bijvoorbeeld grote hoeveelheden gegevens opnemen en "snel deze 3D-modellen genereren, waarna ze hun missies zeer nauwkeurig kunnen plannen." Hetzelfde geldt voor grondoperaties. Morris legt uit: "Ons product wordt gebruikt om in- en uitgangsroutes naar het doelgebied te plannen, en aangezien de onbewerkte gegevens een hoge resolutie hebben, is het mogelijk om een zeer nauwkeurige analyse van de situatie uit te voeren binnen de gezichtslijn."
Samen met Lidar Analyst heeft Textron RemoteView ontwikkeld, een softwareproduct voor beeldanalyse voor het Amerikaanse leger en inlichtingendiensten. RemoteView-software kan verschillende gegevensbronnen gebruiken, waaronder lidar-gegevens. BAE Systems biedt ook software voor geospatiale analyse, het vlaggenschip hier is SOCET GXP, dat veel mogelijkheden biedt, waaronder het gebruik van lidar-gegevens. Bovendien legde Rosengarten uit dat het bedrijf de GXP Xplorer-technologie heeft ontwikkeld, een applicatie voor gegevensbeheer. Deze technologieën zijn zeer geschikt voor militaire toepassingen. Rosengarten noemde bijvoorbeeld een tool voor het berekenen van de helikopterlandingszone die onderdeel is van de SOCET GXP-software. "Het kan lidar-gegevens gebruiken en gebruikers informatie geven over gebieden op de grond die mogelijk voldoende zijn om een helikopter te laten landen." Hij kan hen bijvoorbeeld vertellen of er verticale obstakels in de weg staan, zoals bomen: "Mensen kunnen dit hulpmiddel gebruiken om gebieden te identificeren die het meest geschikt zijn als evacuatiepunt tijdens humanitaire crises." Rosengarten benadrukte ook het potentieel van tegels, waarbij meerdere lidar-datasets uit een specifiek gebied worden verzameld en aan elkaar worden genaaid. Dit wordt mogelijk gemaakt door “de verhoogde betrouwbaarheid van lidar-sensormetadata in combinatie met software zoals de SOCET GXP-applicatie van BAE Systems, die metadata kan omzetten in precieze zones op de grond, berekend met behulp van geospatiale data. Het proces is gebaseerd op lidar-gegevens en is niet afhankelijk van hoe de gegevens worden verzameld."
Hoe het werkt: lidar
Lidar werkt door het doel met licht te verlichten. De lidar kan licht gebruiken in het zichtbare, ultraviolette of nabij-infraroodbereik. Het werkingsprincipe van de lidar is eenvoudig. Het object (oppervlak) wordt verlicht met een korte lichtpuls, de tijd waarna het signaal terugkeert naar de bron wordt gemeten. Lidar lanceert snelle korte pulsen laserstraling op een object (oppervlak) met een frequentie tot 150.000 pulsen per seconde. Een sensor op het apparaat meet de tijd tussen het uitzenden van een lichtpuls en de reflectie ervan, uitgaande van een constante lichtsnelheid van 299792 km/s. Door dit tijdsinterval te meten, is het mogelijk om de afstand tussen de lidar en een afzonderlijk deel van het object te berekenen en daarom een beeld van het object op te bouwen op basis van zijn positie ten opzichte van de lidar.
Windschering
Ondertussen wees Buck op mogelijke militaire toepassingen van Lockheed Martin's WindTracer-technologie. De commerciële technologie WindTracer gebruikt lidar om windschering op luchthavens te meten. Hetzelfde proces kan worden gebruikt op militair gebied, bijvoorbeeld voor precisie-airdrops. “Je moet voorraden van voldoende grote hoogte droppen, daarvoor zet je ze op pallets en drop je ze aan een parachute. Laten we nu eens kijken waar ze landen? Je kunt proberen te voorspellen waar ze heen zullen gaan, maar het probleem is dat als je afdaalt, de windschering van richting verandert op verschillende hoogten, legde hij uit. - En hoe voorspel je dan waar de pallet zal landen? Als je de wind kunt meten en het traject kunt optimaliseren, dan kun je met een zeer hoge nauwkeurigheid bevoorrading leveren.”
Lidar wordt ook gebruikt in onbemande grondvoertuigen. Zo heeft de fabrikant van automatische grondvoertuigen (AHA's), Roboteam, een tool gemaakt met de naam Top Layer. Het is een 3D-mapping en autonome navigatietechnologie die lidar gebruikt. Top Layer gebruikt lidar op twee manieren, zegt Shahar Abukhazira, hoofd van Roboteam. De eerste maakt het in realtime in kaart brengen van besloten ruimtes mogelijk. "Soms is de video onvoldoende in ondergrondse omstandigheden, het kan bijvoorbeeld te donker zijn of het zicht is verslechterd door stof of rook", voegde Abukhazira eraan toe. - Lidar's mogelijkheden stellen je in staat om weg te komen uit een situatie zonder oriëntatie en begrip van de omgeving … nu brengt hij de kamer in kaart, hij brengt de tunnel in kaart. Meteen kun je de situatie begrijpen, ook als je niets ziet en zelfs als je niet weet waar je bent."
Het tweede gebruik van lidar is zijn autonomie, waardoor de operator meer dan één systeem op een bepaald moment kan bedienen. "Eén operator kan één AHA besturen, maar er zijn twee andere AHA's die eenvoudig een door mensen bestuurd voertuig volgen en volgen", legde hij uit. Evenzo kan een soldaat het terrein betreden en volgt de ANA hem gewoon, dat wil zeggen, het is niet nodig om wapens opzij te zetten om het apparaat te bedienen. "Het maakt het werk eenvoudig en intuïtief." De grotere AHA Probot van Roboteam heeft ook een lidar aan boord om lange afstanden te kunnen afleggen. "Je kunt niet van een operator eisen dat hij drie dagen achter elkaar op een knop drukt … je gebruikt een lidar-sensor om gewoon de soldaten te volgen, of de auto te volgen, of zelfs automatisch van het ene punt naar het andere te gaan, de lidar helpt bij deze situaties. vermijd obstakels. " Abukhazira verwacht in de toekomst grote doorbraken op dit gebied. Gebruikers wilden bijvoorbeeld een situatie hebben waarin een mens en een ANA als twee soldaten met elkaar omgaan. “Je hebt geen controle over elkaar. Je kijkt elkaar aan, je roept elkaar en je doet precies zoals het hoort. Ik geloof dat we in zekere zin dit niveau van communicatie tussen mensen en systemen zullen krijgen. Het zal efficiënter zijn. Ik geloof dat de lidars ons in die richting leiden."
Laten we ondergronds gaan
Abukhazira hoopt ook dat lidar-sensoren de operaties in gevaarlijke ondergrondse omgevingen zullen verbeteren. Lidar-sensoren geven extra informatie bij het in kaart brengen van tunnels. Bovendien merkte hij dat de machinist in een kleine en donkere tunnel soms niet eens beseft dat de AHA de verkeerde kant op gaat. "Lidar-sensoren werken als GPS in realtime en laten het proces aanvoelen als een videogame. Je ziet je systeem in de tunnel, je weet realtime waar je heen gaat."
Het is vermeldenswaard dat lidar-sensoren een andere gegevensbron zijn en niet mogen worden beschouwd als een directe vervanging voor radar. Buck merkte op dat er een groot verschil in golflengte is tussen de twee technologieën, die hun eigen voor- en nadelen hebben. Vaak is de beste oplossing om beide technologieën te gebruiken, bijvoorbeeld het meten van windparameters met een aerosolwolk. Kortere golflengten van optische sensoren zorgen voor een betere directionele detectie in vergelijking met langere golflengten van een RF-sensor (radar). De transmissie-eigenschappen van de atmosfeer zijn echter zeer verschillend voor de twee typen sensoren. “De radar kan door bepaalde soorten wolken gaan waar een lidar moeilijk mee om kan gaan. Maar bij mist kan lidar bijvoorbeeld net iets beter presteren dan radar."
Rosengarten zei dat het combineren van de lidar met andere lichtbronnen zoals panchromatische gegevens (bij beeldvorming met een breed scala aan lichtgolflengten) een compleet beeld geeft van het interessegebied. Een goed voorbeeld hiervan is de definitie van een helikopterlandingsplaats. Lidar kan een gebied scannen en zeggen dat het geen helling heeft, ongeacht het feit dat hij daadwerkelijk naar het meer kijkt. Dit soort informatie kan worden verkregen door het gebruik van andere lichtbronnen. Rosengarten gelooft dat de industrie uiteindelijk technologieën zal fuseren en verschillende bronnen van visuele en andere lichtgegevens zal samenbrengen. "Het zal manieren vinden om alle gegevens onder één paraplu te brengen … Het verkrijgen van nauwkeurige en uitgebreide informatie is meer dan alleen het gebruik van lidar-gegevens, maar een complexe taak waarbij alle beschikbare technologieën betrokken zijn."
