주제에 관한 학생 연구 작업(UNIRS):
"라이다 렌즈의 거울 회로"
상트 페테르부르크
소개
1. LiDAR 작동 원리
2. 라이더 장치
3. LiDAR 렌즈의 광학 설계
3.1 뉴턴의 렌즈
3.2 카세그레인 렌즈
3.3 그레고리 렌즈
결론
소개
'라이다(lidar)'라는 용어는 빛을 식별하고 감지하고 거리를 측정하는(빛을 이용한 감지 및 거리 측정) 영어 표현의 약자이다.
Lidar는 투명 및 반투명 매체에서 빛의 반사 및 산란 현상을 이용하는 능동 광학 시스템을 사용하여 멀리 있는 물체에 대한 정보를 획득하고 처리하는 기술입니다.
장치로서 LiDAR는 공기와 물 환경을 원격 감지하기 위한 광학 위치 측정기입니다. Lidar에는 고체 물체에 대한 정보를 원격으로 얻을 수 있는 광학 탐지기도 포함되어 있습니다.
Lidar는 사용되는 레이저의 장점으로 인해 수요가 많고 인기가 높습니다.
방사선 일관성
· 방사선의 파장이 짧아 발산으로 인한 손실이 적습니다.
순간 복사 전력
이러한 특성의 조합으로 인해 수백 미터에서 수 킬로미터 거리에서 LiDAR를 사용하는 것이 필수적입니다.
1. LiDAR 작동 원리
펄스 레이저 방사선이 대기로 전송됩니다. 그런 다음 대기에 의해 반대 방향으로 산란된 방사선은 망원경으로 수집되어 광검출기에 의해 기록된 후 신호가 디지털화됩니다.
펄스 라이더 망원 렌즈 광학
Lidar는 초당 최대 150,000펄스의 속도로 빠르고 짧은 펄스의 레이저 광을 물체(표면)에 발사합니다. 장치의 센서는 펄스가 반환되는 데 필요한 시간을 측정합니다. 빛은 일정하고 알려진 속도로 이동하므로 LiDAR는 빛과 대상 사이의 거리를 매우 정확하게 계산할 수 있습니다.
펄스 라이더에는 마이크로펄스와 고에너지 시스템이라는 두 가지 주요 범주가 있습니다.
마이크로펄스 라이더는 더 뛰어난 컴퓨팅 성능을 갖춘 더욱 강력한 컴퓨터 기술로 작동합니다.
이 레이저는 출력이 낮고 "눈에 안전한" 레이저로 분류되어 특별한 주의 사항이 거의 또는 전혀 없이 사용할 수 있습니다.
고펄스 에너지 라이더는 주로 대기 연구에 사용되며 구름 높이, 층 및 밀도, 구름 입자 특성, 온도, 압력, 바람, 습도 및 대기 가스 농도와 같은 다양한 대기 매개변수를 측정하는 데 자주 사용됩니다.
2 . 라이더 장치
대부분의 LiDAR는 세 부분으로 구성됩니다.
· 송신부
· 수신부
· 제어 시스템
LiDAR의 송신부(a)에는 방사선 소스(레이저 및 출력 레이저 빔을 형성하기 위한 광학 시스템)가 포함되어 있습니다. 출력 스폿 크기와 빔 발산을 제어합니다.
대부분의 설계에서 이미터는 높은 순간 출력의 짧은 빛 펄스를 생성하는 레이저입니다. 펄스 반복 속도 또는 변조 주파수는 두 개의 연속 펄스 사이의 일시 중지가 감지 가능한 대상(장치의 예상 범위보다 물리적으로 더 멀리 위치할 수 있음)의 응답 시간보다 작지 않도록 선택됩니다. 파장 선택은 레이저의 기능과 장치의 보안 및 개인 정보 보호 요구 사항에 따라 달라집니다. 가장 일반적으로 사용되는 Nd:YAG 레이저 및 파장은 다음과 같습니다.
1550 nm는 인간의 눈과 일반적인 야간 투시 장치에는 보이지 않는 적외선입니다. 눈은 이러한 파동을 망막 표면에 집중시킬 수 없으므로 파동 1550에 대한 외상성 역치는 더 짧은 파동에 비해 상당히 높습니다. 그러나 눈 손상의 위험은 실제로 가시 광선 방출기의 위험보다 높습니다. 눈은 적외선에 반응하지 않기 때문에 인간의 자연적인 보호 반사도 작동하지 않습니다.
1064 nm - 네오디뮴 및 이테르븀 레이저의 근적외선 방사선으로 눈에는 보이지 않지만 야간 투시 장치로 감지할 수 있습니다.
532 nm - 네오디뮴 레이저의 녹색 방사선으로 물 덩어리를 효과적으로 "뚫는"
355nm - 근자외선
수신부(b)는 렌즈(망원경), 스펙트럼 및/또는 공간 필터, 편광 요소 및 광검출기로 구성됩니다. 연구 대상 물체에서 반사되고 산란된 방사선은 수신 광학 장치(망원경)에 의해 집중된 후 스펙트럼 분석기를 통과합니다. 이 장치는 관측이 이루어지는 파장 범위를 분리하여 다른 파장의 배경 방사선을 차단하는 역할을 합니다. 분석기는 복잡하고 신중하게 조정된 단색 또는 다색화기일 수도 있고, 레이저 송신기 파장의 차단 필터를 포함하는 협대역 필터 세트일 수도 있습니다.
방사체와 수신 장치는 서로 멀리 떨어져 있거나 단일 장치로 만들어질 수 있는데, 이는 최근 몇 년간 일반화되었습니다. 송신기와 수신기의 축은 결합(동축 회로)되거나 분리(2축 회로)될 수 있습니다.
제어 시스템은 다음 작업을 수행합니다.
* 라이더 작동 모드 제어;
* 레이저 프로빙 방사선의 주파수 제어;
* 두 주파수 모두에서 송신 및 수신된 이중 주파수 레이저 빔의 방사선 에너지를 측정합니다.
* 결과 처리, 즉 대기의 스펙트럼 특성을 얻고, 컴퓨터 데이터베이스에서 사용할 수 있는 분자의 "스펙트럼 초상화"를 사용하여 불순물의 존재 및 농도를 결정합니다.
* 연구 중인 물체에 대한 LiDAR 유도 시스템을 제어합니다.
나는 연구를 하면서 다양한 LiDAR에 사용되는 렌즈 디자인을 자세히 살펴보기로 결정했습니다.
3 . LiDAR 렌즈의 광학 설계
연구 중인 물체의 반환 신호는 LiDAR 수신 렌즈에 의해 차단되고 필터링(공간적 및 스펙트럼적으로)되어 광검출기의 민감한 영역으로 전달되어야 합니다. 이 모든 작업은 렌즈에 의해 수집된 유용한 광 신호를 크게 손실하지 않고 신호에 잡음을 발생시키는 모든 간섭을 최대한 억제하면서 최대 효율로 수행되어야 합니다. 유용한 신호가 수신 시스템을 통과하는 경로를 추적하고 이 시스템의 각 요소를 별도로 고려해 보겠습니다.
레이저는 물체의 한 지점을 조명하며, 그 크기는 빔 2의 발산과 물체까지의 거리 R: D=2Rtg2R에 의해 결정됩니다. 반사되고 후방 산란된 방사선의 일부는 그림에 표시된 대로 렌즈에 의해 수집됩니다. (레이저와 수신 렌즈는 동축입니다.)
렌즈에 떨어지는 지점의 광선 중 극한 광선만 표시됩니다. 먼 거리에서는 해당 지점의 광선이 서로 거의 평행합니다. 렌즈의 목적은 지점에서 충분한 빛을 모아서 그 지점을 광검출기에 투사하는 것입니다. 따라서 렌즈의 주요 매개변수는 집광 영역, 초점 거리 및 화각입니다. 우주 레이더의 경우 연구 대상 대기층 또는 지구의 거리가 수백 킬로미터에 도달하면 특히 다음과 같은 경우 충분한 빛을 수집하기 위해 직경이 1~3m 이상인 렌즈를 사용해야 합니다. 라만 산란 또는 차동 흡수 모드에서 작동합니다. 직경 d와 초점 거리 f"는 렌즈 조리개(상대 조리개 d/f")를 결정합니다. 시스템이 밝을수록 생성되는 이미지 크기는 작아집니다. 렌즈의 시야는 스폿의 극점에서 나온 빔이 렌즈의 입구 동공 중심을 통과하는 각도에 따라 결정됩니다(그림 참조). 이미지 크기(광검출기의 크기 이하), 등가 초점 거리(수신기의 스펙트럼 블록에 있는 추가 재투영 요소 고려) 및 시야각은 관계식 2a = 2f"로 관련됩니다. tg를 사용하면 특정 회로의 매개변수를 선택하고 필요한 요소를 선택할 수 있습니다. 많은 경우 스폿은 광검출기에 직접 투영되지 않고 필드 다이어프램(기본 이미지)의 평면에 투영되어 필드를 제한합니다. 필드 다이어프램의 크기를 조정하면 광검출기에 투영되는 스폿의 유효 크기를 변경할 수 있습니다. 즉, 측정의 공간 해상도를 변경하고 노이즈 메시도 줄일 수 있습니다. 기본 이미지의 재투영은 렌즈 내부에 산란된 빛을 방지하는 방법이기도 합니다. 필드 조리개가 최대 크기일 때 레이저와 LiDAR의 수신 렌즈는 상호 조정됩니다. 수신된 신호). 다이어프램은 일반적으로 홍채이거나 직경이 다른 구멍이 있는 디스크 형태입니다.
LiDAR는 멀리 있는 물체에 대해 작동하므로 렌즈는 거의 무한대에서 유한 거리(초점면)까지 이미지를 구축해야 합니다. 저것들. 망원렌즈가 사용됩니다. 망원 렌즈의 광학 계산은 이미지 가장자리의 수차 흐림이 빛 손실(필드 조리개에 의한 비네팅) 관점에서 최소화되거나 허용 가능해야 한다는 사실을 고려하여 수행됩니다. 거리계, 스캐너, 수심계와 같은 시스템에서는 렌즈 직경이 15mm에서 150mm로 작습니다. 따라서 렌즈는 일반적으로 렌즈입니다.
Lidar에 사용되는 렌즈:
· 거울(반사경) - 거울을 집광 요소로 사용합니다.
· 거울 렌즈(카타디옵트릭) - 거울과 렌즈가 모두 광학 요소로 사용됩니다. 렌즈의 크기는 주 거울과 비슷하며 그에 의해 형성된 이미지를 수정하는 역할을 한다는 점은 주목할 가치가 있습니다.
거울은 가볍게 만들 수 있는데, 이는 항공, 특히 우주 시스템에 중요합니다. 거울 시스템은 고전적인 망원경 방식인 Newton, Gregory 및 Cassegrain에 따라 구축되었습니다. 기본 초점 후에 렌즈 대물렌즈가 일반적으로 배치됩니다. 이는 수신 시스템에 일부 추가 광학 장치가 있음을 의미합니다. 미러 시스템은 수신기가 축의 초점에 배치되는 뉴턴 설계에서도 항상 중앙 차폐 기능을 갖습니다. 수 호초의 작은 시야와 작은 상대 개구(1:10 미만의 d/f")의 경우 뉴턴 방식의 포물면 대신 구가 사용되는데 이는 경제적인 이유로 바람직합니다. 이미지 품질(에너지만 수집하면 됨) 때로는 보조 쌍곡선 거울을 구형 거울로 교체하는 것이 가능합니다. 기본 구면 거울과 보조 고차원 비구면 거울을 사용하는 카세그레인 방식의 변형도 가능합니다. 이 방식은 대형 망원경이 있는 우주 레이더에 유용합니다.
레이저와 수신 망원경의 상대적 위치에 대한 옵션:
첫 번째 방식에서는 대각선 평면 거울의 뒷면을 사용하여 광축을 정렬합니다. 두 번째 방식에서는 수신 망원경이 성형 망원경으로도 사용되므로 품질에 대한 더 엄격한 요구 사항이 필요합니다(그렇지 않으면 레이저 빔이 크게 분산됩니다). 또한 빔 스플리터 사용으로 인한 손실도 불가피하다. 세 번째 디자인은 주 거울과 대각선(또는 보조) 거울에 구멍을 사용합니다. 중앙 구역은 항상 작동하지 않습니다. 레이저와 망원경의 축이 평행하거나 서로 기울어지지 않은 방식도 사용됩니다. 이러한 방식을 사용하면 레이저 빔 에너지를 가장 효율적으로 사용할 수는 없지만 수신기의 과포화를 유발할 수 있는 축의 밝은 점(시야가 거의 0)을 제거할 수 있습니다. 에너지 계산을 수행할 때 레이저 빔의 가우스 에너지 분포를 고려해야 합니다.
3.1 뉴턴의 렌즈
이 회로는 1668년 아이작 뉴턴이 발명했습니다. 여기서 주(포물선형) 거울은 초점 근처에 위치한 작고 편평한 대각선 거울로 방사선을 보냅니다. 그러면 방사선 빔이 파이프 외부로 편향되어 수신 장치에 닿게 됩니다.
이 방식은 최소 개수의 광학 요소를 사용하므로 조정이 쉽고 거울 처리에 대한 요구 사항이 낮으며 제조 비용이 저렴합니다. 메인 미러는 크기가 크기 때문에 열 안정화에 시간이 필요합니다. 또한 운송 중이나 작동 중에 분실되기 쉬운 거울을 주기적으로 조정해야 합니다. 시스템은 혼수상태의 이상으로부터 자유롭지 않습니다.
뉴턴 렌즈는 많은 LiDAR에 사용됩니다. 그 중 일부를 살펴보겠습니다.
1) 다파장 라만 라이더 MRL-400
이 라이더의 작동은 빛의 라만 산란(라만 효과) 현상, 즉 물질(고체, 액체 또는 기체) 분자에 대한 광학 방사선의 비탄성 산란과 방사선 주파수의 눈에 띄는 변화를 기반으로 합니다. 스펙트럼 선은 1차(흥미로운) 빛의 스펙트럼에 없는 산란 방사선의 스펙트럼에 나타납니다. 나타나는 선의 수와 위치는 물질의 분자 구조에 따라 결정됩니다.
레이저 방사선은 축외 포물선 거울 콜리메이터에 의해 망원경으로 관찰됩니다. 콜리메이터와 함께 레이저는 수신 망원경에 장착되어 수평선에 대해 어떤 각도에서도 측정이 가능합니다.
MRL-400 라이더 구조
방사선원: 3차 고조파 발생기를 갖춘 Quantel Brilliant Nd:YAG 레이저
펄스 에너지: 300/300/200mJ - 1064/532/355nm
반복률: 10Hz
배율이 5인 오프축 포물선 거울 콜리메이터. 유전체 미러 코팅은 355, 532, 1064nm의 파장에서 콜리메이터의 작동을 보장합니다.
조리개가 400mm이고 초점 거리가 1200mm인 뉴턴식 망원경.
2) 다중파 에어로졸 라이더 PL-200
PL-200 라이더 구조
방사선 소스: 3차 고조파 발생기를 갖춘 Nd:YAG 레이저.
355nm에서의 에너지: 70mJ
반복률: 25Hz
빔 발산:< 1 мрад
콜리메이터: 유전체 코팅과 배율 5의 축외 포물선 콜리메이터는 방출된 파장(1064, 532, 355nm)을 동시에 텔레스코핑하도록 설계되었습니다.
LiDAR는 조리개가 300mm인 뉴턴 망원경을 사용합니다. 메인 미러는 초점 거리가 970mm인 포물선형입니다.
3.2 카세그레인 렌즈
이 계획은 1672년 Laurent Cassegrain에 의해 제안되었습니다. 더 큰 직경(오목형, 원래 버전에서는 포물선형)의 주 거울은 더 작은 직경(보통 쌍곡선형)의 2차 볼록 거울에 방사선을 반사합니다. 보조 거울은 주 거울과 초점 사이에 위치하며 렌즈의 전체 초점 길이는 주 거울의 초점 거리보다 큽니다. 직경과 초점 거리가 동일한 이 렌즈는 Gregory 렌즈보다 튜브 길이가 거의 절반에 달하고 차폐 기능도 약간 적습니다. 전통적인 카세그레인 반사경은 제조가 어렵고(복잡한 거울 표면 - 포물선, 쌍곡선) 코마 수차가 제대로 교정되지 않습니다. 마지막 단점은 Cassegrain 구성표의 다양한 수정을 통해 수정되었습니다.
SLR 렌즈 중에서 Cassegrain 렌즈는 컴팩트함과 긴 초점 거리의 조합으로 인해 가장 인기가 높습니다.
Cassegrain 방식에 따라 제작된 수신 망원경을 사용하는 일부 LiDAR를 고려해 보겠습니다.
1) 고정형 라이더 복합체 MVL-60
MVL-60 다중 파장 라이더는 1064(IR), 532(녹색) 및 355(UV) nm의 파장에서 작동하는 레이저를 사용하여 대기 중 에어로졸 및 구름 형성의 특성을 원격으로 분석하도록 설계되었습니다.
LiDAR 수신 안테나는 망원경이며, 대부분 거울형이며 일반적으로 뉴턴식 또는 카세그레인 방식에 따라 제작됩니다. 이 두 방식 모두 주 포물면 거울 직경이 60cm인 MVL-60 라이더 망원경에서 구현됩니다.
망원경의 LiDAR 수신 안테나로 작동할 때 수신된 반사 레이저 신호가 먼저 주 포물선 거울에 부딪힌 다음 보조 쌍곡선 거울에 부딪힌 다음 포물선 거울 중앙에 있는 구멍을 통해 분석기 블록은 다른 광검출기로 라우팅되고 컴퓨터에 의해 등록됩니다.
기존 천문 장비로 작동할 때 망원경은 뉴턴의 방식을 구현합니다. 주 포물선 거울의 광축에 평면 거울이 삽입되어 주 거울에서 수신된 이미지가 90도 각도로 표시됩니다. 망원경의 회전축을 따라. 이 뉴턴 초점에서는 접안렌즈나 비디오 카메라를 배치하여 별이 빛나는 하늘에 있는 물체의 이미지를 얻을 수 있습니다.
2) 라만 채널을 갖춘 다중 파장 라이더
펄스 이미터: Nd:YAG 레이저
파장: 1064, 532 및 355nm
펄스 에너지: 100/55/30mJ
펄스 지속 시간: 10ns
펄스 주파수: 10Hz
레이저 빔 직경(확장): 50mm
레이저 발산: 0.3mrad
망원경(직경): 카세그레인, 300mm 주경
방사선 수신 각도: 0.6 - 5 mrad
탄성 산란 파장: 1064, 532, 532 탈분극 및 355 nm
라만 파장: 387, 407, 607nm
3 . 3 그레고리 렌즈
이 회로는 1663년 제임스 그레고리(James Gregory)가 발명했습니다. 그레고리 시스템에서는 주 오목 포물선 거울의 복사선이 작은 오목 타원형 거울로 향하고, 이 거울은 주 거울의 중앙 구멍에 있는 광검출기로 빔을 반사합니다. 보조 거울이 있으면 초점 거리가 길어지고 고배율 사용이 가능해집니다.
Gregory의 계획에 따라 제작된 수신 망원경의 크기는 뉴턴 망원경보다 크고 Cassegrain 렌즈보다 거의 두 배 크기 때문에 차폐가 증가하고 조정과 안전, 운송 및 작동이 전반적으로 복잡해집니다.
이 계획은 Newton 및 Cassegrain 계획만큼 널리 보급되지 않았습니다. 왜냐하면 다른 조건이 동일하면 단점이 더 중요하고 일부 특정 경우에 사용되기 때문입니다.
결론
라이더에 사용되는 미러 렌즈를 연구하고 다양한 방식을 서로 비교하는 과정에서 다음과 같은 결론에 도달했습니다.
미러 렌즈에는 다음과 같은 여러 가지 장점이 있습니다(렌즈 렌즈에 비해).
* 높은 조리개 및 해상도
* 거울에 색수차가 없습니다.
* 높은 광선 투과율
* 비교적 단순한 미러 시스템 설계로 구면수차를 상당히 완벽하게 보정하는 것이 가능합니다.
* 미러 시스템은 굴절 표면을 포함하지 않으므로 IR 및 UV 스펙트럼 영역에서 사용하기에 편리합니다.
그러나 장점 외에도 미러 렌즈에는 단점도 있습니다.
* 비구면 거울면 제작 및 제어의 어려움
* 미러 시스템 조정의 어려움
* 대형 거울 사용과 관련된 어려움(기상 조건의 영향, 열 안정화의 필요성)
* 미러 시스템은 일반적으로 큰 혼수 상태를 가지며 이는 시스템의 유용한 필드를 감소시킵니다. 이러한 단점은 미러 렌즈 회로를 사용함으로써 제거됩니다.
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야간 교통사고 상황을 문서화해야 합니까? 건조한 지역의 관개 시스템을 설계하시나요? 아니면 숲이나 다른 지형에 숨겨진 고고학 유적지를 탐험하고 싶으신가요? 3D 측량 및 지리공간 데이터 획득의 전통적인 방법은 시간과 비용이 많이 듭니다. 그러나 이제는 그러한 목적을 위한 더 효과적이고 빠른 솔루션이 있습니다.
LiDAR(Light 감지 및 거리 측정)은 빠른 레이저 펄스를 사용하여 지형 모델을 생성하는 원격 감지 기술입니다. LiDAR는 다양한 목적을 위해 지구 표면의 고해상도 디지털 지도를 생성해야 할 때 유용합니다. 과거에는 조직이 사례별로 고유한 특성을 지닌 별도의 시스템을 사용해야 했습니다.
이제 드론에 장착된 LiDAR 시스템을 사용하여 단일 3D 매핑 장치를 만들 수 있습니다. ScanLook A-시리즈 LiDAR 시스템은 DJI Matrice 600 비행 플랫폼에 설치되어 무인 기술을 기반으로 효율적이고 다양하며 정확한 3D 감지 솔루션을 제공합니다.
LiDAR 및 드론의 실제 적용 사례
조경 모델링
새로운 기술이 업무를 훨씬 더 쉽게 만들고 더욱 효율적으로 만들 수 있는 가장 간단한 예는 쓰레기와 먼지를 청소하는 것입니다. 일반적으로 평방 미터당 지불이 이루어지는 것으로 알려져 있지만 계산이 항상 정확하지는 않습니다. 특히 해당 지역에 쓰레기, 나뭇잎, 덤불과 나무가 많이 자라는 경우에는 더욱 그렇습니다. LiDAR는 지상 측량 방법에 비해 상당한 비용 절감 효과를 제공합니다.
LiDAR는 구호 연구 방법에 대한 다양한 유형의 비용을 크게 절감합니다. LiDAR는 풀, 나뭇잎, 나무 등 다양한 유형의 물체에 대한 원격 감지를 사용하여 물체의 위치, 이동 속도(움직이는 물체의 경우) 및 기타 특성을 확인할 수 있습니다. 이를 위해 물체 표면에서 반사되는 맥동 레이저 빔이 사용됩니다. 이 프로세스의 결과는 사용자가 작업할 수 있는 풍경의 지형 윤곽에 대한 3D 모델입니다. ScanLock이 포함된 Matrice 600 드론을 연구 절차에 연결하면 스캔이 4,000m2 이상의 속도로 발생합니다. 분당 m. 이제 20분의 비행 시간 동안 얼마나 많은 일을 할 수 있는지 상상해 보세요.
긴급 상황 및 사고 기록
LiDAR는 자외선과 근적외선을 사용하여 원하는 물체의 이미지를 생성하는 능동 시스템입니다. 이는 고품질 매핑을 위해 외부 조명을 사용할 수 없는 상황에서 중요합니다. 예를 들어 야간 교통사고 상황을 촬영하려면 이 방법이 필요할 수 있습니다. 이를 위해서는 ScanLook 기술이 탑재된 Matrice 600 드론을 사용하여 사고 현장 위를 단 한 번의 비행으로 말 그대로 필요한 모든 시각 정보를 캡처하고 처리하는 것이 가장 좋습니다.
제안된 솔루션은 무인 기술을 기반으로 하기 때문에 사용자는 시각적 세부 정보를 바탕으로 정확한 정보를 거의 즉시 얻을 수 있습니다. 이 모든 것은 법적 절차에서 증거로 사용될 수 있습니다. 또한 공중 스캐닝을 이용한 빠른 검사 속도는 부상자나 사망자, 손상된 차량의 대피 프로세스를 신속하게 시작하고 해당 지역의 청소를 신속하게 시작하는 데 도움이 됩니다. 이러한 방식으로 비교적 짧은 시간에 차량이 다닐 수 있는 도로를 정리할 수 있으며, 이는 특히 혼잡한 도로에서 중요하며 모든 작업 단계에서 상당한 비용을 절약할 수도 있습니다.
농업 및 조경 계획
새로운 3D 매핑 기술을 성공적으로 적용한 또 다른 예는 효율적인 관개 시스템을 구축해야 하는 대규모 농장입니다. 예를 들어 대규모 벼 농장에서는 농부들이 방수 제방을 만들어야 합니다. 이를 위해서는 지형과 토양 특성에 대한 정확한 지식이 필요합니다. 그렇지 않으면 생성되는 전체 시스템이 비효율적이고 쓸모 없게 될 수 있습니다. 그리고 다시 말하지만, 최적의 솔루션은 ScanLock 기술이 설치된 Matrice 600 드론입니다. 데이터 수집은 패스당 183미터의 속도로 이루어집니다. 하나의 큰 분야로 작업하는 과정에는 시간이 많이 걸리지 않습니다. 동시에, 이전처럼 데이터 수집을 위한 적절한 장비를 배치하기 위해 경작지가 건조될 때까지 기다릴 필요가 없습니다.
고고학
크고 역사적으로 가치 있는 풍경을 조사하는 기존 방법에는 수년간의 작업이 필요했지만 이제 LiDAR 기술을 사용하여 몇 분 만에 3D 매핑 프로세스를 완료할 수 있습니다. 다시 한 번 말씀드리지만, 이러한 절차를 위한 최선의 선택은 Matrice 600 드론에 ScanLock을 설치하는 것입니다. "잃어버린" 장소와 전체 고대 도시를 가능한 한 짧은 시간 내에 발견할 수 있습니다.
태그: Lidar, 방출기, 신호, 간섭성, 비간섭성, 스캐닝 광학 장치
라이더
LIDAR(Light Identification Protection and Ranging)는 투명 및 반투명 매체에서 빛의 반사 및 산란 현상을 이용하는 능동 광학 시스템을 사용하여 멀리 있는 물체에 대한 정보를 획득하고 처리하는 기술입니다.
장치로서의 Lidar는 능동형 광학 거리 측정기입니다. 스캐닝 라이더컴퓨터 비전 시스템에서는 주변 공간의 2차원 또는 3차원 그림이 형성됩니다. "대기적인"라이더는 불투명한 반사 대상까지의 거리를 결정할 수 있을 뿐만 아니라 빛을 산란시키는 투명한 매체의 특성을 분석할 수도 있습니다. 대기 LiDAR의 한 종류는 다음과 같습니다. 도플러대기의 다양한 층에서 공기 흐름의 방향과 속도를 결정하는 라이더.
동작 원리
LiDAR의 작동 원리는 레이더와 크게 다르지 않습니다. 방사원의 지향성 빔은 대상에서 반사되어 소스로 돌아와 매우 민감한 수신기에 의해 캡처됩니다(LiDAR의 경우 감광성 반도체). 장치); 응답 시간은 대상까지의 거리에 정비례합니다.
LiDAR의 작동 원리는 간단합니다. 짧은 빛의 펄스로 물체(표면)를 조명하고 신호가 소스로 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 빛은 매우 빠르게 이동합니다 - 3∙10 8 m/s. 그러나 물체까지의 거리에 따라 약간의 지연이 발생하여 돌아옵니다.
물체를 향해 갔다가 돌아오는 길에 광자가 이동한 거리는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
L = c ∙ t 스팬 2
이 짧은 시간을 측정하는 데 필요한 장비는 매우 빠르게 작동해야 합니다.
Lidar는 초당 최대 150,000펄스의 속도로 빠르고 짧은 펄스의 레이저 광을 물체(표면)에 발사합니다. 장치의 센서는 펄스가 반환되는 데 필요한 시간을 측정합니다. 빛은 일정한 속도로 이동하므로 LiDAR는 빛과 대상 사이의 거리를 매우 정확하게 계산할 수 있습니다.
모든 경우에 무선 시스템은 간섭 배경에 대해 신호를 감지합니다. 유용한 신호는 시스템의 공진 튜닝 주파수 Ωc = Ω0와 동일한 주파수를 갖는 것으로 믿어집니다. 초기 단계는 0입니다.
U c t = U cm 사인 Ω 0 t
신호와 잡음의 합:
U sp t = u c t + u p t = U cm + U p1 sin Ω 0 t + U p2 cos Ω 0 t
어디 유 p1그리고 유 p2– 간섭 진폭.
- 비간섭성 검출(직접 측정 방식): 전체 진동 및 간섭의 진폭에 응답이 발생합니다. 유 spm잡음에 대한 신호의 초과는 다음 관계식입니다. m ng 2 = U cm 2 U p1 2 + U p2 2 = U cm 2 2σ 2 여기서 σ 2– 각 간섭 진폭의 분산 유 p1그리고 유 p2
- 일관성 있는 감지: 신호에 직교하는 간섭 성분을 완전히 제거합니다. 이는 신호 진폭 Ucm과 간섭의 공통 모드 구성요소 Up1의 합과 동일한 진동에 대해서만 응답을 제공합니다. 코히어런트 검출 중 노이즈에 대한 신호 초과는 m kg 2 = U cm 2 U _ p1 2 비율입니다. 여기서 U _ p1 2 는 공통 모드 구성 요소의 진폭 분산입니다. 코히런트 시스템은 도플러 또는 위상 감지 측정에 가장 적합하며 일반적으로 광학 헤테로다인 감지를 사용합니다. 이를 통해 훨씬 낮은 전력에서 작동할 수 있지만 광검출기 회로의 설계는 훨씬 더 복잡합니다.
펄스 라이더에는 마이크로펄스와 고에너지 시스템이라는 두 가지 주요 범주가 있습니다.
- 마이크로펄스 라이더더 뛰어난 컴퓨팅 기능을 갖춘 더욱 강력한 컴퓨터 기술을 연구합니다. 이 레이저는 출력이 낮고 "눈에 안전한" 레이저로 분류되어 특별한 주의 사항이 거의 또는 전혀 없이 사용할 수 있습니다.
- 라이더높은 펄스 에너지는 주로 대기 연구에 사용되며 구름 높이, 층 및 밀도, 구름 입자 특성, 온도, 압력, 바람, 습도 및 대기 가스 농도와 같은 다양한 대기 매개 변수를 측정하는 데 자주 사용됩니다.
상당히 큰 금속 표적에서만 효과적으로 반사되는 전파와 달리 광파는 공기를 포함한 모든 매질에서 산란되기 때문에 불투명한(빛 반사) 개별 표적까지의 거리를 결정할 수 있을 뿐만 아니라 투명한 환경에서 빛 산란의 강도를 기록합니다. 되돌아오는 반사 신호는 소스의 빔과 동일한 산란 매체를 통과하고 2차 산란을 겪습니다. 따라서 분산된 광학 매체의 실제 매개변수를 복원하는 것은 분석적 방법과 경험적 방법을 통해 해결되는 다소 복잡한 작업입니다.
이미터
대부분의 설계에서 이미터는 높은 순간 출력의 짧은 빛 펄스를 생성하는 레이저입니다. 펄스 반복 속도 또는 변조 주파수는 두 개의 연속 펄스 사이의 일시 중지가 감지 가능한 대상(장치의 예상 범위보다 물리적으로 더 멀리 위치할 수 있음)의 응답 시간보다 작지 않도록 선택됩니다. 파장 선택은 레이저의 기능과 장치의 보안 및 개인 정보 보호 요구 사항에 따라 달라집니다. 가장 일반적으로 사용되는 레이저는 Nd:YAG 레이저와 다음 파장(나노미터)입니다.
- 1550 nm는 인간의 눈과 일반적인 야간 투시 장치에는 보이지 않는 적외선입니다. 눈은 이러한 파동을 망막 표면에 집중시킬 수 없으므로 파동 1550의 외상성 역치는 짧은 파동보다 상당히 높습니다.
- 1064nm - 네오디뮴 및 이테르븀 레이저의 근적외선 복사로 눈에는 보이지 않지만 야간 투시 장치로 감지 가능
- 532 nm - 네오디뮴 레이저의 녹색 방사선으로 물 덩어리를 효과적으로 "뚫는"
- 355nm - 근자외선
짧은 펄스 대신 교류 전압 복사의 연속 진폭 변조를 사용하는 것도 가능합니다.
스캐닝 광학
가장 단순한 대기 LiDAR 시스템에는 안내 수단이 없으며 수직으로 천정을 겨냥합니다.
한 평면에서 수평선을 스캔하려면 간단한 스캐닝 헤드가 사용됩니다. 그 안에는 고정된 방출기와 수신기도 천정을 향하고 있습니다. 거울은 수평선과 방사선에 대해 45° 각도로 설치되어 방사축을 중심으로 회전합니다. 운반 항공기의 비행 방향에 수직인 스트립을 스캔해야 하는 항공 시설에서는 방사 축이 수평입니다. 거울을 회전시키는 모터와 수신된 신호를 처리하는 수단을 동기화하기 위해 정밀한 회전자 위치 센서가 사용되며 스캐닝 헤드의 투명 케이스에 고정된 기준 표시가 적용됩니다.
두 평면에서 스캐닝하면 머리가 회전할 때마다 고정된 각도로 거울을 회전시키는 메커니즘이 이 구성표에 추가됩니다. 이것이 주변 세계의 원통형 스캔이 형성되는 방식입니다. 충분한 컴퓨팅 성능이 있는 경우 단단히 고정된 거울과 발산 광선 빔을 사용할 수 있습니다. 이 디자인에서는 헤드 회전당 하나의 "프레임"이 형성됩니다.
신호 수신 및 처리
수신 경로의 동적 범위는 중요한 역할을 합니다. "근거리 영역"의 산란으로 인한 강렬한 조명으로 인해 수신기에 과부하가 걸리는 것을 방지하기 위해 장거리 시스템은 수신 광 채널을 물리적으로 차단하는 고속 기계식 셔터를 사용합니다. 응답 시간이 마이크로초 미만인 단거리 장치에서는 이것이 불가능합니다.
현황 및 전망
대기 연구
고정식 라이더를 이용한 대기 연구는 기술 적용 분야에서 가장 널리 사용되는 분야입니다. 대기 현상을 모니터링하기 위해 전 세계적으로 여러 영구 연구 네트워크(주간 및 대학)가 배포되었습니다.
산불 조기 경보
언덕(언덕 위 또는 돛대 위)에 배치되어 수평선을 스캐닝하는 LiDAR는 화재로 인한 공기 중의 이상 현상을 식별할 수 있습니다. 열적 이상 현상만 인식하는 수동적외선 시스템과 달리 LiDAR는 연소 입자에 의해 발생하는 이상 현상, 공기의 화학적 조성 및 투명도 변화 등을 통해 연기를 감지합니다.
지구 연구
수신된 반사광이 오염된 하층 대기층의 산란으로 인해 잡음이 발생하는 지상에 LiDAR를 설치하는 대신 "대기" LiDAR를 공중이나 궤도로 들어 올려 신호를 크게 향상시킬 수 있습니다. 시스템의 대 잡음비 및 유효 범위.
건설 및 광업
고정된 물체(건물, 도시 경관, 노천광산)를 스캔하는 LiDAR는 상대적으로 저렴합니다. 물체가 고정되어 있기 때문에 신호 처리 시스템에 특별한 성능이 필요하지 않으며 측정 주기 자체가 상당히 오랜 시간(분)이 걸릴 수 있습니다. ).
해양기술
해수 측정. 이 작업에는 항공기 기반 차동 라이더가 사용됩니다. 붉은색 파동은 거의 해수면에 반사되는 반면, 녹색파동은 부분적으로 물속으로 침투하여 산란되어 해저에서 반사된다. 이 기술은 측정 오류가 높고 측정 깊이 범위가 작기 때문에 아직 민간 수로학에는 사용되지 않았습니다.
물고기 검색. 유사한 수단을 사용하면 지표수층 근처에서 물고기 떼의 흔적을 탐지할 수 있습니다. 미국 주립 연구소 ESRL의 전문가들은 LiDAR가 장착된 경비행기로 어류를 검색하는 것이 측심기가 장착된 선박보다 최소한 10배 저렴하다고 주장합니다.
바다에 있는 사람들의 구조. 1999년에 미 해군은 바다 표면에서 사람과 인체를 검색하는 데 사용되는 항공기 라이더의 디자인에 대한 특허를 취득했습니다. 이 개발의 근본적인 참신함은 반사된 신호의 광학 마스킹을 사용하여 간섭의 영향을 줄이는 것입니다.
지뢰 제거. 지뢰 탐지는 물에 직접 잠긴 라이더(예: 보트나 헬리콥터로 견인하는 부표)를 사용하여 가능하지만 능동 음향 시스템(소나)에 비해 특별한 이점은 없습니다.
운송으로
차량 속도 감지. 호주에서는 경찰 레이더와 마찬가지로 간단한 라이더를 사용하여 자동차 속도를 결정합니다. 광학 "레이더"는 기존 레이더보다 훨씬 작지만 현대 승용차의 속도를 결정하는 데 신뢰성이 떨어집니다. 복잡한 모양의 경사면에서 반사되어 라이더가 "혼란"됩니다.
자율주행차. 1987년부터 1995년까지 유럽연합에 10억 달러 이상의 비용이 소요된 EUREKA Prometheus 프로젝트는 최초의 실용적인 자율주행차 개발을 탄생시켰습니다. 가장 유명한 프로토타입인 VaMP(뮌헨 Bundeswehr 대학에서 개발)는 당시 프로세서의 컴퓨팅 성능이 부족하여 LiDAR를 사용하지 않았습니다. 최신 개발인 MuCAR-3(2006)은 전방을 향한 다초점 카메라 및 관성 내비게이션 시스템과 함께 차량 지붕 위에 높이 장착된 단일 360도 라이더를 사용합니다.
산업용 및 서비스 로봇. IBM 스캐닝 라이더를 기반으로 하는 로봇용 근거리 머신 비전 시스템은 수평 범위 각도가 360°이고 수직 시야각이 최대 +30..-30°인 원통형 스캔을 형성합니다. 스캐닝 광학 헤드 내부에 설치된 거리 측정기 자체는 약 10MHz의 반송파 주파수로 변조된 일정한 저전력 방사로 작동합니다. 대상까지의 거리(반송파가 10MHz - 15m 이하)는 광원을 변조하는 기준 발진기와 응답 신호 사이의 위상 변이에 비례합니다.
Ru-Cyrl 18 튜토리얼 시파체프 S.S. 1989-04-14 [이메일 보호됨]스테판 시파체프재학생
아직도 명확하지 않습니까? – 사서함에 질문 쓰기
이 섹션에서는 투명 및 반투명 매체에서 빛의 반사 및 산란 현상을 이용하는 능동 광학 시스템을 사용하여 멀리 있는 물체에 대한 정보를 획득하고 처리하는 일반적인 기술을 갖춘 OEPiS 그룹을 살펴보겠습니다.
이 광학 기기 그룹은 다음과 같은 이름으로 결합됩니다. 라이더(음역 라이더영어 빛 식별, 감지 및 범위 지정) .
LIDAR를 "레이저 레이더"로 번역한 것은 완전히 정확하지 않습니다. 첫 번째 약어 LIDAR는 레이저가 발명되기 오래 전인 1953년 Middleton과 Spilhaus "Meteorological Instruments"의 작업에 등장했기 때문입니다. 최초의 LiDAR는 짧은 펄스를 광원으로 생성하는 고속 셔터가 있는 일반 램프 또는 플래시 램프를 사용했습니다. 최신 단거리 시스템(예: 실내용)에서는 레이저 대신 기존 LED가 사용됩니다. 그러나 수백 미터에서 수백 킬로미터 범위의 장치를 만드는 것이 가능해진 것은 레이저(특성: 일관성, 고밀도 및 복사 출력으로 인해)를 사용했기 때문입니다.
방사 출력이 2.5W이고 측정 거리가 200~9995m인 XM-23 웨어러블 레이저 거리 측정기에 대한 첫 번째 현장 테스트가 1963년에 실시되었습니다. 동시에 1960년대 전반에 대기 연구를 위해 레이저 방출기와 함께 LiDAR를 사용하는 실험이 시작되었습니다. 1969년에는 아폴로 11호에 탑재된 레이저 거리 측정기와 표적이 지구에서 달까지의 거리를 측정하는 데 사용되었습니다. 3대의 Apollo와 Lunokhod 2호가 달에 전달한 4개의 표적은 오늘날까지도 달의 궤도를 모니터링하는 데 사용되고 있습니다. 1970년대에는 레이저 거리 측정기와 소형 반도체 레이저 기술이 미세 조정되었고, 대기 중 레이저 빔의 산란에 대한 연구가 시작되었습니다.
가장 간단한 대표자인 레이저 거리 측정기를 사용하여 이 광학 장치 그룹에 대한 고려를 시작해 보겠습니다. 작동 원리는 일정한 속도로 전파되는 전자기 방사선의 능력을 기반으로 하며 이를 통해 물체까지의 거리를 확인할 수 있습니다. 따라서 펄스 범위 지정 방법에서는 다음 관계가 사용됩니다.
여기서 R은 물체까지의 거리, c는 진공에서의 빛의 속도, n은 방사선이 전파되는 매질의 굴절률, t는 펄스가 목표물까지 이동하고 돌아오는 데 걸리는 시간입니다.
그림 132 레이저 거리 측정기의 작동 원리.
이 관계를 고려하면 범위 측정의 잠재적 정확도는 에너지 펄스가 물체까지 이동하고 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하는 정확도에 의해 결정된다는 것을 알 수 있습니다. 충동이 짧을수록 좋다는 것은 분명합니다. 거리계와 표적 사이의 거리를 결정하는 작업은 결국 프로빙 신호와 표적에서 반사된 신호 사이의 해당 시간 간격을 측정하는 것입니다. 거리계에 사용되는 레이저 방사선의 변조 유형에 따라 거리를 측정하는 방법에는 펄스, 위상 또는 펄스 위상의 세 가지가 있습니다.
본질 펄스 측정 방법물체에 프로빙 펄스를 보내는 것으로 구성되며, 이는 거리 측정기의 시간 카운터도 트리거합니다. 물체에 의해 반사된 충격이 거리계에 도달하면 카운터가 중지됩니다. 시간 간격(반사 펄스의 지연)에 따라 물체까지의 거리가 결정됩니다.
~에 위상 측정 방법레이저 방사선은 변조기(전기 신호의 영향을 받아 매개변수를 변경하는 전기 광학 결정)를 사용하여 정현파 법칙에 따라 변조됩니다. 일반적으로 주파수가 10~150MHz(측정 주파수)인 정현파 신호가 사용됩니다. 반사된 방사선은 수신 광학 장치와 광검출기로 들어가며, 여기서 변조 신호가 방출됩니다. 물체까지의 거리에 따라 반사된 신호의 위상은 변조기의 신호 위상에 따라 변경됩니다. 위상차를 측정하여 물체까지의 거리를 결정합니다.
가장 단순한 LiDAR의 일반적인 블록 다이어그램은 그림 133에 나와 있으며 현대 군사 장비의 야간 투시 장치와 유사합니다.
그림 133. 가장 간단한 라이더의 일반 블록 다이어그램(1-레이저, 2-물체, 3-수신기 블록, 4-광학 시스템 POI(망원경 시스템), 5-POI, 7-처리 및 분석 블록, 7-정보 출력 블록) , 8 - 레이저 제어 장치.
그림 134는 레이저 역반사 장치가 장착된 우주선의 거리를 결정하고 반사된 태양 복사를 사용하여 우주선의 각도 좌표를 측정하여 우주선 이동의 고정밀 매개 변수를 계산하는 데 사용되는 현대식 러시아 레이저 거리 측정기 "Sazhen-TM-D"를 보여줍니다. 가시광선 파장 범위의 광도 정보도 얻을 수 있습니다.
상당히 큰 금속 표적에서만 효과적으로 반사되는 전파와 달리 광파는 공기를 포함한 모든 매질에서 산란되기 때문에 불투명한(빛 반사) 개별 표적까지의 거리를 결정할 수 있을 뿐만 아니라 투명한 환경에서 빛 산란의 강도를 기록합니다.
그림 134 거리 측정기 "Sazhen-TM-D"
추가 개발에 대한 두 번째 강력한 자극을 준 것은 대기 에어로졸에 의해 산란되는 레이저 방사선의 강도를 측정한 것이었습니다. Lidar는 짧은 빛 펄스를 대기로 보내고 후방 산란 신호를 다시 수신합니다. 대기 중 빛 산란은 공기 분자(레일리 산란)와 에어로졸 입자에 의해 발생합니다. 따라서 대기 중 에어로졸의 존재는 맑은 대기에 비해 후방 산란 신호를 증가시키며, 에어로졸 농도는 맑은 대기에 대한 거리 및 신호 강도의 함수로 결정될 수 있습니다. 에어로졸이 인위적 대기 오염 물질 전체 질량의 10%를 넘지 않는다는 사실에도 불구하고, 일반적으로 강한 독성 물질인 이러한 유형의 오염 물질로 인한 잠재적 피해는 훨씬 더 큽니다. "대기" 라이더불투명 반사 대상까지의 거리를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 빛을 산란시키는 투명 매체의 특성도 분석할 수 있습니다. 대기 LiDAR의 한 종류는 다음과 같습니다. 도플러 라이더, 이는 대기의 다양한 층에서 공기 흐름의 이동 방향과 속도를 결정합니다.
IR 가스 분석기 섹션에서 대기 LiDAR 작동의 물리적 원리를 자세히 논의했습니다. 여기서는 이러한 유형의 라이더의 설계 특징에 중점을 둘 것입니다. 예를 들어, 위험한 대기 오염에 대한 다중 파장 레이저 원격 분석을 위한 현대 기술을 고려해 보겠습니다. 특이한 점은 레이저 소스가 한 방향으로 여러 파장의 방사선을 동시에 생성할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 다음이 가능합니다.
유해 불순물의 여러 성분(최대 6개)의 농도를 실시간으로 동시에 검출하고 측정합니다.
대기 난류로 인한 수신 신호의 일시적인 변동 영향을 줄여 유해 불순물 농도 측정의 정확도를 크게 높입니다.
다중 파장 LiDAR에서는 CO 2 및 CO 2 분자의 동위원소(범위 9~11μm)에 대한 펄스 주기 레이저가 기본 레이저 시스템으로 사용되며, 두 번째(범위 4.5~5.5μm) 및 세 번째(범위 3.0) -3.4 µm)도 사용할 수 있습니다. AgGaSe 2 또는 ZnGeP 2 와 같은 비선형 결정의 기본 레이저에서 나오는 방사선의 주파수를 5~10%의 변환 효율로 변환하여 얻은 고조파입니다. 다중 파장 레이저 시스템에서는 결정된 공기 성분을 차례로 감지하는 현재 사용되는 표준 차동 레이저 가스 분석 방식과의 근본적인 차이점은 일련의 분석 파장이 동시에 생성되기 때문에 공기 성분을 거의 동시에 결정할 수 있다는 것입니다. 여러 가지 유해 가스 물질의 농도가 증가하여 대기권을 통과한 후 동시에 감지합니다.
대기 모니터링을 위해 다중 파장 암모니아 레이저를 기반으로 한 LiDAR 사용 다이어그램이 그림 135에 나와 있습니다. 다중 파장 LiDAR의 블록 다이어그램과 기본 광학 설계가 그림 136 및 137에 나와 있습니다.
그림 135. 다중 파장 라이더 애플리케이션 다이어그램
그림 136. 블록 - 다중 파장 라이더의 다이어그램
그림 137. 다중 파장 LiDAR의 광학적 도식 다이어그램
(M – 거울)
최신 원격 모니터링 방법을 사용하는 다중 파장 가스 분석기(최대 범위 10km)는 생산 및 생활의 다양한 영역에서 효과적으로 사용될 수 있습니다. 유해 화학물질 생산 시설 근처의 대기 배출 모니터링;
핵연료주기 기업의 가스 및/또는 누출 통제;
비상 사태 전 상황 파악, 비상 상황 중 대기 오염 상황 모니터링
정부 건물, 군사 시설, 원자력 발전소 등 중요 시설의 보안을 보장합니다.
제3국의 원자력 산업 시설에서 배출되는 가스를 원격으로 모니터링(예: 항공기 또는 무인 위성을 통해)하여 이를 식별하고 해당 국가의 핵무기 생산 능력을 판단합니다.
대규모 사고 중 대기 중 독성 구름 확산의 역학을 결정합니다.
그림 138은 대기 에어로졸과 구름의 소리를 측정하기 위한 LSA-2c 2파장 라이더와 4P 단일파 라이더를 보여줍니다.
LiDAR의 기본 특성 블록은 다음과 같습니다.
- 레이저 송신기;
- 투과 광학 시스템;
- 수신 광학 시스템;
- 스펙트럼 분석 및 기록 장치(PMT, CCD 카메라, 애벌랜치 포토다이오드);
- 신호 처리 장치;
-제어 블록;
- 수신된 정보를 표시하는 시스템.
그림 138. 2파 LiDAR LSA-2 및 단일 파장 LiDAR 4P.
이미 언급한 바와 같이 라이더의 주요 방사체는 순간적으로 높은 출력을 갖는 짧은 빛 펄스를 생성하는 레이저입니다. 펄스 반복 속도 또는 변조 주파수는 두 개의 연속 펄스 사이의 일시 중지가 감지 가능한 대상(장치의 예상 범위보다 물리적으로 더 멀리 위치할 수 있음)의 응답 시간보다 작지 않도록 선택됩니다. 파장 선택은 레이저의 기능과 장치의 보안 및 개인 정보 보호 요구 사항에 따라 달라집니다. 가장 일반적으로 사용되는 Nd:YAG 레이저 및 파장(나노미터 단위):
§ 1550nm - 사람의 눈과 일반적인 야간 투시 장치에는 보이지 않는 적외선입니다. 눈은 이러한 파동을 망막 표면에 집중시킬 수 없으므로 파동 1550에 대한 외상성 역치는 더 짧은 파동에 비해 상당히 높습니다. 그러나 눈 손상의 위험은 실제로 가시 광선 방출기의 위험보다 높습니다. 눈은 적외선에 반응하지 않기 때문에 인간의 자연적인 보호 반사도 작동하지 않습니다.
§ 1064 nm - 네오디뮴 및 이테르븀 레이저의 근적외선 복사로 눈에는 보이지 않지만 야간 투시 장치로 감지 가능
§ 532 nm - 네오디뮴 레이저의 녹색 방사선으로 물 덩어리를 효과적으로 "관통"합니다.
§ 355nm - 근자외선
Lidar를 사용하여 해결되는 문제:
대기 연구
고정식 라이더를 이용한 대기 연구는 이 기술을 적용하는 가장 공개적인 영역으로 남아 있습니다. 대기 현상을 모니터링하기 위해 전 세계적으로 여러 영구 연구 네트워크(주간 및 대학)가 배포되었습니다.
· 공기 흐름의 속도와 방향을 측정합니다.
이러한 측정을 위해 지상 기반 도플러 라이더를 사용하는 것에 대한 이론적 정당성은 1980년대에 제시되었습니다. 작동 원리는 도플러 효과를 기반으로 하며, 이에 따라 대상에서 반사된 수신 신호의 주파수는 방출된 신호의 주파수와 다를 수 있으며 그 차이는 물체의 속도에 대한 비율에 따라 달라집니다. 서로. 2001년에 Alcatel은 위성에 라이더를 배치하여 궤도에 있는 위성의 "성상"이 전체 대륙, 그리고 잠재적으로 지구 전체 내의 기단의 움직임을 추적할 수 있도록 제안했습니다.
· 대기 온도 측정. 온도 프로파일을 측정하기 위한 몇 가지 기본 방법이 개발되어 실제로 구현되었습니다.
첫 번째 방법으로는알칼리 금속 원자, 특히 나트륨, 칼륨 및 철에 대한 공명 산란이 사용됩니다. 금속 원자 구름은 고도 85~100km에 위치합니다. 온도는 협대역 조정 가능 레이저 감지를 사용하여 공명 선의 도플러 확장을 통해 측정됩니다. 첫 번째 측정은 로켓에 의해 대기에 던져진 인공 나트륨 구름을 사용하여 이루어졌습니다. 비록 금속 원자가 존재하는 높이의 범위로 제한되어 있지만 산란된 신호가 상대적으로 크기 때문에 1.5˚K의 정확도로 온도를 측정할 수 있습니다.
두 번째 방법- 레일리 산란 방법(Rayleigh Lidar)은 공기 분자에 대한 빛의 비공명 산란을 기반으로 합니다. 1953년 대기의 탐조등 소리 실험에 처음 사용되었습니다. 이 방법의 본질은 다음과 같습니다. 에어로졸 산란이 없는 경우 후방 산란 신호의 전력은 온도를 계산할 수 있는 공기 밀도에 정비례합니다. 높이에 따른 공기의 희박화로 인해 90km 이하의 고도에서 레일리 산란 방법을 사용할 수 있습니다. 측정 고도의 하한(약 20-30km)은 경계층에 다량의 에어로졸이 존재하기 때문에 산란이 크게 증가하지만 공기 밀도에는 사실상 영향을 미치지 않습니다.
세 번째 방법공기 분자(Raman LiDAR)에 의한 회전 라만(Raman) 산란을 기반으로 합니다. 온도가 증가함에 따라 양자수가 큰 전이 강도는 증가하는 반면, 작은 양자수에 해당하는 회전 라만 스펙트럼의 선 강도는 감소합니다. 큰 양자수를 갖는 전이는 중심 주파수에서 더 멀리 위치한 라만 스펙트럼의 선에 해당합니다. 온도는 온도 의존성이 서로 다른 두 스펙트럼 영역의 측정을 사용하여 결정됩니다. 최대 수심 고도는 약 30km이며, 측정 오차는 최대 10km 높이까지 1˚K 미만입니다. 수신기에서 탄성 산란선이 억제되므로 상당한 농도의 에어로졸이 있는 경우에도 측정을 수행할 수 있습니다.
· 산불의 조기 경보.
· 지구 연구
수신된 반사광이 오염된 하층 대기층의 산란으로 인해 잡음이 발생하는 지상에 LiDAR를 설치하는 대신 "대기" LiDAR를 공중이나 궤도로 들어 올려 신호를 크게 향상시킬 수 있습니다. 시스템의 대 잡음비 및 유효 범위. 최초의 본격적인 궤도 라이더는 1994년 12월 LITE(Lidar In-Space Technology Experiment) 프로그램의 일환으로 NASA에 의해 궤도로 발사되었습니다. 260km 고도까지 올라간 1m 길이의 거울 망원경이 장착된 2톤짜리 LITE 라이더는 지상에 직경 300m의 흐릿한 지점을 "채색"했는데 이는 구호를 효과적으로 표시하기에는 분명히 충분하지 않았습니다. 오로지 "대기적"이었습니다.
· 우주측지학.
지구 표면의 구호는 허용 가능한 해상도로 스캔됩니다.
· 항공 측지학.
미국 국립해양국(NOAA)이 체계적으로 적용하고 있는 해안의 지형 조사를 위한 항공 라이더가 있습니다.
미국의 지진 취약 지역에서 실제로 사용되는 특별한 방향은 단층 지역에서 지구 덩어리의 국지적 움직임을 식별하기 위해 높이를 차등 측정하는 것입니다. 1996년에는 LiDAR를 사용하여 이전에 알려지지 않았던 시애틀 근처의 단층 구역이 발견되었습니다.
얼마 전 휴스턴 대학의 과학자 그룹은 유사한 라이더를 사용하여 온두라스 정글에서 전설적인 황금 도시를 발견했을 수도 있습니다.
그림 139 이전에 분류된 군대의 사용
레이저 매핑 기술.
· 건설 및 광업
건설 - 건물 측정, 벽 평면 및 하중 지지 기둥의 수직 방향 편차 제어(역학 포함), 벽 및 유약 진동 분석. 구덩이의 크기, 굴착 작업량을 추정하기 위한 건설 현장의 3차원 모델 생성.
건축학- 제안된 새 건물이 도시 외관에 미치는 영향을 평가하기 위해 도시 환경의 3차원 모델을 구축합니다.
해양기술
바다의 깊이를 측정합니다. 이 작업에는 항공기 기반 차동 라이더가 사용됩니다. 붉은 파도는 해수면에서 거의 완전히 반사되는 반면, 녹색 파도는 부분적으로 물에 침투하여 산란되어 해저에서 반사됩니다. 이 기술은 측정 오류가 높고 측정 깊이 범위가 작기 때문에 아직 민간 수로학에는 사용되지 않았습니다.
물고기를 검색하세요. 유사한 수단을 사용하면 지표수층 근처에서 물고기 떼의 흔적을 탐지할 수 있습니다. 미국 주립 연구소 ESRL의 전문가들은 LiDAR가 장착된 경비행기로 어류를 검색하는 것이 측심기가 장착된 선박보다 최소한 10배 저렴하다고 주장합니다.
· 산업용 및 서비스 로봇
IBM 스캐닝 라이더를 기반으로 하는 로봇용 근거리 머신 비전 시스템은 수평 범위 각도가 360°이고 수직 시야각이 최대 +30..-30인 원통형 스캔을 형성합니다.
· 군사기술
여기에서 LiDAR는 가장 널리 사용되며 광학 위치 찾기, 정찰, 표적 유도 등의 기능을 수행합니다.
그림 139. 공격 미사일 탐지기(AMD), OLS-35 광학 위치 스테이션
그림 140. 국제 조약에 따른 전략 무기 시험에 대한 국가 기술 통제 수단.
4.8 간섭계
간섭계는 간섭 현상을 기반으로 작동하는 측정 장비입니다.
장치의 작동은 방사선 빔의 순차적 분해(두 개 이상의 간섭성 빔으로, 각각은 서로 다른 광학 경로를 통과함)와 후속 추가를 기반으로 하며 결과적으로 간섭 패턴이 생성됩니다. 빔의 위상 변이를 결정할 수 있습니다.
간섭계는 별의 각도 크기와 별 사이의 각도 거리를 측정하고, 기체와 액체의 굴절률을 측정하고, 공기 중 불순물 농도를 결정하는 데 사용됩니다. 간섭계는 광학 부품과 그 표면의 품질을 제어하고 금속 표면 처리의 청결도를 제어하는 데 사용됩니다.
간섭계의 작동 원리는 빛 간섭 현상을 기반으로 하기 때문에 이 현상을 연구함으로써 이 장치 그룹에 대한 연구를 시작하겠습니다.
빛 간섭은 여러 광파의 중첩(중첩) 결과로 빛 강도가 재분배되는 것입니다. 이 현상은 공간에서 강도의 최대값과 최소값이 교대로 나타나는 현상을 동반합니다. 그 분포를 간섭무늬라고 합니다.
간섭 현상은 로버트 보일(1627-1691)과 로버트 훅(1635-1703)에 의해 처음으로 독립적으로 발견되었습니다. 그들은 물 표면의 기름이나 휘발유 얼룩과 유사한 다양한 색상의 얇은 필름(간섭 무늬)이 나타나는 것을 관찰했습니다. 1801년 토머스 영(1773-1829)은 '중첩의 원리'를 소개하면서 빛의 간섭 현상을 최초로 설명하고 '간섭'이라는 용어를 만들었습니다(1803). 그는 또한 두 개의 슬릿 광원으로부터 간섭을 얻어 빛의 간섭을 관찰하기 위한 첫 번째 실증 실험을 수행했습니다(1802). 융의 경험은 나중에 고전이 되었다.
그림 141. Young의 박막 실험과 간섭.
빛에 대한 안정적인 간섭 패턴을 얻는 또 다른 방법은 파동의 두 부분 경로의 동일한 차이를 기반으로 하는 에어 갭을 사용하는 것입니다. 하나는 렌즈 내부 표면에서 즉시 반사되고 다른 하나는 에어 갭을 통과합니다. 그 아래에 있어야만 반영됩니다. 볼록면이 아래로 향하도록 유리판 위에 평면 볼록 렌즈를 놓으면 얻을 수 있습니다. 단색광으로 렌즈를 위에서 조명하면 렌즈와 플레이트 사이의 상당히 가까운 접촉 지점에 어두운 점이 형성되고, 그 주변에는 다양한 강도의 어둡고 밝은 동심원 고리가 번갈아 나타납니다. 어두운 링은 간섭 최소값에 해당하고 밝은 링은 동시에 최대값에 해당하며 어둡고 밝은 링은 에어 갭 두께가 동일한 등치선입니다. 밝은 링이나 어두운 링의 반경을 측정하고 중앙에서 일련 번호를 결정함으로써 단색광의 파장을 결정할 수 있습니다. 렌즈 표면이 가파를수록, 특히 가장자리에 가까울수록 인접한 밝은 링이나 어두운 링 사이의 거리가 작아집니다. 이 기술은 광학 부품을 제어하는 데 사용됩니다.
그림 142. 뉴턴의 고리
간섭 현상을 분석한 후 간섭계 구성 방식을 고려해 보겠습니다.
마이컬슨 간섭계간섭파를 생성하는 물체의 공간 정렬이 불가능하거나 어떤 이유로 바람직하지 않은 경우 다양한 응용 프로그램을 위해 고안된 가장 일반적인 골격 간섭계 방식 중 하나입니다.
그림 143. 마이컬슨 간섭계
마이컬슨 스텔라 간섭계- 별의 각도 크기와 이중 별 사이의 각도 거리를 측정하기 위한 간섭계입니다. 두 별 사이의 각도 거리가 매우 작으면 망원경에서 두 별은 하나의 별로 보입니다. 이 경우에는 이중별에 대해 이야기하며 이를 단일 별과 구별하기 위해 특별한 관찰이 이루어져야 합니다. 이를 위해 마이컬슨(Michelson) 항성 간섭계가 사용되며, 이를 통해 별 사이의 각도 거리도 확인할 수 있습니다.
그림 143. 마이컬슨 항성 간섭계
먼 별에서 나오는 빛의 광선은 충분히 큰 거리 D로 분리된 평면 거울 M1 - M2에서 반사된 다음 두 개의 다른 거울에서 반사되어 초점면에 배치된 스크린의 렌즈에 의해 수집됩니다. 거리 D만큼 떨어져 있는 거울은 점 광원으로 간주될 수 있으며 그 사이의 거리는 D와 같습니다. 결과적으로 거리 D에 위치한 두 슬릿의 간섭과 유사한 간섭 패턴이 별의 이미지에서 관찰됩니다. 서로에게서. 이 그림에서 인접한 간섭 최대값 사이의 각도 거리는 θ=λ/D와 같습니다. 여기서 λ는 빛의 파장입니다. 두 개의 가까운 별이 서로 작은 각도 거리 ψ에 위치하면 망원경에는 2개의 간섭 무늬가 형성되며, 이 간섭 무늬도 각도 ψ만큼 이동하여 서로 겹칩니다. 각도 θ와 ψ의 비율에 따라 전체 사진에서 줄무늬의 가시성이 달라집니다. 거리 D를 변경하고 이에 따라 각도 θ를 변경하면 한 간섭 패턴의 최대값과 다른 간섭 패턴의 최소값의 조합을 달성하여 무늬의 가시성이 최악이 될 수 있습니다. 이러한 조건에서 Φ=½θ=λ/2D. D를 측정하고 λ를 알면 별 ψ 사이의 각도 거리를 결정할 수 있습니다. 별 하나의 각도 치수도 비슷하게 결정됩니다. 별을 균일하게 빛나는 원반으로 간주하면 계산에 따르면 줄무늬가 사라지는 현상은 Φ=1.22λ/D에서 발생합니다. 베이스 D가 클수록 항성 간섭계의 측정 정확도가 높아집니다. D가 18m에 도달할 수 있는 항성 간섭계가 내장되어 있어 0.001"의 정확도로 각도 거리를 측정할 수 있습니다. 매우 희미한 별의 크기, 소음 수준의 빛, 강도 상관 방법이 사용됩니다.
Rozhdestvensky 간섭계– 이것은 2개의 거울 M1, M2와 2개의 평행한 반투명판 P1, P2로 구성된 2빔 간섭계입니다. M1, P1 및 M2, P2는 쌍으로 평행하게 설치되지만 M1과 M2는 서로 작은 각도로 기울어집니다. 거리 M1P1 = M2P2 및 M1P2=P1M2. 광선은 판 P1에 의해 2개의 광선으로 나누어지며, M1, M2에서 반사되고 P2가 통과한 후 위상차와 평행하게 됩니다.
δ = (4πD/λ)(cos i1 - cos i2).
그림 144. Rozhdestvensky 간섭계
δ는 거울 위의 광선 위치에 의존하지 않고 입사각에 의해서만 결정되므로 간섭 패턴은 무한대(또는 렌즈 O의 초점면)에 국한됩니다. Rozhdestvensky 간섭계에 입사하는 평행한 광선 빔은 간섭 패턴의 한 지점에 해당하므로 전체 패턴을 관찰하려면 유한 조리개 빔이 필요합니다. 패턴의 모양(줄무늬의 순서와 너비, 방향)은 거울 M1과 M2의 기울기에 따라 달라집니다. 예를 들어, M1과 M2에 의해 형성된 이면각의 가장자리가 수직(도면에 수직)인 경우 매우 작은 차이(i1-i2)에도 불구하고 상대적으로 높은 차수의 줄무늬(D가 큼)는 다음과 같습니다. 수직이고 거의 평행합니다. 2면체 각도의 가장자리가 수평이면 시야에 흰색 빛으로 보이는 낮은 차수(0 포함)의 수평 줄무늬가 있습니다. k.-l 묶음 중 하나를 소개합니다. 판과 같은 투명한 물체의 경우 줄무늬의 너비, 순서 및 방향이 변경됩니다. 제로 줄무늬는 수평이 아니며 M1과 M2의 중간 방향에 나타납니다. 이 판의 두께가 매우 크기 때문에 M1과 M2 사이의 각도 가장자리가 거의 수직일 때 백색광에서는 매우 좁고 거의 수직에 가까운 줄무늬만 볼 수 있습니다. 줄무늬의 너비는 M1과 P1 사이의 각도에 따라 달라지며, 감소할수록 증가합니다. 모든 거울과 판이 평행하면 불균일성이 없으면 줄무늬의 너비는 무한합니다(간섭 장은 균일하게 조명됩니다).
Jamin 간섭계(간섭 굴절계) - 가스 및 액체의 굴절률을 측정하고 공기 중 불순물 농도를 결정하는 간섭계입니다.
Jamin 간섭계는 서로 거의 평행하게 설치된 두 개의 동일한 두꺼운 평면 평행 유리(또는 석영) 플레이트로 구성됩니다. 광선은 45°에 가까운 각도로 첫 번째 판에 떨어집니다. 빔의 각 광선은 판 표면에서 반사된 후 2개의 간섭성 광선 S1과 S2로 분할되어 판 두께 d에 따라 서로 일정한 거리를 두고 이동합니다. 그런 다음 두 번째 판에서 각각은 유사하게 두 개의 광선으로 나뉩니다. 결과적으로 4개의 평행한 간섭성 광선 S1', S1", S2', S2"가 두 번째 판에서 나옵니다. 중간 빔 S1''과 S2'는 중첩되어 렌즈 O1의 초점면에 간섭 패턴을 형성합니다.
그림 145. Jamin 간섭계 다이어그램: OO – 보상판의 회전축; L – 보상기 회전 다이얼; O1 및 O2 – 망원경의 렌즈와 접안렌즈.
그들 사이의 차이는 다음과 같습니다
여기서 n n은 판의 굴절률입니다.
ψ - 그들 사이의 각도.
(Φ ≒ 5′ - 15′ Δ에서는 작으므로 백색 광원을 사용할 경우 중앙에 흰색 무채색 줄무늬가 있고 둘러싸인 직선 형태의 낮은 차수 간섭 무늬만 관찰됩니다. 컬러 줄무늬 시스템.).
빔 S1과 S2 사이의 거리가 상대적으로 멀기 때문에 굴절률이 n1과 n2인 연구 대상 물질과 동일한 길이 l의 두 개의 큐벳 K1 및 K2를 해당 경로에 설치할 수 있습니다. 결과적인 경로 차이로 인해 간섭 패턴이 이동됩니다.
Δ = (n2-n1)l = δnl
Jamin 간섭계를 사용하면 가스 혼합물의 정량적 분석이 수행됩니다. 광산 공기 중 메탄 및 CO2와 같은 특정 가스 불순물의 농도가 결정됩니다(n은 가스의 특성에 따라 달라지므로).
간섭계 물리-평평한 광학 표면 제조의 정확성을 제어하는 데 주로 사용되는 가장 간단한 간섭계 중 하나입니다. 세부.
콘덴서 O1, 다이어프램 D 및 대물렌즈 O2를 사용하는 단색 광원 L의 빛은 평행 빔으로 기준 E 및 제어된 K 플레이트(하나가 다른 플레이트 위에 배치됨) 표면에 거의 수직으로 향합니다. 이 경우, 플레이트의 엄격하게 평평한 기준 표면과 제어된 표면은 그들 사이에 작은 각도 a를 형성합니다. 반투명 플레이트 P를 사용하면 반사광에서 동일한 두께의 간섭 무늬가 관찰되며, 이는 제어 표면과 기준 표면 사이의 공기 쐐기 영역에 국한됩니다.
그림 146. Fizeau 간섭계; a - 제어판 위에서 결함을 관찰합니다. b - 기준판과 제어판의 단면. AA 선을 따른 단면(명확성을 위해 각도 a와 결함 크기가 크게 확대됨) c - Fizeau 간섭계에서 동일한 두께의 줄무늬 간섭 패턴 보기.
이러한 줄무늬의 위치는 D=2dn+l/2=ml=const(n~1에서) 조건에 따라 결정됩니다. 여기서 d는 에어 웨지의 두께입니다. 제어된 표면이 이상적으로 평평한 경우 동일한 경사의 스트립은 쐐기의 가장자리에 평행한 직선 등거리 선의 형태를 가지며(d=const), 이들 사이의 거리는 z=l/2a입니다(그림 2, c). ) (a=10"" 및 l~0.5 µm, z=5 mm에서). 제어된 표면에 일부가 있는 경우. 예를 들어 그림과 같이 작은 함몰 또는 돌출과 같은 결함이 있거나 완전히 평평하지 않은 경우 이러한 결함이 있는 영역에서 직진도와의 편차 dz가 관찰됩니다. 이 경우, 편차 dz/z의 크기는 결함의 높이 또는 깊이 dh와 dh=(l/2)dz/z 비율로 관련됩니다.
육안으로는 dz/z~0.l 값을 추정할 수 있는데, 이는 검출된 결함 값 dh=l/20(l=0.633μm, dh=0.031μm)에 해당합니다. 편차 기호를 사용하면 결함 유형(함몰 또는 돌출)을 구분할 수 있습니다. 제어된 표면이 구 모양인 경우 간섭 무늬는 동심원 모양을 갖습니다(뉴턴의 고리 참조). Fizeau 간섭계에서는 각도(아크초)가 작기 때문에 제어 플레이트와 기준 플레이트의 표면이 거의 완전히 서로 닿아 조정 과정에서 손상될 수 있습니다. 따라서 Michelson 간섭계 방식에 따라 제작된 비접촉 간섭계는 표면을 제어하는 데 자주 사용됩니다.
그림 147. Romanov가 설계한 Fizeau 간섭계는 평평한 광택 표면과 거울의 모양을 비접촉식으로 측정하도록 설계되었습니다. 이 소프트웨어는 추가로 기울어진 기울기를 사용하여 간섭 패턴을 처리하도록 설계되었습니다.
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개념적으로 LiDAR는 수십 년 동안 존재해 왔습니다. 그러나 최근 센서가 소형화되고 복잡해지며 라이더 기술이 적용된 제품의 적용 범위가 확대되면서 이 기술에 대한 관심이 급격히 높아졌습니다.
LiDAR라는 단어는 LIDAR(Light 감지 및 범위 지정 - 빛 감지 및 범위 지정 시스템)를 음역한 것입니다. 투명 및 반투명 매체에서 빛의 반사 및 산란 현상을 이용한 능동광학계를 이용하여 멀리 있는 물체에 대한 정보를 획득하고 처리하는 기술입니다. 장치로서의 Lidar는 레이더와 유사하므로 감시 및 탐지에 적용되지만 레이더와 같은 전파 대신 대부분의 경우 레이저에 의해 생성되는 빛을 사용합니다. Lidar라는 용어는 레이저 감지 및 거리 측정을 의미하는 Ladar라는 용어와 같은 의미로 사용되는 경우가 많습니다. 하지만 Lockheed Martin의 우주 시스템 부문 소속인 Coherent Technologies의 연구 관리자인 Joe Buck에 따르면 두 개념은 기술적 관점이 다릅니다. 다르다. “미립자 물질이나 공기 중의 에어로졸과 같이 부드러운 물체로 간주될 수 있는 것을 볼 때 전문가들은 이러한 물체를 감지하는 것에 대해 이야기할 때 LiDAR를 사용하는 경향이 있습니다. 자동차나 나무처럼 밀도가 높고 단단한 물체를 볼 때 라다라는 용어를 사용하는 경향이 있습니다.” 과학적 관점에서 LiDAR에 대해 좀 더 자세히 알아보려면 "Lidar: 작동 방식" 섹션을 참조하세요.
Buck은 "Lidar는 60년대 초반에 출시된 이후 수십 년 동안 연구 주제였습니다."라고 말했습니다. 그러나 우선 기술 진보로 인해 금세기 초부터 이에 대한 관심이 눈에 띄게 커졌습니다. 그는 합성 조리개 이미징의 예를 제시했습니다. 망원경이 클수록 물체의 해상도가 높아집니다. 매우 높은 해상도가 필요한 경우 훨씬 더 큰 광학 시스템이 필요할 수 있으며 이는 실용적인 관점에서 볼 때 그다지 실용적이지 않을 수 있습니다. 합성 조리개 이미징은 움직이는 플랫폼과 신호 처리를 사용하여 물리적 조리개보다 훨씬 더 클 수 있는 실제 조리개를 생성함으로써 이 문제를 해결합니다. 합성 개구 레이더(SAR)는 수십 년 동안 사용되어 왔습니다. 그러나 그 당시에는 레이저가 이미 널리 사용되고 있었음에도 불구하고 합성 조리개 광학 이미징의 실제 시연이 시작된 것은 2000년대 초반이었습니다. “실제로는 다양한 조정에 걸쳐 충분한 안정성을 갖춘 광원을 개발하는 데 더 많은 시간이 걸렸습니다. 재료, 광원 및 감지기(라이다에 사용됨)의 개선이 계속되고 있습니다. 이제 이러한 측정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 작은 단위로 수행할 수 있으므로 크기, 무게 및 전력 소비 측면에서 시스템을 실용적으로 만들 수 있습니다.”
록히드 마틴에 따르면, 기술 발전 덕분에 금세기 초 LiDAR에 대한 관심이 높아졌습니다. 사진 속 록히드 마틴의 WindTracer 시스템이 뮌헨 공항을 지키고 있습니다.
또한 LiDAR에서 데이터(또는 LiDAR가 수집한 정보)를 수집하는 것이 더 쉽고 실용적이 됩니다. BAE Systems의 지리공간 활용 제품 그룹 책임자인 Nick Rosengarten은 전통적으로 항공기 센서에서 수집되었다고 말했습니다. 그러나 오늘날 센서는 인간의 데이터 수집과 관련된 지상 차량이나 배낭에도 설치할 수 있습니다. Rosengarten은 “이것은 다양한 가능성을 열어주며 이제 실내와 실외 모두에서 데이터를 수집할 수 있습니다.”라고 설명했습니다. Textron Systems의 지리공간 솔루션 책임자인 Mat Morris는 “Lidar는 지구 표면에 대한 광범위한 세부 정보를 제공하기 때문에 정말 놀라운 데이터 배열입니다. 특정 지점의 지표면 높이에 대한 정보를 제공하는 DTED(Digital Terrain Elevation Data) 기술보다 훨씬 더 자세하고 미묘한 그림을 제공합니다. 아마도 제가 군대 고객으로부터 들은 가장 강력한 사용 사례 중 하나는 지붕이나 울타리 너머로 어디로 갈지 알아야 하기 때문에 익숙하지 않은 지형에 배치할 때일 것입니다. DTED 데이터에서는 이것을 볼 수 없습니다. 건물도 보이지 않을 겁니다.”
Morris는 지형 지점에 대한 일부 전통적인 고해상도 고도 데이터에서도 이러한 기능을 볼 수 없다고 지적했습니다. 그러나 Lidar는 데이터 세트에 정확하게 표시될 수 있는 위치 사이의 거리를 설명하는 용어인 "위치 피치" 때문에 이를 수행할 수 있습니다. 라이더의 경우 '위치 단계'를 센티미터 단위로 줄일 수 있어 건물 지붕 높이나 벽 높이, 나무 높이 등을 정확히 알 수 있다. 3차원(3D) 상황 인식 수준이 실제로 향상됩니다.” 또한 LiDAR 센서의 가격은 크기와 마찬가지로 가격도 낮아지고 있어 더욱 저렴해졌습니다. “10년 전에는 LiDAR 센서 시스템이 매우 크고 비쌌습니다. 그들은 전력 소비가 높았습니다. 그러나 기술이 발전하고 기술이 향상됨에 따라 플랫폼은 훨씬 작아지고 에너지 소비는 감소하며 생성되는 데이터의 품질은 향상되었습니다.”
Textron의 Lidar Analyst 소프트웨어 도구로 생성된 도시 풍경. 지형을 탐색하고, 3D 풍경을 추출하고, 3D 시각화 프로그램에 정보를 표시할 수 있습니다.
BAE Systems의 SOCET GXP 애플리케이션을 사용하여 촬영한 LiDAR 이미지 시리즈. 획득 방법에 관계없이 LiDAR 데이터에 대해 모자이크 처리(순차 이미지 수집)를 수행할 수 있습니다.
Morris는 군사 분야에서 LiDAR의 주요 용도가 3D 계획 및 전투 훈련이라고 말했습니다. 예를 들어, 비행 조건 시뮬레이션을 위한 그의 회사 Lidar Analyst 제품을 사용하면 사용자는 대량의 데이터를 수집하고 "이러한 3D 모델을 신속하게 생성한 다음 매우 정확하게 임무를 계획할 수 있습니다." 지상 작전도 마찬가지다. Morris는 다음과 같이 설명했습니다. "우리 제품은 대상 지역으로의 출입 경로를 계획하는 데 사용되며 소스 데이터가 고해상도이므로 매우 정확한 시선 분석을 제공할 수 있습니다."
Textron은 Lidar Analyst와 함께 미군 및 정보 기관을 고객으로 둔 이미지 분석 소프트웨어 제품인 RemoteView를 개발했습니다. RemoteView 소프트웨어는 LiDAR 데이터를 포함한 다양한 데이터 소스를 사용할 수 있습니다. BAE Systems는 또한 지리공간 분석 소프트웨어를 제공합니다. 주력 제품인 SOCET GXP는 LiDAR 데이터 사용을 포함한 다양한 기능을 제공합니다. 또한 Rosengarten은 회사가 데이터 관리 애플리케이션인 GXP Xplorer 기술을 개발했다고 설명했습니다. 이러한 기술은 군사용으로 매우 적합합니다. 예를 들어 Rosengarten은 SOCET GXP 소프트웨어의 일부인 헬리콥터의 착륙 구역을 계산하는 도구를 언급했습니다. "LiDAR 데이터를 가져와 헬리콥터를 착륙시키기에 충분할 수 있는 지상 지역에 대한 정보를 사용자에게 제공할 수 있습니다." 예를 들어, 길에 나무와 같은 수직 장애물이 있는지 알려줄 수 있습니다. "사람들은 이 도구를 사용하여 인도주의적 위기 상황에서 대피 지점으로 가장 적합한 지역을 식별할 수 있습니다." Rosengarten은 또한 여러 LiDAR 데이터 세트가 특정 영역에서 수집되어 함께 "연결"되는 "테셀레이션" 기술의 잠재력을 강조했습니다. 이는 BAE Systems의 SOCET GXP 애플리케이션과 같은 소프트웨어와 결합될 때 LiDAR 센서 메타데이터의 정확도가 향상되어 메타데이터를 지리 공간 데이터를 사용하여 계산된 지상의 정확한 영역으로 변환할 수 있기 때문에 가능합니다. 이 프로세스는 LiDAR 데이터를 기반으로 하며 데이터 수집 방식과 무관합니다.”
Lockheed Martin은 WindTracer 기술이 군사 용도로 사용될 수 있다고 보고 있습니다. LiDAR를 이용해 공항에서 Wind Shear를 측정하는 상용 제품입니다. 비슷한 기술을 군사 분야에서도 사용하여 공중 투하의 정확도를 높일 수 있습니다. 사진은 두바이 공항의 WindTracer 시스템입니다.
작동 방식: 라이더
Lidar는 빛으로 대상을 조명하여 작동합니다. Lidar는 가시광선, 자외선 또는 근적외선을 사용할 수 있습니다. LiDAR의 작동 원리는 간단합니다. 짧은 광 펄스로 물체(표면)를 조명하고 신호가 소스로 돌아온 후의 시간을 측정합니다. Lidar는 초당 최대 150,000펄스의 속도로 빠르고 짧은 펄스의 레이저 광을 물체(표면)에 발사합니다. 장치의 센서는 299,792km/s에 해당하는 일정한 빛의 속도를 기준으로 빛 펄스의 전송과 반사 사이의 시간 간격을 측정합니다. 이 기간을 측정하면 라이더와 물체의 개별 부분 사이의 거리를 계산할 수 있으므로 라이더를 기준으로 한 위치를 기반으로 물체의 이미지를 구성할 수 있습니다.
윈드시어
한편 Buck 씨는 Lockheed Martin의 WindTracer 기술이 군사적으로 응용될 수 있음을 지적했습니다. 상업용 WindTracer 기술은 LiDAR를 사용하여 공항에서 바람 전단력을 측정합니다. 정밀 공중 투하와 같은 군사 분야에서도 동일한 프로세스를 사용할 수 있습니다. “상당히 높은 고도에서 보급품을 떨어뜨려야 하기 때문에 팔레트에 올려 놓고 낙하산에서 떨어뜨려야 합니다. 이제 그들이 어디에 착륙하는지 볼까요? 그들이 어디로 갈지 예측할 수 있지만 문제는 하강할 때 바람의 전단이 다른 고도에서 방향을 바꾼다는 것입니다.”라고 그는 설명했습니다. - 그러면 팔레트가 어디에 착륙할지 어떻게 예측하나요? 바람을 측정하고 궤적을 최적화할 수 있다면 매우 높은 정확도로 물품을 전달할 수 있습니다.”
Lidar는 지상 무인 차량에도 사용됩니다. 예를 들어 AHA(로봇 지상 차량) 제조업체인 Roboteam은 Top Layer라는 도구를 만들었습니다. LiDAR를 활용한 3D 매핑 및 자율주행 기술입니다. Top Layer는 LiDAR를 두 가지 방식으로 사용한다고 Roboteam CEO Shahar Abuhazira는 말합니다. 첫 번째는 밀폐된 공간을 실시간으로 매핑할 수 있습니다. Abuhazira는 "지하 환경에서는 비디오만으로는 충분하지 않을 때가 있습니다. 예를 들어 너무 어둡거나 먼지나 연기로 인해 가시성이 저하될 수 있습니다"라고 덧붙였습니다. “LiDAR의 기능을 사용하면 방향이 전혀 없고 주변 환경에 대한 이해가 전혀 없는 상황에서 벗어날 수 있습니다. 이제는 방을 매핑하고 터널을 매핑합니다. 아무것도 보이지 않고, 어디에 있는지 모르더라도 즉시 상황을 이해할 수 있습니다."
LiDAR의 두 번째 용도는 자율성으로, 운영자가 특정 순간에 두 개 이상의 시스템을 모니터링할 수 있도록 돕는 것입니다. “한 명의 운영자가 하나의 AHA를 제어할 수 있지만, 사람이 제어하는 장치를 단순히 추적하고 자동으로 따라가는 다른 두 개의 AHA가 있습니다.”라고 그는 설명했습니다. 마찬가지로 군인이 방에 들어갈 수 있고 ANA는 군인을 따라가기만 하면 됩니다. 즉, 차량을 작동하기 위해 옆으로 물러날 필요가 없습니다. “작업이 간단하고 직관적입니다.” Roboteam의 대형 AHA Probot에는 라이더가 탑재되어 있어 장거리 이동에 도움이 됩니다. “운영자에게 3일 연속으로 버튼을 누르도록 요구할 수는 없습니다. 라이더 센서를 사용하여 단순히 군인을 따르거나 차량을 따라가거나 심지어 자동으로 한 지점에서 다른 지점으로 이동할 수도 있습니다. 이러한 상황에서는 라이더가 사용됩니다. 장애물을 피하는 데 도움이 될 것입니다.” Abuhazira는 앞으로 이 분야에서 획기적인 발전을 기대하고 있습니다. 예를 들어 사용자는 인간과 ANA가 두 명의 군인처럼 상호 작용하는 상황을 원했습니다. “당신은 서로를 통제하지 않습니다. 서로를 바라보고, 서로 부르고, 행동해야 할 대로 정확하게 행동합니다. 나는 어떤 의미에서 사람과 시스템 사이에 이러한 수준의 의사소통이 이루어질 것이라고 믿습니다. 더 효율적일 것입니다. 나는 LiDAR가 우리를 이 방향으로 이끌고 있다고 믿습니다.”
Roboteam의 TopLayer 소프트웨어를 사용하면 AHA는 밀폐된 공간을 실시간으로 매핑할 수 있습니다. 때때로 이러한 조건에서는 비디오 녹화가 충분하지 않을 수 있습니다. 먼지와 연기로 인해 어둡거나 가시성이 부족할 수 있습니다.
지하로 가자
Abuhazira는 또한 LiDAR 센서가 위험한 지하 환경에서의 작동을 개선할 수 있기를 바라고 있습니다. Lidar 센서는 터널을 매핑하여 추가 정보를 제공합니다. 또한 그는 때때로 작고 어두운 터널에서 운전자가 AHA가 잘못된 방향으로 인도하고 있다는 사실조차 깨닫지 못할 수도 있다고 지적했습니다. “Lidar 센서는 실시간 GPS처럼 작동하며 프로세스를 비디오 게임처럼 느끼게 합니다. 터널에서 시스템을 볼 수 있고 실시간으로 어디로 가고 있는지 알 수 있습니다.”
라이더 센서는 또 다른 데이터 소스이므로 레이더를 직접 대체하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점은 주목할 가치가 있습니다. Buck은 두 기술의 파장에는 큰 차이가 있으며 각각의 장점과 단점이 있다고 지적했습니다. 종종 가장 좋은 솔루션은 두 기술을 모두 사용하는 것입니다. 예를 들어 에어로졸 구름을 사용하여 바람을 측정하는 것입니다. 광학 센서의 파장이 짧을수록 파장이 긴 무선 주파수 센서(레이더)에 비해 방향 결정이 더 잘됩니다. 그러나 대기 전송 특성은 두 가지 유형의 센서에서 매우 다릅니다. “레이다는 라이더가 처리하기 어려운 특정 유형의 구름을 관통할 수 있습니다. 하지만 예를 들어 안개 속에서는 라이더가 레이더보다 약간 더 나은 성능을 발휘할 수 있습니다.”
Rosengarten은 LiDAR를 전색성 데이터(광범위한 광파를 사용하여 이미지가 구성되는 데이터)와 같은 다른 광원과 결합하면 연구 중인 영역에 대한 완전한 그림을 제공할 수 있다고 말했습니다. 여기서 좋은 예는 헬리콥터의 착륙장을 식별하는 것입니다. Lidar는 실제로 호수를 보고 있다는 점을 고려하지 않고 한 지역을 스캔하여 경사가 0이라고 말할 수 있습니다. 이러한 유형의 정보는 다른 광원을 사용하여 얻을 수 있습니다. Rosengarten은 업계가 결국에는 다양한 소스의 시각 및 기타 조명 데이터를 통합하는 기술 병합에 중점을 둘 것이라고 믿습니다. "모든 데이터를 하나의 우산 아래로 가져오는 방법을 찾을 것입니다. 정확하고 포괄적인 정보를 얻는 것은 단지 LiDAR 데이터를 사용하는 것이 아니라 사용 가능한 모든 기술이 관련된 복잡한 작업입니다."
사이트의 자료를 기반으로 함:
www.nationaldefensemagazine.org
www.lockheedmartin.com
www.baesystems.com
www.textron.com
www.robo-team.com
www.robotshop.com
www.Geo-Plus.com
www.nplus1.ru