ตามแนวคิด Lidar มีมานานหลายทศวรรษแล้ว อย่างไรก็ตาม ความสนใจในเทคโนโลยีนี้ได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากเซ็นเซอร์มีขนาดเล็กลง ซับซ้อนมากขึ้น และขอบเขตของผลิตภัณฑ์ที่มีเทคโนโลยีไลดาร์ก็ขยายตัวมากขึ้นเรื่อยๆ
คำว่า lidar เป็นการทับศัพท์ของ LIDAR (Light Detection and Ranging) นี่คือเทคโนโลยีสำหรับการรับและประมวลผลข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุที่อยู่ห่างไกลโดยใช้ระบบออปติคัลแบบแอคทีฟที่ใช้ปรากฏการณ์การสะท้อนแสงและการกระเจิงในสื่อโปร่งใสและกึ่งโปร่งใส Lidar เป็นอุปกรณ์ที่คล้ายกับเรดาร์ ดังนั้น แอปพลิเคชันของมันคือการสังเกตและการตรวจจับ แต่แทนที่จะใช้คลื่นวิทยุ เหมือนในเรดาร์ มันใช้แสงที่เกิดจากเลเซอร์ในกรณีส่วนใหญ่อย่างท่วมท้น คำว่า lidar มักใช้แทนกันได้กับ Ladar ซึ่งย่อมาจากการตรวจจับด้วยเลเซอร์และการวัดระยะ แม้ว่า Joe Buck หัวหน้าฝ่ายวิจัยของ Coherent Technologies ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของแผนกระบบอวกาศของ Lockheed Martin กล่าวว่าแนวคิดทั้งสองมาจากมุมมองทางเทคนิคต่างกัน “เมื่อคุณดูบางสิ่งที่อาจถือได้ว่าเป็นวัตถุที่อ่อนนุ่ม เช่น อนุภาคหรือละอองลอยในอากาศ ผู้เชี่ยวชาญมักจะใช้ lidar เมื่อพูดถึงการตรวจจับวัตถุเหล่านั้น เมื่อคุณมองไปที่วัตถุที่เป็นของแข็ง เช่น รถหรือต้นไม้ คุณมักจะเอนเอียงไปทางคำว่า ลาดาร์ " สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเล็กน้อยเกี่ยวกับ Lidar จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ โปรดดูหัวข้อ "Lidar: How It Works"
“Lidar เป็นหัวข้อของการวิจัยมาหลายทศวรรษแล้วตั้งแต่เริ่มก่อตั้งในช่วงต้นทศวรรษ 1960” Buck กล่าวต่อ อย่างไรก็ตาม ความสนใจในเรื่องนี้เพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดตั้งแต่ต้นศตวรรษนี้ ต้องขอบคุณความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างแรกเลย เขาใช้การเรนเดอร์รูรับแสงสังเคราะห์เป็นตัวอย่าง ยิ่งกล้องโทรทรรศน์มีขนาดใหญ่เท่าใด ความละเอียดของวัตถุก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น หากคุณต้องการความละเอียดสูงมาก อาจจำเป็นต้องใช้ระบบออปติคัลที่ใหญ่กว่ามาก ซึ่งอาจใช้งานไม่ได้จริงจากมุมมองที่ใช้งานได้จริง การถ่ายภาพด้วยรูรับแสงสังเคราะห์แก้ปัญหานี้โดยใช้แพลตฟอร์มที่เคลื่อนไหวและการประมวลผลสัญญาณเพื่อให้ได้รูรับแสงจริงที่อาจมีขนาดใหญ่กว่ารูรับแสงจริงมาก เรดาร์รูรับแสงสังเคราะห์ (SAR) มีการใช้งานมาหลายทศวรรษแล้ว อย่างไรก็ตาม จนถึงช่วงต้นทศวรรษ 2000 การสาธิตเชิงปฏิบัติเกี่ยวกับการถ่ายภาพออปติคอลที่มีรูรับแสงสังเคราะห์ได้เริ่มต้นขึ้น แม้ว่าในขณะนั้นจะมีการใช้เลเซอร์กันอย่างแพร่หลายแล้วก็ตาม “อันที่จริง ต้องใช้เวลามากขึ้นในการพัฒนาแหล่งกำเนิดแสงที่จะมีความเสถียรเพียงพอในช่วงการปรับที่หลากหลาย … การปรับปรุงวัสดุ แหล่งกำเนิดแสง และเครื่องตรวจจับ (ใช้ใน lidars) ยังคงดำเนินต่อไป ไม่เพียงแต่ตอนนี้คุณมีความสามารถในการวัดเหล่านี้ คุณยังสามารถทำการวัดเหล่านี้ในบล็อกเล็กๆ ได้ ทำให้ระบบใช้งานได้จริงในแง่ของขนาด น้ำหนัก และการใช้พลังงาน"
นอกจากนี้ยังกลายเป็นเรื่องง่ายและเป็นประโยชน์มากขึ้นในการรวบรวมข้อมูลจาก lidar (หรือข้อมูลที่รวบรวมโดย lidar) Nick Rosengarten หัวหน้ากลุ่มผลิตภัณฑ์ Geospatial Exploitation Products ของ BAE Systems กล่าวตามเนื้อผ้าอย่างไรก็ตาม ทุกวันนี้ สามารถติดตั้งเซ็นเซอร์ในยานพาหนะภาคพื้นดินหรือแม้กระทั่งในกระเป๋าเป้ ซึ่งหมายถึงการรวบรวมข้อมูลของมนุษย์ “สิ่งนี้เปิดโอกาสความเป็นไปได้มากมาย ขณะนี้สามารถรวบรวมข้อมูลได้ทั้งในร่มและกลางแจ้ง” โรเซนการ์เทนอธิบาย Matt Morris หัวหน้าฝ่าย Geospatial Solutions ของ Textron Systems กล่าวว่า ชุดข้อมูล lidar เป็นชุดข้อมูลที่น่าทึ่งอย่างแท้จริง เพราะมันให้รายละเอียดที่ละเอียดที่สุดบนพื้นผิวโลก มันให้รายละเอียดมากกว่าและเพื่อให้พูดได้ว่าภาพที่มีสีอ่อนกว่าเทคโนโลยี DTED (Digital Terrain Elevation Data) ซึ่งให้ข้อมูลเกี่ยวกับระดับความสูงของพื้นผิวโลกในบางจุด บางทีกรณีการใช้งานที่ทรงพลังที่สุดกรณีหนึ่งที่ฉันได้ยินจากลูกค้าในกองทัพของเราคือสถานการณ์ของการเคลื่อนพลในภูมิประเทศที่ไม่คุ้นเคย เพราะพวกเขาจำเป็นต้องรู้ว่าพวกเขาจะไปที่ใด … เพื่อปีนหลังคาหรือปีนรั้ว ข้อมูล DTED ไม่อนุญาตให้คุณดูสิ่งนี้ คุณจะไม่เห็นแม้แต่อาคาร”
มอร์ริสตั้งข้อสังเกตว่าแม้ข้อมูลระดับความสูงของภูมิประเทศที่มีความละเอียดสูงแบบดั้งเดิมจะไม่อนุญาตให้คุณดูคุณลักษณะเหล่านี้ แต่ลิดาร์อนุญาตให้คุณทำเช่นนี้ได้เนื่องจาก "ระยะห่างของตำแหน่ง" ซึ่งเป็นคำที่อธิบายระยะห่างระหว่างตำแหน่งที่สามารถแสดงได้อย่างแม่นยำในอาร์เรย์ข้อมูล ในกรณีของลิดาร์ "ระยะพิทช์" สามารถลดขนาดลงเป็นเซนติเมตรได้ "เพื่อให้คุณทราบความสูงของหลังคาอาคารหรือความสูงของผนังหรือความสูงของต้นไม้ได้อย่างแม่นยำ สิ่งนี้ช่วยเพิ่มระดับการรับรู้สถานการณ์สามมิติ (3D) ได้อย่างแท้จริง " นอกจากนี้ ค่าใช้จ่ายของเซ็นเซอร์ไลดาร์ก็ลดลงตามขนาด ทำให้มีราคาที่ไม่แพงมาก “เมื่อสิบปีที่แล้ว ระบบเซ็นเซอร์ไลดาร์มีขนาดใหญ่มากและมีราคาแพงมาก พวกเขามีการใช้พลังงานสูงจริงๆ แต่เมื่อพัฒนาขึ้น เทคโนโลยีก็พัฒนาขึ้น แพลตฟอร์มมีขนาดเล็กลงมาก การใช้พลังงานลดลง และคุณภาพของข้อมูลที่สร้างขึ้นก็เพิ่มขึ้น"
มอร์ริสกล่าวว่าการใช้งานหลักของ Lidar ในสนามทหารคือการวางแผน 3 มิติและการฝึกปฏิบัติภารกิจการต่อสู้ ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์จำลองการบิน Lidar Analyst ของบริษัทของเขาช่วยให้ผู้ใช้สามารถรับข้อมูลจำนวนมากและ "สร้างแบบจำลอง 3 มิติเหล่านี้ได้อย่างรวดเร็ว จากนั้นพวกเขาสามารถวางแผนภารกิจได้อย่างแม่นยำมาก" เช่นเดียวกับการดำเนินการภาคพื้นดิน มอร์ริสอธิบายว่า: "ผลิตภัณฑ์ของเราใช้เพื่อวางแผนเส้นทางเข้าและออกไปยังพื้นที่เป้าหมาย และเนื่องจากข้อมูลดิบมีความละเอียดสูง จึงเป็นไปได้ที่จะทำการวิเคราะห์สถานการณ์ที่แม่นยำมากภายในแนวสายตา"
นอกเหนือจาก Lidar Analyst แล้ว Textron ยังได้พัฒนา RemoteView ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ซอฟต์แวร์วิเคราะห์รูปภาพสำหรับหน่วยงานด้านการทหารและข่าวกรองของสหรัฐฯ ซอฟต์แวร์ RemoteView สามารถใช้แหล่งข้อมูลที่หลากหลาย รวมถึงข้อมูล Lidar BAE Systems ยังจัดเตรียมซอฟต์แวร์สำหรับการวิเคราะห์เชิงพื้นที่ ผลิตภัณฑ์หลักของบริษัทคือ SOCET GXP ซึ่งมีความสามารถมากมาย รวมถึงการใช้ข้อมูลไลดาร์ นอกจากนี้ Rosengarten อธิบายว่าบริษัทได้พัฒนาเทคโนโลยี GXP Xplorer ซึ่งเป็นแอปพลิเคชันการจัดการข้อมูล เทคโนโลยีเหล่านี้ค่อนข้างเหมาะสมสำหรับการใช้งานทางทหาร ตัวอย่างเช่น Rosengarten กล่าวถึงเครื่องมือสำหรับคำนวณโซนลงจอดเฮลิคอปเตอร์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของซอฟต์แวร์ SOCET GXP "มันสามารถใช้ข้อมูล Lidar และให้ข้อมูลกับผู้ใช้เกี่ยวกับพื้นที่บนพื้นดินที่อาจเพียงพอสำหรับเฮลิคอปเตอร์ที่จะลงจอด" ตัวอย่างเช่น เขาสามารถบอกพวกเขาได้ว่ามีสิ่งกีดขวางขวางทางหรือไม่ เช่น ต้นไม้: "ผู้คนสามารถใช้เครื่องมือนี้เพื่อระบุพื้นที่ที่อาจเหมาะสมที่สุดในฐานะจุดอพยพในช่วงวิกฤตด้านมนุษยธรรม" Rosengarten ยังเน้นย้ำถึงศักยภาพของการปูกระเบื้อง โดยที่ชุดข้อมูล Lidar หลายชุดจะถูกรวบรวมจากพื้นที่เฉพาะและต่อเข้าด้วยกันสิ่งนี้เกิดขึ้นได้ด้วย "ความเที่ยงตรงที่เพิ่มขึ้นของข้อมูลเมตาของเซ็นเซอร์ Lidar ร่วมกับซอฟต์แวร์ เช่น แอปพลิเคชัน SOCET GXP ของ BAE Systems ซึ่งจะเปลี่ยนข้อมูลเมตาเป็นโซนที่แม่นยำบนพื้น โดยคำนวณโดยใช้ข้อมูลเชิงพื้นที่ กระบวนการนี้ใช้ข้อมูลของ Lidar และไม่ขึ้นอยู่กับวิธีการรวบรวมข้อมูล"
มันทำงานอย่างไร: Lidar
Lidar ทำงานโดยให้แสงสว่างแก่เป้าหมายด้วยแสง ไลดาร์สามารถใช้แสงในช่วงที่มองเห็นได้ อัลตราไวโอเลต หรือใกล้อินฟราเรด หลักการทำงานของ lidar นั้นง่าย วัตถุ (พื้นผิว) ส่องสว่างด้วยพัลส์แสงสั้น ๆ ซึ่งวัดเวลาหลังจากที่สัญญาณกลับสู่แหล่งกำเนิด Lidar ปล่อยคลื่นแสงเลเซอร์สั้น ๆ อย่างรวดเร็วไปยังวัตถุ (พื้นผิว) ด้วยความถี่สูงถึง 150,000 พัลส์ต่อวินาที เซ็นเซอร์บนอุปกรณ์จะวัดเวลาระหว่างการส่งพัลส์แสงและการสะท้อนกลับ โดยสมมติว่ามีความเร็วแสงคงที่ 299792 km / s ด้วยการวัดช่วงเวลานี้ เป็นไปได้ที่จะคำนวณระยะห่างระหว่างลิดาร์กับส่วนที่แยกจากกันของวัตถุ ดังนั้นจึงสร้างภาพของวัตถุตามตำแหน่งของมันที่สัมพันธ์กับลิดาร์
ลมเฉือน
ในขณะเดียวกัน Buck ชี้ให้เห็นถึงการใช้งานทางทหารที่เป็นไปได้ของเทคโนโลยี WindTracer ของ Lockheed Martin WindTracer เทคโนโลยีเชิงพาณิชย์ใช้ Lidar เพื่อวัดแรงลมที่สนามบิน กระบวนการเดียวกันนี้สามารถนำไปใช้ในสนามรบได้ เช่น การทำ airdrops ที่แม่นยำ “คุณต้องทิ้งเสบียงจากที่สูงพอ สำหรับสิ่งนี้ คุณวางมันลงบนพาเลทแล้วปล่อยจากร่มชูชีพ ตอนนี้เรามาดูกันว่าพวกเขาลงจอดที่ไหน? คุณสามารถลองทำนายว่าพวกมันจะไปที่ไหน แต่ปัญหาคือเมื่อคุณลงมา แรงลมจะเปลี่ยนทิศทางที่ระดับความสูงต่างกัน” เขาอธิบาย - แล้วคุณคาดเดาได้อย่างไรว่าพาเลทจะลงจอดที่ไหน? หากคุณสามารถวัดลมและปรับวิถีวิถีได้ คุณก็จะส่งมอบเสบียงที่มีความแม่นยำสูงมากได้”
Lidar ยังใช้ในยานพาหนะภาคพื้นดินไร้คนขับ ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตยานยนต์ภาคพื้นดินอัตโนมัติ (AHAs) Roboteam ได้สร้างเครื่องมือที่เรียกว่า Top Layer เป็นการทำแผนที่ 3 มิติและเทคโนโลยีการนำทางอัตโนมัติที่ใช้ Lidar Shahar Abukhazira หัวหน้า Roboteam กล่าวว่า Top Layer ใช้ lidar ในสองวิธี วิธีแรกอนุญาตให้ทำแผนที่แบบเรียลไทม์ของพื้นที่ปิดล้อม “บางครั้งวิดีโอไม่เพียงพอในสภาพใต้ดิน เช่น อาจมืดเกินไปหรือทัศนวิสัยแย่ลงเนื่องจากฝุ่นหรือควัน” Abukhazira กล่าวเสริม - ความสามารถของ Lidar ช่วยให้คุณหลีกหนีจากสถานการณ์ที่ไม่มีการปฐมนิเทศและเข้าใจสิ่งแวดล้อม … ตอนนี้เขาทำแผนที่ห้อง เขาทำแผนที่อุโมงค์ คุณสามารถเข้าใจสถานการณ์ได้ทันที แม้ว่าคุณจะไม่เห็นอะไรเลย และไม่รู้ว่าคุณอยู่ที่ไหน"
การใช้ lidar ครั้งที่สองคือความเป็นอิสระของมัน ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานควบคุมระบบได้มากกว่าหนึ่งระบบในช่วงเวลาที่กำหนด "ผู้ปฏิบัติงานคนหนึ่งสามารถควบคุม AHA ได้หนึ่งตัว แต่มี AHA อื่นอีกสองแห่งที่ติดตามและติดตามยานพาหนะที่มนุษย์ควบคุมได้" เขาอธิบาย ในทำนองเดียวกัน ทหารสามารถเข้าไปในสถานที่ได้ และ ANA ก็เดินตามเขาไป นั่นก็คือ ไม่จำเป็นต้องวางอาวุธเพื่อใช้งานอุปกรณ์ "มันทำให้งานง่ายและใช้งานง่าย" AHA Probot ที่ใหญ่กว่าของ Roboteam ยังมี Lidar บนเรือเพื่อช่วยในการเดินทางในระยะทางไกล “คุณไม่สามารถกำหนดให้ผู้ปฏิบัติงานกดปุ่มเป็นเวลาสามวันติดต่อกัน … คุณใช้เซ็นเซอร์ Lidar เพื่อติดตามทหารหรือตามรถ หรือแม้แต่ย้ายจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งโดยอัตโนมัติ Lidar จะช่วยใน สถานการณ์เหล่านี้ หลีกเลี่ยงอุปสรรค " Abukhazira คาดว่าจะมีการพัฒนาครั้งใหญ่ในพื้นที่นี้ในอนาคตตัวอย่างเช่น ผู้ใช้ต้องการมีสถานการณ์ที่มนุษย์และ ANA โต้ตอบกันเหมือนทหารสองคน “คุณไม่ได้อยู่ในการควบคุมของกันและกัน คุณมองหน้ากัน โทรหากัน และคุณทำตามที่ควร ฉันเชื่อว่าในแง่หนึ่งเราจะได้รับการสื่อสารระดับนี้ระหว่างผู้คนและระบบ จะมีประสิทธิภาพมากขึ้น ฉันเชื่อว่าพวกลิดาร์กำลังนำเราไปสู่ทิศทางนั้น"
ไปใต้ดินกันเถอะ
Abukhazira ยังหวังว่าเซ็นเซอร์ Lidar จะปรับปรุงการดำเนินงานในสภาพแวดล้อมใต้ดินที่เป็นอันตราย เซ็นเซอร์ Lidar ให้ข้อมูลเพิ่มเติมเมื่อทำแผนที่อุโมงค์ นอกจากนี้ เขาสังเกตเห็นว่าบางครั้งในอุโมงค์ขนาดเล็กและมืด ผู้ปฏิบัติงานอาจไม่รู้ด้วยซ้ำว่า AHA กำลังนำทางไปผิดทาง “เซ็นเซอร์ Lidar ทำงานเหมือน GPS แบบเรียลไทม์ และทำให้กระบวนการนี้รู้สึกเหมือนเป็นวิดีโอเกม คุณสามารถเห็นระบบของคุณในอุโมงค์ คุณรู้ว่าคุณกำลังจะไปที่ไหนในแบบเรียลไทม์"
เป็นที่น่าสังเกตว่าเซ็นเซอร์ไลดาร์เป็นแหล่งข้อมูลอื่นและไม่ควรพิจารณาแทนที่เรดาร์โดยตรง บั๊กสังเกตว่าความยาวคลื่นระหว่างเทคโนโลยีทั้งสองมีความแตกต่างกันมาก ซึ่งมีข้อดีและข้อเสียต่างกันไป บ่อยครั้ง ทางออกที่ดีที่สุดคือการใช้เทคโนโลยีทั้งสอง เช่น การวัดค่าพารามิเตอร์ลมด้วยละอองลอย ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าของเซ็นเซอร์ออปติคัลช่วยให้สามารถตรวจจับทิศทางได้ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับความยาวคลื่นที่ยาวกว่าของเซ็นเซอร์ RF (เรดาร์) อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติการส่งผ่านของบรรยากาศนั้นแตกต่างกันมากสำหรับเซ็นเซอร์ทั้งสองประเภท “เรดาร์สามารถทะลุผ่านเมฆบางประเภทได้ ซึ่งยากที่ไลดาร์จะรับมือได้ แต่ในหมอก ตัวอย่างเช่น ไลดาร์สามารถทำงานได้ดีกว่าเรดาร์เล็กน้อย"
Rosengarten กล่าวว่าการรวม lidar กับแหล่งกำเนิดแสงอื่น ๆ เช่นข้อมูลแบบ panchromatic (เมื่อถ่ายภาพโดยใช้ช่วงความยาวคลื่นแสงที่กว้าง) จะให้ภาพที่สมบูรณ์ของพื้นที่ที่สนใจ ตัวอย่างที่ดีที่นี่คือคำจำกัดความของสถานที่ลงจอดเฮลิคอปเตอร์ Lidar สามารถสแกนพื้นที่และบอกว่ามันมีความลาดชันเป็นศูนย์ ไม่ว่าเขาจะมองที่ทะเลสาบจริงๆ ก็ตาม ข้อมูลประเภทนี้สามารถรับได้โดยใช้แหล่งกำเนิดแสงอื่น Rosengarten เชื่อว่าในที่สุดอุตสาหกรรมจะหลอมรวมเทคโนโลยี โดยนำแหล่งข้อมูลภาพและข้อมูลแสงอื่นๆ มารวมกัน "มันจะหาวิธีที่จะนำข้อมูลทั้งหมดมาอยู่ภายใต้ร่มเดียวกัน … การได้รับข้อมูลที่ถูกต้องและครอบคลุมเป็นมากกว่าการใช้ข้อมูล Lidar แต่เป็นงานที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีที่มีอยู่ทั้งหมด"