Einführung in die LiDAR-Technologie
LiDAR (Light Detection and Ranging) ist eine etablierte Methode für Fernerkundungstechnologie mit vielversprechendem Potenzial zur Unterstützung bei der Kartierung, Überwachung und Bewertung von Oberflächen und Objekten. Mit der LiDAR-Technologie können Wissenschaftler und Fachleute natürliche und vom Menschen geschaffene Umgebungen genau, präzise und flexibel untersuchen.
Im letzten Jahrzehnt haben wir ein vielfältiges Wachstum der LiDAR-Technologie gesehen. Diese Technologie hat herkömmliche Vermessungstechniken in mehreren Bereichen ersetzt. LiDAR wird häufig zur Erstellung von Karten mit hoher Auflösung bei Anwendungen in den Bereichen Vermessung, Archäologie, Geographie, Seismologie, Forstwirtschaft und Atmosphärenphysik eingesetzt. Es wird auch bei der Steuerung und Navigation von autonomen Fahrzeugen und Robotern verwendet. In diesem Artikel werden die Grundlagen der LiDAR-Technologie, die Funktionsprinzipien von LiDAR-Sensoren und einige Beispiele für den routinemäßigen LiDAR-Einsatz erläutert.
Was ist LiDAR?
LiDAR, auch bekannt als LADAR oder Laserhöhenmessung, ist eine optische Sensortechnologie, die intensive, fokussierte Strahlen gepulster Laserenergie aussendet und die Zeit misst, die vergeht, bis Reflexionen durch den Sensor erfasst werden. Diese Informationen werden verwendet, um Entfernungen oder Abstände zu Objekten zu berechnen. In dieser Hinsicht ähnelt LiDAR dem RADAR (Radio Detecting and Ranging), jedoch basiert LiDAR auf diskreten Laserlichtimpulsen anstelle von Funkwellen. Durch Aussenden dieser Lichtimpulse erzeugt ein LiDAR-System eine präzise 2D- oder 3D-Karte der Umgebung und von Objekten. Der andere Aspekt der LiDAR-Technologie ist, dass sie auch die optischen Eigenschaften eines Objekts bestimmen kann, wie etwa Reflexionsvermögen und Absorption. Dies liefert letztendlich wesentliche Daten über ein Objekt und über seine Entfernung – die Technologie ist damit perfekt für die Kartierung geeignet.
Abbildung 1: Mittels LiDAR laserkartierte 3D-Modelle von UK National TreeMap (Bluesky-Daten)
LiDAR-Systeme sind aktive Systeme, da sie Lichtimpulse aussenden und reflektiertes Licht erfassen. Viele LiDAR-Systeme arbeiten im Nahinfrarotbereich (z. B. 1064 nm) des elektromagnetischen Spektrums, obwohl einige Sensoren auch im grünen Bereich arbeiten, um Wasser zu durchdringen und Bodenmerkmale zu erkennen. LiDAR ist eine Sensortechnologie mit relativ geringer Reichweite. Die meisten kommerziellen LiDAR-Sensoren sind in der Lage, Reflexionen auf bis zu 100 Meter Entfernung zu erfassen, während fortschrittlichere Sensoren 200 Meter erreichen können.
Die LiDAR-Technologie liefert unglaublich genaue, konsistente Ergebnisse. Die Technologie hat mehrere andere Technologien und Sensoren verdrängt, die bei der Erfassung und Datenkapselung nicht ausreichend präzise sind. Für viele Herausforderungen, wie das Scannen zwischen Objekten, ist LiDAR eine tragfähige Technologie.Es bietet eine schnelle, präzise und direkte Kartierungsmethode bei gleichzeitiger Erzeugung genauer und einfach zu analysierender Daten.In Mobilitätsanwendungen, bei denen hohe Präzision und Zuverlässigkeit erforderlich sind, erfreut sich die LiDAR-Technologie rasch wachsender Beliebtheit. Die robuste Leistung, die größere Reichweite und die Abstandsgenauigkeit im Bereich von wenigen Zentimetern ermöglichen es LiDAR, Objekte schnell und mit äußerst hoher Auflösung zu erkennen und große Flächen gleichmäßig abzudecken.
So funktioniert LiDAR
Das LIDAR-System umfasst ein Lasergerät, eine navigatorische Trägheitsmesseinheit (IMU), ein äußerst präzises globales GPS (Global Positioning System) und eine Computerschnittstelle. Die Technologie verwendet ultraviolettes, sichtbares oder Nahinfrarot-Licht, um Objekte abzubilden. Der Laser sendet Lichtimpulse aus und erfasst das von den Objekten reflektierte Licht. Der Sensor misst die Zeit zwischen der Aussendung und der Rückkehr des Laserpulses und berechnet die zurückgelegte Strecke. Die zurückgelegte Strecke wird dann in Höhe umgerechnet. Diese Messungen werden unter Verwendung der Schlüsselkomponenten eines LiDAR-Systems durchgeführt, einschließlich eines GPS, das die X-, Y-, Z-Lage der Lichtenergie identifiziert, und einer IMU, welche die Ausrichtung erfasst. Dieser Vorgang wird auch als „Time-of-Flight“-Messung (ToF) bezeichnet (Abbildung 2). Moderne LiDAR-Systeme sind ausreichend leistungsstark, um bis zu 900.000 Impulse pro Sekunde abzugeben.
Die Entfernung des Objekts = Lichtgeschwindigkeit x Laufzeit/2
Abbildung 2a: Blockdiagramm der LiDAR-Technologie
Ein LiDAR-System repliziert diesen Prozess eine Million Mal pro Sekunde und fasst die Ergebnisse in einem hochauflösenden 3D-Kartensystem zusammen. Diese 3D-Karte enthält einfach zu analysierende Daten, die zur Entscheidungsfindung verwendet werden.Ein LiDAR-System misst die Zeit, die das ausgesendete Licht benötigt, um auf den Boden zu treffen und zurückgeworfen zu werden.
Abbildung 2b: Entfernungsmessung im LiDAR-System
Anwendungen von LiDAR
LiDAR kommt historisch sowohl bei Land- als auch Luftanwendungen zum Einsatz. Für diese Anwendungen bieten sich drei Haupttypen von LiDAR-Systemen an – Luft-, Land- und Satelliten-LiDAR.LiDAR-Systeme für Luftanwendungen dienen zur Datenerfassung mittels Hubschraubern oder Drohnen.LiDAR-Systeme für Landanwendungen werden an fahrenden Fahrzeugen oder stationären Stativen installiert. Diese Arten von LiDAR-Systemen eignen sich hervorragend zur Modellierung und Beobachtung von statischer Topographie. Satelliten- oder Weltraum-LIDAR-Plattformen sind auf Satelliten montiert, welche die Erde umkreisen und tendenziell große Flächen abdecken, jedoch mit weniger Details.
Die LiDAR-Technologie mit ihrer einzigartigen Fähigkeit, eine zuverlässige Erkennung und Entfernungsbestimmung mit hoher Auflösung und Präzision zu liefern, kommt in verschiedenen Branchen und Anwendungen zum Einsatz. Für die Technologie gibt es erfolgreiche Fallstudien in den Bereichen Vermessung, Archäologie, Forstwirtschaft, Tiefseemessung, Biologie und Naturschutz, Atmosphäre, Bergbau, Geologie und Windparkoptimierung. Mit dem Fortschritt in anderen Wissenschafts- und Technologiezweigen erweitern sich nun auch die LiDAR-Anwendungsbereiche, und die Technologie wird dazu herangezogen, zahlreiche Entwicklungsziele zu erreichen, u. a.:
LiDAR für Augmented Reality:
LiDAR-Scanner liefern eine äußerst detaillierte 3D-Kartierung, sodass Augmented-Reality-Systeme die Daten auf einer präzisen und zuverlässigen Karte einblenden können. Ein mittels LiDAR-Technologie erstellter Punktwolkenscanner verbessert die Genauigkeit von Augmented-Reality-Erlebnissen.
LiDAR aus dem All:
LiDAR-Systeme werden auch für verschiedene Raumfahrtanwendungen weiterentwickelt, bei denen Bildgebung erforderlich ist, um sichere Landeplätze für Fahrzeuge, für Andock- und Fahrvorgänge zu identifizieren. Satelliten mit LiDAR-Technologie werden auch verwendet, um Klimavorhersagemodelle der Erde und anderer Himmelskörper zu vermessen, abzubilden und zu erzeugen.
LiDAR für autonome Fahrzeuge:
Die LiDAR-Technologie ist eine praktische Lösung, um die Erkennung und Umfahrung von Hindernissen und die sichere Navigation durch verschiedene Umgebungen in verschiedenen Fahrzeugen zu ermöglichen. Die Technologie kommt in zahlreichen kritischen Kfz- und Mobilitätsanwendungen zum Einsatz, darunter Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und autonomes Fahren.
LiDAR und IoT:
Die LiDAR-Technologie ist aufgrund einiger ihrer Aspekte bei bestimmten IoT-Anwendungen (Internet der Dinge) besonders nützlich. LiDAR-Lösungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Erfüllung des IoT-Versprechens – Erhöhung von Sicherheit, Produktivität und Effizienz in einer Vielzahl von Anwendungen für intelligente Städte, Infrastruktur, Landwirtschaft, Medizin, Einzelhandel und viele andere Bereiche.
LiDAR für den 3D-Druck:
Durch fotografische Modellierung ist es bereits möglich, 3D-gedruckte Objekte zu erstellen. Mit LiDAR können wesentlich detailliertere Modellierungsdaten für noch interessantere 3D-Druck-Projekte abstrahiert werden.
ON Semiconductor hat das SECO-RANGEFINDER-GEVK-Development Kit auf den Markt gebracht, eine Lichterfassungs- und Entfernungsmessungslösung (LiDAR) mit direkter Einzelpunkt-Time-of-Flight-Funktion (dToF), die mittels SiPM-Technologie (Silizium-Photomultiplier) funktioniert. Die im Gerät verwendete SiPM-Technologie sorgt für eine kurze Ansprechzeit und eine hohe Erfassungseffizienz. Damit werden die Herausforderungen von herkömmlichen Photodioden-basierten Lösungen überwunden.
Abbildung 3: dTOF-LiDAR-Development Kit von ON Semiconductor
Das Gerät wurde mit der NIR-Laserdiode, dem SiPM-Sensor, der Optik und der digitalen Verarbeitung entwickelt, die erforderlich sind, um die erfassten Signale in Laufzeit und anschließend die Laufzeit in Entfernung umzuwandeln. Dank der erzeugten Histogramme eignet sich das Gerät für verschiedene Anwendungen wie Entfernungsmessung, Kollisionserkennung und 3D-Kartierung. Die SiPM-dToF-LiDAR-Plattform kann Objekte auf Entfernungen von 10 cm bis 23 m erkennen und ist dank einer dedizierten GUI sofort einsatzbereit.
Angesichts der Fülle von Vorteilen schreitet die Entwicklung von LiDAR-Technologien und -Märkten weiterhin schnell voran. Die LiDAR-Technologie hat sich als unschätzbar erwiesen und aufgrund des Wachstums in verschiedenen Bereichen werden diese leistungsstarken Sensoren in den kommenden Jahren zunehmend verfügbar sein. Sie bieten bemerkenswerte Pluspunkte bei der Leistung gegenüber anderen Technologien und es ist nur eine Frage der Zeit, wann LiDAR-Sensoren zur gängigen Lösung für die meisten Branchen werden.
