लिडार क्या है और यह कैसे काम करता है

Driverless Cars जो 1990 के दशक की सबसे बड़ी तकनीकी फंतासी में से एक थी ("द लव बग" और "डिमोलिशन मैन" जैसी पहले की फिल्मों द्वारा ईंधन), आज एक वास्तविकता है, जो कई प्रौद्योगिकियों विशेष रूप से LIDAR के आसपास की गई विशाल उन्नति के लिए धन्यवाद है ।

लिडार क्या है?

LIDAR (लाइट डिटेक्शन एंड रेंजिंग के लिए खड़ा है) एक तकनीकी तकनीक है जो ऑब्जेक्ट पर प्रकाश की किरणों को फायर करके किसी वस्तु की दूरी को मापता है और दूरी का अनुमान लगाने के लिए और कुछ अनुप्रयोगों में लेजर के समय और तरंग दैर्ध्य का उपयोग करता है (लेजर) इमेजिंग), ऑब्जेक्ट का 3 डी प्रतिनिधित्व बनाएं।

जबकि लेजर के पीछे के विचार को 1930 में EH Synge के कार्य के बारे में पता लगाया जा सकता है, यह लेजर के आविष्कार के बाद 1960 के दशक की शुरुआत तक नहीं था। अनिवार्य रूप से उड़ान तकनीक के समय का उपयोग करके दूरी की गणना करने की क्षमता के साथ लेजर-केंद्रित इमेजिंग का एक संयोजन, यह मौसम विज्ञान में अपने शुरुआती अनुप्रयोगों में पाया गया, जहां इसका उपयोग बादलों को मापने के लिए किया गया था, और अंतरिक्ष में, जहां एक लेजर अल्टीमीटर का उपयोग मानचित्रण के लिए किया गया था अपोलो 15 मिशन के दौरान चंद्रमा की सतह। तब से, प्रौद्योगिकी में सुधार हुआ है और इसका उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया गया है; भूकंपीय गतिविधियों का पता लगाने, समुद्र विज्ञान, पुरातत्व और कुछ का उल्लेख करने के लिए नेविगेशन।

कैसे काम करता है LiDAR

यह तकनीक काफी हद तक RADAR (जहाजों और विमानों द्वारा उपयोग की जाने वाली रेडियो-वेव नेविगेशन) और सोनार (ध्वनि का उपयोग करते हुए पानी के नीचे की वस्तु का पता लगाने और नेविगेशन, मुख्य रूप से पनडुब्बियों द्वारा उपयोग किया जाता है) के समान है, जो दोनों वस्तु का पता लगाने और दूरी के लिए तरंगों के प्रतिबिंब के सिद्धांत का उपयोग करते हैं। अनुमान। हालाँकि, जबकि RADAR रेडियो तरंगों पर आधारित है और SONAR ध्वनियों पर आधारित है, LIDAR लाइट बीम (लेजर) पर आधारित है ।

LIDAR सहित विभिन्न तरंग दैर्ध्य में प्रकाश का उपयोग करता है; पराबैंगनी, दृश्य या अवरक्त प्रकाश के पास छवि वस्तुओं और इसके, जैसे, सामग्री रचनाओं के सभी प्रकार का पता लगाने में सक्षम, सहित; गैर-धातु, चट्टानें, बारिश, रासायनिक यौगिक, एरोसोल, बादल और यहां तक ​​कि एकल अणु। LIDAR सिस्टम प्रति सेकंड 1,000,000 प्रकाश दालों को आग लगा सकता है और दालों के लिए लगने वाले समय का उपयोग करके स्कैनर पर वापस उसी दूरी को निर्धारित किया जा सकता है जिस पर स्कैनर के चारों ओर की वस्तुएं और सतह स्थित हैं। दूरी निर्धारण के लिए उपयोग की जाने वाली तकनीक को उड़ान के समय के रूप में जाना जाता है और यह समीकरण नीचे दिया गया है।

दूरी = (प्रकाश की गति x उड़ान का समय) / २

अधिकांश अनुप्रयोगों में, केवल दूर की माप के अलावा, पर्यावरण / वस्तु का एक 3 डी मानचित्र जिस पर प्रकाश किरण को निकाल दिया गया था, बनाया जाता है। यह ऑब्जेक्ट या पर्यावरण पर लेजर बीम की निरंतर गोलीबारी के माध्यम से किया जाता है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि, समतल दर्पण में प्राप्य स्पेक्युलर प्रकार के प्रतिबिंब के विपरीत, LIDAR सिस्टम में अनुभव होने वाला प्रतिबिंब बैकस्कैटरेड प्रतिबिंब होता है क्योंकि प्रकाश तरंगें वापस उसी दिशा में फैलती हैं जहां वे आए थे। अनुप्रयोग के आधार पर, LIDAR सिस्टम बैकलेटरिंग के विभिन्न रूपों का उपयोग करते हैं जिसमें रेले और रमन स्कैटरिंग शामिल हैं,

एक LIDAR सिस्टम के घटक

एक LIDAR प्रणाली में आमतौर पर 5 तत्व शामिल होते हैं, जो कि आवेदन के कारण भिन्नताओं के मौजूद होने की उम्मीद करते हैं। इन मुख्य घटकों में शामिल हैं:

1. लेज़र
2. स्कैनर और प्रकाशिकी प्रणाली
3. प्रोसेसर
4. सटीक समय इलेक्ट्रॉनिक्स
5. जड़त्वीय मापन इकाई और जीपीएस

1. लेज़र

लेजर प्रकाश दालों के लिए ऊर्जा के स्रोत के रूप में कार्य करता है। LIDAR सिस्टम में तैनात लेजर की तरंग दैर्ध्य कुछ अनुप्रयोगों की विशिष्ट आवश्यकताओं के कारण एक अनुप्रयोग से दूसरे में भिन्न होती है। उदाहरण के लिए, एयरबोर्न LiDAR सिस्टम 1064 एनएम डायोड पंप YAG लेजर का उपयोग करते हैं जबकि बाथमीट्रिक सिस्टम 532nm डबल डायोड पंप YAG लेजर का उपयोग करते हैं जो कि एयरबोर्न 1064nm संस्करण की तुलना में बहुत कम क्षीणन के साथ पानी (40 मीटर तक) में प्रवेश करते हैं। हालांकि, अनुप्रयोगों के बावजूद, उपयोग किए जाने वाले लेजर सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए आमतौर पर कम ऊर्जा वाले होते हैं।

2. स्कैनर और प्रकाशिकी

स्कैनर किसी भी LIDAR प्रणाली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हैं। वे सतहों पर लेजर दालों को पेश करने और सतह से परिलक्षित दालों को वापस प्राप्त करने के प्रभारी हैं। जिस गति से एलआईडीएआर प्रणाली द्वारा छवियों का विकास किया जाता है, वह उस गति पर निर्भर करती है जिस पर स्कैनर बैकस्कैटर बीम को कैप्चर करते हैं। आवेदन के बावजूद, विशेष रूप से मानचित्रण के लिए सबसे अच्छा परिणाम प्राप्त करने के लिए एक LIDAR प्रणाली में इस्तेमाल किया प्रकाशिकी उच्च परिशुद्धता और गुणवत्ता का होना चाहिए। लेंस के प्रकार, विशिष्ट ग्लास विकल्प, साथ में उपयोग किए जाने वाले ऑप्टिकल कोटिंग्स, LIDAR के रिज़ॉल्यूशन और रेंज क्षमताओं के प्रमुख निर्धारक हैं।

आवेदन के आधार पर, विभिन्न प्रस्तावों के लिए विभिन्न तरीकों की स्कैनिंग की जा सकती है। अजीमुथ और ऊंचाई स्कैनिंग, और दोहरी अक्ष स्कैनिंग कुछ सबसे लोकप्रिय स्कैनिंग विधि हैं।

3. प्रोसेसर

एक उच्च क्षमता प्रोसेसर आमतौर पर किसी भी LIDAR प्रणाली के दिल में है। यह एलआईडीएआर प्रणाली के सभी व्यक्तिगत घटकों की गतिविधियों को सिंक्रनाइज़ करने और समन्वय करने के लिए उपयोग किया जाता है, यह सुनिश्चित करता है कि सभी घटक काम कर रहे हैं जब उन्हें चाहिए। प्रोसेसर डेटा को स्कैनर, टाइमर (यदि प्रोसेसिंग सबसिस्टम में नहीं बनाया गया है), GPS और IMU से LIDAR बिंदु डेटा का उत्पादन करने के लिए एकीकृत करता है। इन ऊंचाई बिंदु डेटा का उपयोग अनुप्रयोग के आधार पर नक्शे बनाने के लिए किया जाता है। ड्राइवरलेस कारों में, बिंदु डेटा का उपयोग बाधा से बचने और सामान्य नेविगेशन के साथ कारों की मदद करने के लिए पर्यावरण का वास्तविक समय मानचित्र प्रदान करने के लिए किया जाता है।

प्रकाश प्रति नैनोसैकेड्स के बारे में 0.3 मीटर की गति से यात्रा करने के साथ और हजारों बीम आमतौर पर स्कैनर में वापस दिखाई देते हैं, प्रोसेसर को आमतौर पर उच्च प्रसंस्करण क्षमताओं के साथ उच्च गति की आवश्यकता होती है। इस प्रकार, कंप्यूटिंग तत्वों की प्रसंस्करण शक्ति में प्रगति LIDAR प्रौद्योगिकी के प्रमुख चालकों में से एक रही है।

4. टाइमिंग इलेक्ट्रॉनिक्स

संपूर्ण समय में बनाया गया है, क्योंकि सटीक समय LIDAR सिस्टम में सार है। टाइमिंग इलेक्ट्रॉनिक्स LIDAR सबसिस्टम का प्रतिनिधित्व करता है जो सटीक समय को एक लेजर पल्स की पत्तियों को रिकॉर्ड करता है और सटीक समय जो स्कैनर में वापस आता है।

यह सटीक है और सटीकता पर जोर नहीं दिया जा सकता है। बिखरे हुए प्रतिबिंब के कारण, बाहर भेजे गए दालों में आमतौर पर कई रिटर्न होते हैं जिनमें से प्रत्येक को डेटा की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए ठीक समय पर होने की आवश्यकता होती है।

5. जड़त्वीय मापन इकाई और जीपीएस

जब उपग्रहों, हवाई जहाज या ऑटोमोबाइल जैसे मोबाइल प्लेटफॉर्म पर LiDAR सेंसर लगाया जाता है, तो प्रयोग करने योग्य डेटा को बनाए रखने के लिए पूर्ण स्थिति और सेंसर के उन्मुखीकरण को निर्धारित करना आवश्यक है। यह एक Inertial माप प्रणाली (IMU) और ग्लोबल पोजिशनिंग सिस्टम (GPS) के उपयोग से प्राप्त किया जाता है। IMU में आमतौर पर एक एक्सीलेरोमीटर, जाइरोस्कोप और एक मैग्नेटोमीटर होता है, जो वेग, ओरिएंटेशन और गुरुत्वाकर्षण बलों को मापता है, जिसे एक साथ जोड़कर जमीन के सापेक्ष स्कैनर के कोणीय ओरिएंटेशन (पिच, रोल और यॉ) का निर्धारण किया जाता है। दूसरी ओर जीपीएस सेंसर की स्थिति के बारे में सटीक भौगोलिक जानकारी प्रदान करता है, इस प्रकार ऑब्जेक्ट बिंदुओं के प्रत्यक्ष जियोफेरेंसिंग के लिए अनुमति देता है।ये दो घटक विभिन्न प्रणालियों में उपयोग के लिए सेंसर डेटा को स्थिर बिंदुओं में अनुवाद करने की विधि प्रदान करते हैं।

GPS और IMU का उपयोग करके प्राप्त अतिरिक्त जानकारी प्राप्त डेटा की अखंडता के लिए महत्वपूर्ण है, और यह सुनिश्चित करने में मदद करती है कि सतहों की दूरी सही ढंग से अनुमानित है, विशेष रूप से स्वायत्त वाहनों और एयर प्लेन आधारित कल्पना प्रणालियों जैसे मोबाइल LIDAR अनुप्रयोगों में।

LiDAR के प्रकार

जबकि LIDAR प्रणालियों को कई कारकों के आधार पर प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है, लेकिन LIDAR प्रणालियों के तीन सामान्य प्रकार हैं;

1. रेंज फाइंडर LIDAR
2. विभेदक अवशोषण LIDAR
3. डॉपलर LIDAR

1. रेंज फाइंडर LIDAR

ये LIDAR सिस्टम का सबसे सरल प्रकार है। वे LIDAR स्कैनर से किसी वस्तु या सतह की दूरी निर्धारित करने के लिए उपयोग किए जाते हैं। "यह कैसे काम करता है" अनुभाग के तहत वर्णित उड़ान सिद्धांत के समय का उपयोग करके, प्रतिबिंब बीम के स्कैनर को हिट करने के लिए लिया गया समय का उपयोग LIDAR सिस्टम और ऑब्जेक्ट के बीच की दूरी को निर्धारित करने के लिए किया जाता है।

2. विभेदक अवशोषण LIDAR

विभेदक अवशोषण LIDAR सिस्टम (कभी-कभी DIAL के रूप में संदर्भित), आमतौर पर कुछ अणुओं या सामग्रियों की उपस्थिति की जांच में उपयोग किया जाता है। डीआईएएल सिस्टम आमतौर पर दो तरंग दैर्ध्य के लेजर बीम को आग लगाते हैं जो इस तरह से चुने जाते हैं कि एक तरंग दैर्ध्य को ब्याज के अणु द्वारा अवशोषित किया जाएगा जबकि अन्य तरंग दैर्ध्य नहीं होगा। एक बीम के अवशोषण के परिणामस्वरूप स्कैनर द्वारा प्राप्त रिटर्न बीम की तीव्रता में अंतर (अंतर अवशोषण) होता है। इस अंतर का उपयोग तब किया जाता है जब अणु की उपस्थिति के स्तर की जांच की जाती है। वायुमंडल में रासायनिक सांद्रता (जैसे ओजोन, जल वाष्प, प्रदूषक) को मापने के लिए DIAL का उपयोग किया गया है।

3. डॉपलर LIDAR

डॉपलर LiDAR का उपयोग किसी लक्ष्य के वेग को मापने के लिए किया जाता है। जब LIDAR से निकाल दिया गया प्रकाश पुंज, LIDAR की ओर या दूर जा रहे किसी लक्ष्य को हिट करता है, तो लक्ष्य से परावर्तित / छितरी हुई प्रकाश की तरंग दैर्ध्य को थोड़ा बदल दिया जाएगा। इसे डॉपलर शिफ्ट के रूप में जाना जाता है - परिणामस्वरूप, डॉपलर लिडार। यदि लक्ष्य LiDAR से दूर जा रहा है, तो वापसी प्रकाश में एक लंबी तरंग दैर्ध्य (कभी-कभी लाल शिफ्ट के रूप में संदर्भित) होती है, यदि LiDAR की ओर बढ़ रही है तो वापसी प्रकाश एक छोटे तरंग दैर्ध्य (नीली पाली) पर होगा।

कुछ अन्य वर्गीकरण जिन पर LIDAR प्रणाली को समूहीकृत किया गया है, उनमें शामिल हैं:

1. मंच
2. Backscattering का प्रकार

प्लेटफ़ॉर्म पर आधारित LiDAR के प्रकार

एक मापदंड के रूप में प्लेटफॉर्म का उपयोग करते हुए, LIDAR सिस्टम को चार प्रकारों में बांटा जा सकता है, जिसमें शामिल हैं;

1. ग्राउंड-आधारित LIDAR
2. एयरबोर्न LIDAR
3. अंतरिक्षयात्री LIDAR
4. मोशन LIDAR

ये LIDAR निर्माण, सामग्री, तरंग दैर्ध्य, आउटलुक और अन्य कारकों में भिन्न होते हैं जो आमतौर पर सूट करने के लिए चुने जाते हैं जो पर्यावरण में काम करता है जिसके लिए उन्हें तैनात किया जाना है।

LIDAR के प्रकार Backscattering के प्रकार पर आधारित है

LIDAR सिस्टम कैसे काम करता है, इसके वर्णन के दौरान, मैंने उल्लेख किया कि LIDAR में प्रतिबिंब बैकस्कैटरिंग के माध्यम से है। विभिन्न प्रकार के बैकस्कैटरिंग निकास और इसके कभी-कभी एलआईडीएआर के प्रकार का वर्णन करने के लिए उपयोग करते हैं। Backscattering के प्रकार में शामिल हैं;

1. Mie
2. रेले
3. रमन
4. रोशनी

LiDAR के अनुप्रयोग

अपनी चरम सटीकता और लचीलेपन के कारण LIDAR में व्यापक रूप से उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले मानचित्रों का उत्पादन, अनुप्रयोगों की एक विस्तृत संख्या है। सर्वेक्षण के साथ-साथ, LIDAR का उपयोग कृषि, पुरातत्व और रोबोट में किया गया है क्योंकि यह वर्तमान में स्वायत्त वाहन दौड़ के प्रमुख प्रवर्तकों में से एक है, अधिकांश वाहनों में प्रयुक्त होने वाले प्रमुख सेंसर, LIDAR प्रणाली के समान भूमिका निभा रहे हैं। वाहनों के लिए आँखें।

LiDAR के अन्य अनुप्रयोगों के 100s हैं और नीचे यथासंभव अधिक से अधिक उल्लेख करने का प्रयास करेंगे।

1. स्वायत्त वाहन
2. 3 डी इमेजिंग
3. भूमि सर्वेक्षण
4. पावर लाइन निरीक्षण
5. पर्यटन और पार्क प्रबंधन
6. वन संरक्षण के लिए पर्यावरणीय आकलन
7. बाढ़ मॉडलिंग
8. पारिस्थितिक और भूमि वर्गीकरण
9. प्रदूषण मॉडलिंग
10. तेल और गैस की खोज
11. अंतरिक्ष-विज्ञान
12. औशेयनोग्रफ़ी
13. सभी प्रकार के सैन्य अनुप्रयोग
14. सेल नेटवर्क योजना
15. खगोल

लिडार सीमाएँ

हर दूसरी तकनीक की तरह LIDAR की अपनी कमियां हैं। खराब मौसम की स्थिति में LIDAR सिस्टम की रेंज और सटीकता बुरी तरह प्रभावित होती है । उदाहरण के लिए, धूमिल स्थितियों में, महत्वपूर्ण संकेतों की एक महत्वपूर्ण मात्रा उत्पन्न होती है, क्योंकि कोहरे के कारण परिलक्षित होते हैं। यह आमतौर पर माई बिखरने वाले प्रभाव की ओर जाता है और इस तरह, निकाल दिया गया बीम का एक बड़ा हिस्सा स्कैनर में वापस नहीं आता है। बारिश के साथ एक समान घटना का अनुभव होता है क्योंकि बारिश के कणों के कारण गंभीर रिटर्न होता है।

मौसम के अनुसार, एलआईडीएआर सिस्टम को (या जानबूझकर या जानबूझकर) मूर्ख बनाया जा सकता है, ताकि कोई वस्तु उस पर "रोशनी" चमकती हो। 2015 में प्रकाशित एक पेपर के अनुसार, स्वायत्त वाहनों पर लगे LIDAR सिस्टम में एक साधारण लेजर पॉइंटर को चमकाने से वाहन के नेविगेशन सिस्टम को खराब किया जा सकता है, यह एक ऐसी वस्तु के अस्तित्व का आभास देता है जहां कोई नहीं है। विशेष रूप से लेसरों के ड्राइवर रहित कार एप्लिकेशन में यह दोष बहुत अधिक सुरक्षा चिंताओं को खोलता है, क्योंकि हमलों में उपयोग के लिए सिद्धांत को परिष्कृत करने में कारजैकर्स को लंबा समय नहीं लगेगा। यह सड़क के बीच में अचानक रुकने वाली कारों के साथ दुर्घटनाओं को भी जन्म दे सकता है अगर उन्हें होश आता है कि वे दूसरी कार या पैदल चलने वाले व्यक्ति को क्या मानते हैं।

लाभ और LiDAR के नुकसान

इस लेख को लपेटने के लिए, हमें संभवतः उन कारणों पर ध्यान देना चाहिए, जिनके कारण आप LIDAR अपनी परियोजना के लिए एक अच्छा फिट हो सकते हैं और किन कारणों से आपको शायद इससे बचना चाहिए।

लाभ

1. उच्च गति और सटीक डेटा अधिग्रहण

2. उच्च पेनेट्रेशन

3. इसके वातावरण में प्रकाश की तीव्रता से प्रभावित नहीं और रात में या धूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।

4. अन्य तरीकों की तुलना में उच्च रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग।

5. कोई ज्यामितीय विकृतियाँ

6. आसानी से अन्य डेटा अधिग्रहण विधियों के साथ एकीकृत करता है।

7. LIDAR में न्यूनतम मानवीय निर्भरता है जो कुछ अनुप्रयोगों में अच्छा है जहां मानव त्रुटि डेटा की विश्वसनीयता को प्रभावित कर सकती है।

नुकसान

1. LIDAR की लागत इसे कुछ परियोजनाओं के लिए ओवरकिल बनाती है। LIDAR को अपेक्षाकृत महंगा बताया गया है।

2. LIDAR सिस्टम भारी बारिश, कोहरे या बर्फ की स्थिति में खराब प्रदर्शन करते हैं।

3. LIDAR सिस्टम बड़े डेटासेट उत्पन्न करते हैं जिन्हें संसाधित करने के लिए उच्च कम्प्यूटेशनल संसाधनों की आवश्यकता होती है।

4. अशांत पानी अनुप्रयोगों में अविश्वसनीय।

5. अपनाई गई तरंग दैर्ध्य के आधार पर, एलआईडीएआर सिस्टम का प्रदर्शन सीमित ऊंचाई है क्योंकि कुछ प्रकार के एलआईडीआर में दालों को निकाल दिया जाता है जो कुछ ऊंचाई पर अप्रभावी हो जाते हैं।

हॉबीस्ट और मेकर्स के लिए LIDAR

LIDAR की लागत के कारण, बाजार में अधिकांश LIDAR सिस्टम (जैसे कि Velodyne LIDARs) का उपयोग औद्योगिक अनुप्रयोगों में किया जाता है (सभी "गैर-शौकीन" अनुप्रयोगों को एक साथ लाने के लिए)।

" हॉबीस्ट ग्रेड" एलआईडीएआर प्रणाली के सबसे करीब जो अभी उपलब्ध हैं, वह आईबीडर सॉलिड-स्टेट लीडार सेंसर हैं, जिसे हायबो द्वारा डिजाइन किया गया है । यह एक छोटा LiDAR सिस्टम है जो 6 मीटर की प्रभावी अधिकतम सीमा के साथ 3 डी मैपिंग (सेंसर को घुमाने के बिना) में सक्षम है। सेंसर UART / SPI / i2C पोर्ट के साथ एक यूएसबी पोर्ट से लैस है जिसके माध्यम से सेंसर और एक माइक्रोकंट्रोलर के बीच संचार स्थापित किया जा सकता है।

iLidar को सभी के अनुकूल बनाया गया था और LiDAR से जुड़ी विशेषताएं इसे निर्माताओं के लिए आकर्षक बनाती हैं।