Значение лазерного сканирования для контроля окружающей среды



В результате написания статьи был произведён анализ существующих технологий мобильного сканирования местности, изучение основных принципов работы радарного сканирования. Произведён обзор известных алгоритмов построения информационной модели среды, существующих мобильных устройств для сканирования местности и компонентов для их создания. Предложена модель создания лидара, работа которого основывается на методе триангуляции построена её трёхмерная модель

Немногим более 50 лет назад во многих странах начали разрабатывать технологию получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. К основным преимуществам технологии лазерного сканирования, без сомнения, можно отнести высокую скорость и точность съемки, практически недостижимую любыми другими методами измерений. Данная технология получила название лидар, и на данный момент используется и совершенствуется сотнями компаний по всему миру.

Данный способ сканирования находит применение в решении достаточно широкого круга задач, таких как:

‒ измерение концентрации различных газов;

‒ исследования атмосферы;

‒ горнодобывающая промышленность;

‒ исследования Мирового океана;

‒ системы машинного зрения.

Лидарная система сканирования позволяет проводить быстрый и точный контроль окружающей среды. Существуют лазерные сканирующие комплексы, проводящие измерение скорости и направления воздушных потоков, измерение температуры атмосферы, ранние оповещения о лесных пожарах, схождение оползней и другие. Все это, безусловно, дает возможность сохранения экологии окружающей среды на должном уровне.

Устройство лидарного комплекса

Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели. Кроме импульсного метода измерения дистанции применяется фазовый, основанный на определении разности фаз посылаемых и принимаемых модулированных сигналов. В основе лидаров лежат эффекты комбинационного рассеяния, резонансные эффекты, дифференциальное поглощение рассеянного излучения.

Рис. 1. Принцип действия лидара

Основными блоками лидара являются:

1. лазер-передатчик;
2. передающая оптическая система;
3. приемная оптическая система;
4. спектроанализирующее и регистрирующее устройство (ФЭУ, лавинный фотодиод);
5. блок обработки сигнала;
6. блок управления;
7. система отображения полученной информации.

Системы дистанционного сканирования делятся на моностатические и бистатические. В моностатической системе датчик и приемник размешены в одном месте, а в бистатической разнесены на некоторое расстояние.

Экономическая составляющая применения лидарных систем

Вопрос об экономической эффективности использования лидаров весьма актуален в наши дни. Как упоминалось выше, множество компаний занимаются разработками в данной области. Передовыми среди них являются Google, Velodyne, Omron. Siemens, Denso и некоторые другие. Их лидарные системы используют все ведущие передовые авто- и авивконцерны, а также организации, отвечающие за контроль экологической обстановки хотя стоимость таких систем является достаточно недешевой и составляет сумму порядка нескольких тысяч долларов и выше.

Безопасность использования лидаров

Излучение лидаров представляет угрозу для здоровья людей в смысле возможного поражения органов зрения и ожогов кожи. Причем на практике наибольшее внимание уделяется только угрозе зрению случайных наземных наблюдателей, так как ожоги кожи возможны только на очень близких расстояниях т. е. только в лабораторных условиях, где с прибором работает специально обученный персонал с соблюдением всех норм безопасности.

Вопросы безопасного использования лидаров оказывают существенное влияние на методику выполнения лазерно-локационной съемки. Обеспечение безопасности на практике сводится к определению минимально допустимой высоты полета, которое для некоторых моделей лидаров может составлять несколько сотен метров. Это ограничение существенно, так как высота съемки является одним из главных параметров, прямо влияющих на детальность, точность и ширину полосы захвата.

Подходы к определению минимально допустимой высоты лазерно-локационной съемки различны в разных странах. Например, «American National Standard for Safe Use of Laser», который в принципе сам по себе достаточен для того, чтобы определить параметры безопасного использования конкретного лидара при тех или иных условиях съемки. Российский стандарт «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» отличается меньшей конкретикой. В сравнении: в нормальных условиях съемки для ALTM 3100 минимально допустимая высота съемки составляет 550 м, а для LiteMapper — 0.5 м. Такое принципиальное различие объясняется тем, что стекловидное тело глаза в значительной степени прозрачно на длине волны 1.0 мкм и почти полностью непрозрачно на длине волны 1.5 мкм.

Поэтому лазерное излучение на длине волны 1.5 мкм не может достигнуть сетчатки и вызвать ожог, все это излучение будет поглощено стекловидным телом глаза. Напротив, лазерное излучение с длиной волны около 1.0 будет сфокусировано хрусталиком и без серьезного ослабления достигнет сетчатки, что при превышении порогового значения поверхностной плотности энергии может привести к ожогу сетчатки.

Однако сказанное не означает, что лидары с рабочей длиной волны 1.5 мкм предпочтительны из-за своей почти полной безопасности. Потому, что стекловидное тело глаза почти полностью состоит из воды. Именно благодаря этому обстоятельству оно оказывается почти полностью непрозрачным — вода интенсивно поглощает электромагнитное излучение на длине волны 1.5 мкм.

Вывод

Проведя исследование возможностей лидаров, обозначились основные требования к источнику сканирующего сигнала:

1. Знание точной частоты вещания передатчика
2. Достаточная мощность источника
3. Максимальная зона покрытия

Изучив доступный диапазон частот (24–1766 МГц), был сделан вывод, что лучше всего под заданные условия подходит GSM и TV-FM сигнал. При дальнейшем изучении, выяснилось, что TV-FM сигнал имеет ряд преимуществ перед GSM сигналом и предпочтительнее в использовании. Информация о частотах вещания находится в общем доступе, что позволяет точно настроится, мощность сигнала достаточно высокая, а также зона покрытия больше чем у GSM, что позволяет использовать его для построения радарограмм пространства. А совместное использование с системой лидарного сканирования местности позволит получать полноценную картину окружающего мира с возможностью построения оптимального маршрута до цели и маневрирования среди движущихся препятствий.

На данный момент проблема создания высокоточной и эффективной, но в то же время не очень дорогой системы лазерного сканирования, остается очень актуальной. В мире используются сотни решений данной задачи, но все они не являются идеальными. Необходима разработка подобной лидарной системы, которая будет иметь параметры, наиболее подходящие как в ценовом, так и в эффективном аспекте для использования повсеместно для контроля окружающей среды.

Литература:

1. Долговесов Б. С., Мазурок Б. С., 3D графика реального времени: от тренажеров до виртуальных студий / Долговесов Б. С., Мазурок Б. С. // Тр. науч. конф. Графикон-2005. — Новосибирск, 2005. — С. 44–47.
2. NISSAN [Электронный ресурс]; Around view monitor. — 2012. — (Engl.). URL: http://www.nissan-global.com/en/technology/ introduction/details/avm/
3. McCormack P. LIDAR System Design for Automotive/Industrial/Military Applications // McCormack P. National Semiconductor Corporation. — 2006. — Р. 10–13.
4. Nagappan S. Adaptive Cruise Control: Laser Diodes as an Alternative to Millimeter-Wave Radars / Nagappan S. // Ward's Auto Electronics. September/October, 2005. — Р. 52–58.
5. Дистанционные методы и средства исследования процессов в атмосфере Земли / Под ред. Кащеева Б. Л., Е. Г. Прошкина Е. Г.,— Харьков: Харьк. нац. ун-т радиоэлектроники; 2002. — 426 с.
6. Paul H., Atmospheric Effects on the Beam Propagation of the XM-23 Laser Rangefinder, Laser Range Instrumentation // Society for Photo-Optical Instrumentation Engineers. — Vol. 11. 1967. — Р. 35

8. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э. Д. Хинкли. — М.: Мир, 1979. — 416 с.
9. Vaughan J. M. Laser Doppler Velocimetry Applied to the Measurement of Local and Global Wind / Vaughan J. M., Forrester P. A. — 2010. — Р. 24.