Als Konzept gibt es Lidar seit Jahrzehnten. Das Interesse an dieser Technologie ist jedoch in den letzten Jahren stark gestiegen, da Sensoren kleiner und komplexer werden und sich der Produktumfang mit Lidar-Technologie immer weiter ausdehnt.
Das Wort LIDAR ist eine Transliteration von LIDAR (Light Detection and Ranging). Dies ist eine Technologie zur Gewinnung und Verarbeitung von Informationen über entfernte Objekte unter Verwendung aktiver optischer Systeme, die die Phänomene der Lichtreflexion und -streuung in transparenten und semitransparenten Medien nutzen. Lidar als Gerät ähnelt einem Radar, daher ist seine Anwendung die Beobachtung und Detektion, aber anstelle von Radiowellen, wie bei einem Radar, verwendet es in den allermeisten Fällen von einem Laser erzeugtes Licht. Der Begriff Lidar wird oft synonym mit Ladar verwendet, das für Laserdetektion und Entfernungsmessung steht, obwohl Joe Buck, Forschungsleiter bei Coherent Technologies, einem Teil der Weltraumsystemabteilung von Lockheed Martin, sagt, dass die beiden Konzepte aus technischer Sicht unterschiedlich sind. „Wenn Sie sich etwas ansehen, das als weiches Objekt angesehen werden könnte, wie zum Beispiel Partikel oder ein Aerosol in der Luft, neigen Experten dazu, Lidar zu verwenden, wenn sie über die Erkennung dieser Objekte sprechen. Wenn man sich feste, feste Objekte wie ein Auto oder einen Baum anschaut, dann neigt man eher zum Begriff Ladar.“Weitere Informationen zu Lidar aus wissenschaftlicher Sicht finden Sie im Abschnitt "Lidar: So funktioniert es".
„Lidar ist seit seiner Einführung in den frühen 1960er Jahren seit vielen Jahrzehnten Gegenstand der Forschung“, fuhr Buck fort. Das Interesse daran ist jedoch seit Beginn dieses Jahrhunderts vor allem dank des technologischen Fortschritts merklich gewachsen. Als Beispiel verwendete er das Rendering mit synthetischer Apertur. Je größer das Teleskop, desto höher die Auflösung des Objekts. Wenn Sie eine extrem hohe Auflösung benötigen, ist möglicherweise ein viel größeres optisches System erforderlich, was aus praktischer Sicht möglicherweise nicht sehr praktisch ist. Die Bildgebung mit synthetischer Apertur löst dieses Problem durch Verwendung einer beweglichen Plattform und Signalverarbeitung, um eine tatsächliche Apertur zu erhalten, die viel größer als die physikalische Apertur sein kann. Radare mit synthetischer Apertur (SARs) werden seit vielen Jahrzehnten verwendet. Allerdings begannen die praktischen Demonstrationen der optischen Bildgebung mit synthetischer Apertur erst Anfang der 2000er Jahre, obwohl Laser zu dieser Zeit bereits weit verbreitet waren. „Tatsächlich hat es länger gedauert, optische Quellen zu entwickeln, die über einen weiten Einstellbereich eine ausreichende Stabilität aufweisen … Die Verbesserung von Materialien, Lichtquellen und Detektoren (in Lidars verwendet) geht weiter. Sie haben jetzt nicht nur die Möglichkeit, diese Messungen durchzuführen, sondern können sie auch in kleinen Blöcken durchführen, was die Systeme in Bezug auf Größe, Gewicht und Stromverbrauch praktisch macht.
Es wird auch einfacher und praktischer, Daten aus dem Lidar (oder von dem Lidar gesammelte Informationen) zu sammeln. Traditionell wird es aus Flugzeugsensoren zusammengesetzt, sagt Nick Rosengarten, Leiter der Geospatial Exploitation Products Group bei BAE Systems. Heutzutage können Sensoren jedoch in Bodenfahrzeugen oder sogar in Rucksäcken installiert werden, was eine menschliche Datenerfassung impliziert. „Das eröffnet viele Möglichkeiten, Daten können jetzt sowohl im Innen- als auch im Außenbereich gesammelt werden“, erklärt Rosengarten. Matt Morris, Head of Geospatial Solutions bei Textron Systems, sagt: „Der Lidar ist ein wirklich erstaunlicher Datensatz, weil er die detailliertesten Details der Erdoberfläche liefert. Sie liefert ein viel detaillierteres und sozusagen getöntes Bild als die DTED-Technologie (Digital Terrain Elevation Data), die Informationen über die Höhe der Erdoberfläche an bestimmten Punkten liefert. Einer der vielleicht stärksten Anwendungsfälle, die ich von unseren Militärkunden gehört habe, ist der Einsatz in unbekanntem Gelände, weil sie wissen müssen, wohin sie gehen müssen … um ein Dach zu erklimmen oder einen Zaun zu erklimmen. Die DTED-Daten erlauben es Ihnen nicht, dies zu sehen. Sie werden nicht einmal die Gebäude sehen."
Morris merkte an, dass selbst einige herkömmliche hochauflösende Geländehöhendaten es Ihnen nicht ermöglichen, diese Merkmale zu sehen. Das LIDAR ermöglicht dies jedoch aufgrund seines "Positionsabstands" - ein Begriff, der den Abstand zwischen Positionen beschreibt, der im Datenarray genau angezeigt werden kann. Bei einem Lidar kann die „Pitch“auf Zentimeter reduziert werden, „damit man die Höhe eines Gebäudedachs oder die Höhe einer Wand oder die Höhe eines Baumes genau kennt. Dies erhöht wirklich das Niveau des dreidimensionalen (3D) Situationsbewusstseins.“Darüber hinaus sinken die Kosten für Lidar-Sensoren ebenso wie ihre Größe, was sie erschwinglicher macht. „Vor zehn Jahren waren Lidar-Sensorsysteme sehr groß und sehr teuer. Sie hatten wirklich einen hohen Stromverbrauch. Aber im Laufe der Entwicklung verbesserten sich die Technologien, die Plattformen wurden viel kleiner, der Energieverbrauch sank und die Qualität der von ihnen generierten Daten stieg.
Morris sagte, dass die Hauptanwendung des Lidars im militärischen Bereich in der 3D-Planung und dem Training von Kampfeinsätzen liegt. Mit dem Flugsimulationsprodukt Lidar Analyst seines Unternehmens beispielsweise können Benutzer große Datenmengen aufnehmen und "diese 3D-Modelle schnell generieren, dann können sie ihre Missionen sehr genau planen". Das gleiche gilt für Bodenoperationen. Morris erklärt: "Unser Produkt dient der Planung von Ein- und Ausstiegsrouten in das Zielgebiet. Da die Rohdaten hochauflösend sind, ist eine sehr genaue Analyse der Situation innerhalb der Sichtlinie möglich."
Zusammen mit Lidar Analyst hat Textron RemoteView entwickelt, ein Softwareprodukt zur Bildanalyse für das US-Militär und die Geheimdienste. Die RemoteView-Software kann eine Vielzahl von Datenquellen verwenden, einschließlich LIDAR-Daten. BAE Systems bietet auch Software für die Geoanalyse an, sein Flaggschiffprodukt ist hier SOCET GXP, das viele Funktionen bietet, einschließlich der Verwendung von LIDAR-Daten. Darüber hinaus erklärte Rosengarten, dass das Unternehmen die GXP-Xplorer-Technologie entwickelt habe, bei der es sich um eine Datenverwaltungsanwendung handelt. Diese Technologien sind durchaus für militärische Anwendungen geeignet. Rosengarten erwähnte beispielsweise ein Tool zur Berechnung der Helikopter-Landezone, das Bestandteil der Software SOCET GXP ist. "Es kann Lidar-Daten aufnehmen und Benutzern Informationen über Bereiche am Boden liefern, die für die Landung eines Hubschraubers ausreichen können." Er kann ihnen zum Beispiel erkennen, ob vertikale Hindernisse wie Bäume im Weg stehen: "Mit diesem Tool können die Leute Gebiete identifizieren, die sich bei humanitären Krisen am besten als Evakuierungspunkt eignen." Rosengarten hob auch das Potenzial der Kachelung hervor, bei der mehrere LIDAR-Datensätze aus einem bestimmten Bereich gesammelt und zusammengefügt werden. Möglich wird dies durch „die erhöhte Genauigkeit von Lidar-Sensor-Metadaten in Kombination mit Software wie der SOCET GXP-Anwendung von BAE Systems, die Metadaten in präzise Zonen am Boden umwandeln kann, die anhand von Geodaten berechnet werden. Der Prozess basiert auf LIDAR-Daten und ist unabhängig davon, wie die Daten erhoben werden.“
So funktioniert es: Lidar
Lidar funktioniert, indem es das Ziel mit Licht beleuchtet. Das Lidar kann Licht im sichtbaren, ultravioletten oder nahen Infrarotbereich verwenden. Das Funktionsprinzip des Lidars ist einfach. Das Objekt (Oberfläche) wird mit einem kurzen Lichtimpuls beleuchtet, die Zeit, nach der das Signal zur Quelle zurückkehrt, wird gemessen. Lidar sendet schnelle kurze Laserstrahlungspulse auf ein Objekt (Oberfläche) mit einer Frequenz von bis zu 150.000 Pulsen pro Sekunde. Ein Sensor am Gerät misst die Zeit zwischen dem Aussenden eines Lichtimpulses und seiner Reflexion bei einer konstanten Lichtgeschwindigkeit von 299792 km/s. Durch Messen dieses Zeitintervalls ist es möglich, den Abstand zwischen dem LIDAR und einem separaten Teil des Objekts zu berechnen und daher ein Bild des Objekts basierend auf seiner Position relativ zum LIDAR zu erstellen.
Windschere
Unterdessen wies Buck auf mögliche militärische Anwendungen der WindTracer-Technologie von Lockheed Martin hin. Die kommerzielle Technologie WindTracer verwendet Lidar zur Messung der Windscherung an Flughäfen. Das gleiche Verfahren kann im militärischen Bereich zum Beispiel für Präzisions-Airdrops verwendet werden. „Man muss Vorräte aus ausreichend großer Höhe abwerfen, dafür legt man sie auf Paletten und lässt sie von einem Fallschirm fallen. Mal sehen, wo sie landen? Sie können versuchen, vorherzusagen, wohin sie gehen werden, aber das Problem ist, dass die Windscherung beim Abstieg die Richtung in verschiedenen Höhen ändert “, erklärte er. - Und wie können Sie dann vorhersagen, wo die Palette landen wird? Wenn Sie den Wind messen und die Flugbahn optimieren können, können Sie Nachschub mit sehr hoher Genauigkeit liefern.“
Lidar wird auch in unbemannten Landfahrzeugen verwendet. Der Hersteller von automatischen Bodenfahrzeugen (AHAs), Roboteam, hat beispielsweise ein Tool namens Top Layer entwickelt. Es handelt sich um eine 3D-Mapping- und autonome Navigationstechnologie, die Lidar verwendet. Top Layer verwendet Lidar auf zwei Arten, sagt Shahar Abukhazira, Leiter von Roboteam. Die erste ermöglicht die Echtzeitkartierung von geschlossenen Räumen. „Manchmal ist das Video unter unterirdischen Bedingungen unzureichend, zum Beispiel kann es zu dunkel sein oder die Sicht hat sich aufgrund von Staub oder Rauch verschlechtert“, fügte Abukhazira hinzu. - Die Fähigkeiten von Lidar ermöglichen es Ihnen, einer Situation ohne Orientierung und Verständnis der Umgebung zu entkommen … jetzt kartiert er den Raum, er kartiert den Tunnel. Sofort kann man die Situation verstehen, auch wenn man nichts sieht und auch wenn man nicht weiß, wo man sich befindet."
Die zweite Verwendung von Lidar ist seine Autonomie, die dem Bediener hilft, mehr als ein System zu einem bestimmten Zeitpunkt zu steuern. „Ein Bediener kann eine AHA steuern, aber es gibt zwei andere AHAs, die einfach ein von Menschenhand gesteuertes Fahrzeug verfolgen und ihnen folgen“, erklärte er. Ebenso kann ein Soldat das Gelände betreten und die ANA folgt ihm einfach, dh es müssen keine Waffen beiseite gelegt werden, um das Gerät zu bedienen. "Es macht die Arbeit einfach und intuitiv." Der größere AHA Probot von Roboteam hat auch ein Lidar an Bord, um lange Strecken zurücklegen zu können. „Sie können nicht verlangen, dass ein Bediener drei Tage hintereinander eine Taste drückt … Sie verwenden einen Lidar-Sensor, um einfach den Soldaten oder dem Auto zu folgen oder sich sogar automatisch von einem Punkt zum anderen zu bewegen, der Lidar hilft dabei diese Situationen. Vermeiden Sie Hindernisse. " Abukhazira erwartet in diesem Bereich für die Zukunft große Durchbrüche. Benutzer wollten beispielsweise eine Situation haben, in der ein Mensch und ein ANA wie zwei Soldaten interagieren. „Ihr habt einander nicht unter Kontrolle. Ihr schaut euch an, ihr ruft euch an und ihr handelt genau so, wie ihr solltet. Ich glaube, dass wir in gewisser Weise diese Ebene der Kommunikation zwischen Menschen und Systemen erreichen werden. Es wird effizienter sein. Ich glaube, die Lidars führen uns in diese Richtung.“
Gehen wir unter die Erde
Abukhazira hofft auch, dass Lidar-Sensoren den Betrieb in gefährlichen unterirdischen Umgebungen verbessern werden. Lidar-Sensoren liefern zusätzliche Informationen beim Kartieren von Tunneln. Außerdem bemerkte er, dass der Betreiber manchmal in einem kleinen und dunklen Tunnel nicht einmal merkte, dass die AHA in die falsche Richtung führt. „Lidar-Sensoren funktionieren in Echtzeit wie GPS und lassen den Prozess wie ein Videospiel wirken. Sie können Ihr System im Tunnel sehen, Sie wissen in Echtzeit, wo Sie hinwollen."
Es ist erwähnenswert, dass Lidar-Sensoren eine weitere Datenquelle sind und nicht als direkter Ersatz für Radar betrachtet werden sollten. Buck stellte fest, dass es einen großen Wellenlängenunterschied zwischen den beiden Technologien gibt, die ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Oftmals ist die beste Lösung, beide Technologien zu verwenden, zum Beispiel die Messung von Windparametern mit einer Aerosolwolke. Kürzere Wellenlängen optischer Sensoren bieten eine bessere Richtungserkennung im Vergleich zu längeren Wellenlängen eines HF-Sensors (Radar). Die Transmissionseigenschaften der Atmosphäre sind jedoch bei beiden Sensortypen sehr unterschiedlich. „Das Radar ist in der Lage, bestimmte Arten von Wolken zu durchdringen, mit denen ein Lidar nur schwer umgehen kann. Aber bei Nebel kann Lidar beispielsweise etwas besser abschneiden als Radar.“
Rosengarten sagte, dass die Kombination des Lidars mit anderen Lichtquellen wie panchromatischen Daten (bei der Bildgebung mit einem breiten Lichtwellenlängenbereich) ein vollständiges Bild des interessierenden Bereichs ergibt. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Definition eines Hubschrauberlandeplatzes. Lidar kann ein Gebiet scannen und sagen, dass es keine Neigung hat, unabhängig davon, dass er tatsächlich auf den See schaut. Diese Art von Informationen kann durch die Verwendung anderer Lichtquellen erhalten werden. Rosengarten glaubt, dass die Branche letztendlich Technologien verschmelzen und verschiedene Quellen für visuelle und andere Lichtdaten zusammenführen wird. "Es wird Wege finden, alle Daten unter einen Hut zu bringen … Genaue und umfassende Informationen zu erhalten, ist mehr als nur die Verwendung von Lidar-Daten, sondern eine komplexe Aufgabe, die alle verfügbaren Technologien einbezieht."
