خانه » دانشنامه‌ها » دانشنامه سنسور » سنسور لیدار LiDAR چیست؟

سنسور لیدار LiDAR چیست؟

بازدید: 2069

سنسور لیدار چیست
  1. خانه
  2. »
  3. دانشنامه سنسور
  4. »
  5. سنسور لیدار LiDAR چیست؟

سنسور لیدار LiDAR چیست؟

بازدید: 2069

سنسور لیدار چیست

لیدار (Lidar) نوعی فناوری سنجش از راه دور است که فاصله را با استفاده از اشعه لیزر و انرژی نور، اندازه‌گیری می‌کند.

این قطعه با تابش اشعه لیزر به شی هدف و سپس اندازه‌گیری سرعت و شدت سیگنال برگشتی، فاصله تا آن را محاسبه می‌کند. از اطلاعات مکانی جمع‌آوری شده از این طریق، برای ایجاد مدل‌های 3 بعدی استفاده می‌شود.

سنسور لیدار در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. از نمونه‌های لیدارها می‌­توان به لیدارهای هوابرد (Airborne Lidar) ، لیدارهای زمینی (Terrestrial Lidar) ، لیدار موبایل و لیدار آبی اشاره کرد.

قابلیت اتصال لیدار به پهبادها، تصویربرداری را در شرایطی که انجام آن برای انسان ریسک جانی دارد بسیار راحت‌تر کرده است.

در این مقاله و در ارتباط با فناوری لایدار، به موارد زیر خواهیم پرداخت:

لیدار چیست؟

سنسور لیدار چیست

لیدار مخفف عبارت Light Detection and Ranging است

این نوع سنسور را می‌توان در دسته قطعات جمع‌آوری داده گنجاند. لیدار با استفاده از لیزرهای پرقدرت یا سایر انواع انرژی‌های نوری، مدلسازی‌های 3 بعدی انجام داده و فاصله تا شی هدف را اندازه‌گیری می‌کند.

ریشه کلمه لیدار به اوایل دهه 60 میلادی و اندکی پس از اختراع لیزر برمی‌گردد. در ابتدا این قطعات، در اسکنرهای نصب شده بر روی هواپیماها استفاده می‌شدند. در آن زمان کلمه لیدار نه به صورت یک مخفف (آنطور که ذکر شد)، بلکه به صورت ترکیبی از کلمات نور (light) و رادار (radar) شناخته می‌شد.

در ابتدا لیدارها عمدتا برای کمک به تهیه نقشه رودخانه‌ها و نهرهای کوچک استفاده می‌شدند، اما در دهه 80 و با ظهور GPS، لیدار به ابزاری جدائی‌ناپذیر در جمع‌آوری داده‌های مکانی در مقیاس بزرگ و ایجاد نقشه‌های توپوگرافی تبدیل شد.

نقشه توپوگرافی با لیدار

سنسورهای lidar در دهه 80 معمولا بزرگ بوده و دقت بالایی نداشتند و البته به صورت انحصاری بر روی هواپیماهای بزرگ مورد استفاده قرار می‌گرفتند. از سوی دیگر عملکرد آنها به صورت دستی بوده و علاوه بر گران بودن، بازده سرمایه‌گذاری خوبی نیز نداشتند.

امروزه سنسور لیدار، ارزان‌تر، کوچکتر و در دسترس‌تر از هر زمان دیگریست. همین مساله منجر به گسترش کاربرد این قطعات در صنایع و حوزه‌های مختلف شده است. به طور مثال گوشی‌های جدید آیفون دارای اسکنرهای لیدار  هستند که می‌توانند مدل‌های 3 بعدی از اهداف در فاصله حداکثر 4 و نیم متری ایجاد کنند.

 

اسکنر لیدار آیفون

فناوری لیدار در طول 60 سالی که از عمر آن می‌گذرد، مسیر طولانی و پر فراز و نشیبی را طی کرده است. در ادامه به جزئیات عملکرد این سنسورها خواهیم پرداخت.

سنسور لیدار چگونه کار می‌کند؟

طرز کار سنسور لیدار

در حالت کلی و صرف نظر از کاربرد سنسورهای لیدار، این قطعات از طریق شلیک دقیق و پرقدرت اشعه لیزر به سمت هدف و سپس اندازه‌گیری پالس برگشتی، فاصله را اندازه‌گیری می‌کنند.

عملکرد لایدار، کاملا مشابه رادار و سونار است؛ تنها نقطه تفاوت آن است که لیدارها به جای استفاده از امواج رادیویی یا صوتی، از نور برای اهداف اندازه‌گیری خود بهره می‌برند. لیدار می‌تواند با در نظر گرفتن جهت نور ارسالی، موقعیت اسکنر لیدار و فاصله تا شی هدف، موقعیت 3 بعدی جسم (که سیگنال از آن بازتاب می‌شود) را استخراج و مدل کند.

ساختار لیدار از 3 المان اصلی تشکیل شده است:

  1. لیزر

هر پی‌لود لیدار از یک لیزر با قدرت تابش بالا تشکیل شده است؛ هرچند که رنگ و شدت لیزر به کار رفته، بسته به نوع داده جمع‌آوری شده قابل تغییر است. لیزر، پرتوهای نور را به سمت هدف تابانده و جسم، نور تابیده شده را بازتاب می‌کند.

  1. اسکنر

پالس‌های بازتاب شده می‌بایست توسط لیدار دریافت شده و به طور دقیق اندازه‌گیری شوند. المانی که در لیدار این کار را انجام می‌دهد، اسکنر (سنسور یا گیرنده) نامیده می‌شود.

در اینجا نیز بسته به نوع داده هدف جمع‌آوری، نوع اسکنر مورد استفاده تفاوت خواهد کرد. درواقع لنزها و اپتیک‌های مورد استفاده در اسکنر در پی‌لودهای مختلف، متفاوت‌اند. یک تقسیم‌کننده پرتو (beam splitter) یا یک hole mirror المان‌هایی هستند که به منظور جمع‌آوری سیگنال‌های برگشتی استفاده می‌شوند.

  1. سیستم موقعیت‌یابی جهانی

به منظور اندازه‌گیری و تحلیل سیگنال‌های بازتابی از اجسام هدف، لیدار می‌بایست محل قرارگیری خود را دقیقا بداند. درواقع می‌توان گفت که لایدارها دارای پیشرفته‌ترین سیستم‌های موقعیت‌یابی و ناوبری هستند تا به جهت‌یابی و تعیین موقعیت دقیق این سنسورها کمک کنند.

ملاحظات سخت‌افزاری دیگری نیز جهت انتخاب یا طراحی پی‌لود لیدار وجود دارد؛ از جمله نوع باتری، سیستم تصویربرداری مورد استفاده و … . هر چند که انتخاب هر یک از این قطعات، به نوع کاربری لایدار بستگی خواهد داشت.

فرموله‌سازی عملکرد LiDAR

فرآیند پرتاب نور یا لیزر به جسم هدف، دریافت سیگنال برگشتی و محاسبه موقعیت مطلق جسم در فضا را می‌توان به صورت کلی و در قالب فرمول ریاضی زیر نشان داد:

D = c * t/2

در این فرمول:

  • d نشان‌دهنده فاصله
  • c نشان‌دهنده سرعت نور و
  • t طول مدت حرکت پرتو

می‌باشد.

مزایای سنسور لیدار

با توجه به مزایایی که می‌توان برای لیدارها برشمرد، این قطعات بهترین جایگزین برای سیستم‌های مدلسازی 3 بعدی، همچون فتوگرامتری (photogrammetry) خواهند بود.

اول آنکه لیدارها بسیار دقیق‌اند؛ بطوریکه می‌توانند اهدافی بعضا بسیار بزرگ یا بسیار کوچک (به کوچکی مولکول‌های منفرد) را مورد هدف قرار دهند. این درحالیست که قطعاتی چون فوتوگرامتری برای مدلسازی 3 بعدی، صدها هزار عکس گرفته و با ترکیب آنها فرآیند مدلسازی را انجام می‌دهند. این امر نیاز این قطعات به حجم بالایی از داد‌های اولیه را بالا برده، هرچند که دقت آنها چندان بالا نیست.

دومین مزیت لیدارها را می‌توان توانایی آنها در کار در محیط‌های با نور کم دانست. قطعاتی چون فتوگرامتری، قادر به کار در محیط‌هایی چون معادن نیستند؛ این درحالیست که لیدار از پرتوهای لیزر مادون قرمز بهره برده و به همین دلیل به راحتی در فضاهای تاریک قابل بکارگیری است.

مورد دوم را می‌توان یکی از مزایای اصلی استفاده از لیدار، نسبت به سایر فناوری‌های سنجش از راه دور دانست؛ زیرا همانطور که در ادامه خواهیم دید، بسیاری از صنایعی که امروزه از لیدارها استفاده می‌کنند، در حوزه‌های خدمات ایمنی یا خدمات اورژانس به کار می‌روند؛ در این شرایط، امکان اندازه‌گیری دقیق و بدون توجه به شرایط محیطی، نقش بسزایی در حفظ جان افراد و بخصوص غیرنظامیان و نجات جان آنها در مواقع خطرناک خواهد

از دیگر مزایی لیدار، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • امکان خودکارسازی کارها
  • توانایی جمع‌آوری داده‌ها از طیف گسترده‌ای از منابع
  • هزینه پایین این قطعات

انواع لیدار LiDAR

انواع لیدار

لیدارها را می‌توان بر حسب پارامترهای مختلف دسته‌بندی نمود. در ادامه به تعدادی از آنها اشاره خواهیم کرد.

  • نوع لیزر به کار رفته در لیدار

لیدارها را می‌توان بر حسب نوع لیزر به کار رفته در آنها با یکدیگر مقایسه کرد. هر چند صدها نوع لیزر مختلف با قدرت و برد مختلف وجود دارد، اما در حالت کلی می‌توان لیزرهای مورد استفاده در لیدار را به دو نوع نقشه‌برداری و مکان‌نگاری (topographic lidar) و عمق‌سنجی (bathymetric lidar) تقسیم نمود.

  • لیدارهای نقشه‌برداری و مکان‌نگاری: این نوع لیدارها که نسبت به مورد دیگر رایج‌تر هستند، از یک لیزر پرتوهای نزدیک به مادون قرمز (near-infrared laser) برای نقشه‌برداری از زمین، درختان و ساختمان‌ها استفاده می‌کنند.
  • لیدارهای عمق‌سنجی: این نوع لیدارها از یک نور سبز با قابلیت نفوذ در آب استفاده کرده و عمدتا از آنها در مواردی چون اندازه‌گیری عمق بستر دریا، ارتفاع جریان آب و ارتفاع بستر رودخانه استفاده می‌شود.
  • جهت قرارگیری لیدار نسبت به جسم هدف (orientation)

روش دیگری که براساس آن می‌‌توان انواع لیدار را از هم متمایز نمود، نوع جهت‌گیری آنها نسبت به جسم هدف است. به عبارتی در این معیار این سوال مطرح می‌شود که لیزر و حسگر، نسبت به جسم هدف در چه موقعیتی قرار دارند. بر این اساس می‌توان انواع زیر را برشمرد:

  • جهت‌گیری پاسو (oriented to nadir): جهت‌گیری رو به پایین. مانند لایدارهای ارتفاع‌سنج.
  • جهت‌گیری سرسو (oriented to zenith): جهت‌گیری رو به بالا. برخی لیدارهای اتمسفری جهت‌گیری سرسو دارند.
  • جهت‌گیری جانبی (oriented laterally): بسیاری از اتومبیل‌های خودران، از لیدارهایی با سنسورهایی از این نوع استفاده می‌کنند.

نوع جهت‌گیری لیدار، روشی مفید برای دسته‌بندی آنهاست و می‌تواند به ایجاد تمایز بین این سیستم‌ها بر حسب نوع عملکردشان کمک کند.

  • نوع سطح کاربری لیدار

یکی دیگر از وجوه تفاوت لیدارها، نوع بستر یا پلتفرمی است که لیدار بر روی آن قابل بکارگیری است. درواقع در این نوع دسته‌بندی به این سوال پاسخ داده می‌شود که لیدار در هوا (aerial lidar) یا بر روی زمین (terrestrial lidar) قابل بکارگیری است؟

بسته به نوع پاسخ داده شده به این سوال، مواردی چون فناوری به کار رفته در لیدار، نوع منطقه‌ای که می‌توان از آن استفاده نمود، محدوده سنسور و … بر استفاده از لیدار تاثیرگذار خواهد بود.

لیدارهای هوایی را به نوبه خود می‌توان به لیدارهای پهپادی، لیدارهای هواپیماها و هلیکوپترها و لیدارهای ماهواره‌های فضایی تقسیم کرد.

دسته‌بندی لیدارها بر این اساس، مفید فایده خواهد بود، چرا که این قطعات را نه بر اساس عملکرد آنها، بلکه بر اساس نوع قطعات و تجهیزاتی که پی‌لود را تنظیم و هماهنگ می‌کنند، به انواع مختلف تقسیم می‌کند.

کاربردهای لیدار

کاربرد سنسور لیدار

اکنون که درک درستی از چیستی، چگونگی کارکرد و انواع مختلف لایدارها کسب کرده‌ایم، وقت آن است تا نگاهی دقیق‌تر به صنایعی داشته باشیم که از فناوری لایدار استفاده می‌کنند. در ادامه به 12 مورد از کاربردهای این فناوری خواهیم پرداخت.

  1. صحنه‌های تصادف

لایدارها می‌توانند مقادیر گسترده‌ای از جزئیات بصری مربوط به حوادث جاده‌ای را در مدت کوتاهی و حتی قبل از رسیدن تیم‌های پزشکی جمع‌آوری کنند. این امر به تیم‌های اورژانس این امکان را می‌دهد تا به جای ارزیابی وضعیت و موقعیت تصادف، بر حفظ جان مصدومان تمرکز کنند.

نقشه‌ها، مدل‌ها و سایر داده‌های جمع‌آوری شده توسط لایدارها می‌توانند در دادگاه به عنوان مدرک و برای تعیین علت یا آثار ناشی از حادثه، ارائه شوند. نیروهای بهداشتی و خدماتی که وظیفه پاکسازی صحنه تصادف از پسماندها را بر عهده دارند، می‌توانند از این مدل‌ها بهره‌مند شوند.

  1. کشاورزی

فناوری لایدار در حوزه کشاورزی می‌تواند به شناسایی مناطقی که تولید محصولات در آنها بیشتر است، اندازه‌گیری مقدار جریان آب برای کمک به تعیین موقعیت خاکریزها یا ردیابی گله‎‌های گاو و گوسفند کمک کند. برخی از انواع لایدار می‌توانند حتی حشرات را در مزارع شناسایی کنند.

  1. اتمسفر

در ارتباط با مسائل جوی، اسکنرهای هوایی مزایای بسیاری دارند. از جمله این مزایا می‌توان به مدلسازی آلودگی هوا، cloud profiling، هواشناسی، اندازه‌گیری چگالی و توزیع گازها و مولکول‌ها اشاره کرد.

  1. باستان‌شناسی

در سال 2017 داده‌های جمع‌آوری شده توسط لیدارهای پهپادی به شناسایی یک سیستم جاده‌ای گسترده در بستر رودخانه ال میرادور (قطعه زمینی وسیع در دل جنگل‌های آمریکای مرکزی) کمک شایانی کرد.

مورد ذکر شده، تنها نمونه‌ای نیست که در آن از اسکنرهای لایدار به منظور حفاری‌های باستان‌شناسی استفاده شده است. این جاده‌ها، که در حدود 600 سال قبل از میلاد مسیح توسط مایاها استفاده می‌شدند، بدون استفاده از لایدارها و توانایی منحصربفرد این قطعات در جمع‌آوری داده‌ها در دل جنگل‌های انبوه شاید هیچگاه قابل شناسایی نبودند.

  1. حفظ منابع طبیعی

برخی از ایالات آمریکا از فناوری لایدار برای حفظ و نگهداری از منابع طبیعی خود استفاده می‌کنند. لایدارهای پهپادی و اسکنرها، برای اندازه‌گیری مواردی چون ارتفاع جنگل‌ها و تراکم تپه‌های شنی به کار رفته و بخصوص به پیاده‌سازی رویکردهای حفظ منابع آبی کمک شایانی می‌کنند.

مدلسازی دشت‌های سیل‌زده و آبگیر رودخانه‌ها بوسیله LiDAR، دولت‌ها را قادر می‌سازد تا سطح آمادگی خود را در مواجهه با بلایای طبیعی افزایش داده و پیش‌بینی دقیق‌تری از استفاده از منابع داشته باشند.

  1. بازرسی و کنترل

پهپادها یا هواپیماهای بدون سرنشین مجهز به پی‌لود لایدار، می‌توانند وارد مناطقی شوند که دسترسی به آنها برای کارگران انسانی خطرناک و حتی غیرممکن است. این امر کمک بسیاری در زمینه بازرسی یا تعمیر و نگهداری از این مناطق به متخصصین خواهد کرد.

اسکنرهای لایدار می‌توانند از طریق عملیاتی چون اندازه‌گیری میزان پوشش گیاهی اطراف خطوط برق یا بررسی‌های اولیه سایت‌های ساخت و ساز، زمان و هزینه‌های بالای انجام دستی این نوع عملیات را کاهش دهند.

  1. بیمه

لایدارها این توانایی را دارند تا بخش‌های وسیعی از مناطق شهری را در عرض چند دقیقه بررسی و ارزیابی کنند. این عملکرد، بررسی ادعانامه‌ها را، که یکی از زمانبرترین و پرهزینه‌ترین عملیات در صنایع بیمه است، کاراتر کرده است.

استفاده از اسکنرهای لایدار در ارزیابی خسارات سیل یا شناسایی مسیر گردبادها این امکان را به شرکت‌های بیمه می‌دهد تا با استفاده از داده‌هایی که خطای آنها کمتر از نیم فوت است، قیمت‌های دقیق‌تر و ارزان‌تری به مشتریان خود ارائه دهند.

  1. جنگلداری

لایدار در اندازه‌گیری ارتفاع و شناسایی مکان درختان در جنگل‌های متراکم و پردرخت عملکرد بسیار خوبی دارد. از سوی دیگر، توانایی حرکت این فناوری مابین درختان نیز آن را به گزینه‌ای مناسب جهت جمع‌آوری اطلاعات در سطح زمین تبدیل کرده است.

روش‌های سنتی نقشه‌برداری از جنگل‌ها ناکارآمد و زمانبر بوده و انجام آنها در صورت عدم وجود نور غیرممکن است. این درحالیست که جنگل‌بانان می‌توانند با استفاده از فناوری‌های مجهز به لایدار، عملیات نقشه‌برداری را در ابعاد بسیار وسیع‌تر و البته با دقت و سرعت بالا، انجام دهند. این امر هم به حوزه‌های بازرسی و هم به صنایعی که به نوعی به جنگل و جنگلداری متکی هستند، مانند صنایع چوب و کاغذ یا مبلمان، کمک شایانی خواهند کرد.

  1. اجرای قوانین

از ابتدای قرن حاضر، اسلحه‌های مورد استفاده در ادارات پلیس نیز از انواع راداری به انواع لایداری تغییر پیدا کرده است. به عنوان نمونه‌ای از کاربرد این اسلحه‌ها می‌توان به اندازه‌گیری دقیق سرعت خودروها در خیابان‌ها و جاده‌ها با استفاده از فناوری لایدار اشاره کرد.

در عین حال، کاربرد لایدار بسیار فراتر از استفاده از آن در دوربین‌های سنجش سرعت است. پرسنل نظامی و افسران می‌توانند با استفاده از لایدار به شناسایی پیکارگرهای دشمن پرداخته، مناطق تحت نفوذ دشمن را شناسایی کرده و حتی از دید یک پرنده از فراز آسمان، وضعیت گروگان‌های دربند دشمن را بررسی کنند.

  1. معادن

در معادن و علم زمین‌شناسی می‌توان از فناوری لایدار برای ارزیابی میزان ایمنی پس از انفجارهای برنامه‌ریزی شده، اندازه‌گیری حجم سنگ معدن و فضاهای استخراج سنگ معدن و شناسایی و مطالعه انواع مختلف گسل‌ها استفاده نمود.

  1. حمل و نقل

در صنعت حمل و نقل، لایدارها قابلیت آن را دارند تا در تمامی مراحل این فرآیند، از برنامه‌ریزی پارکینگ‌ها و خطوط راه‌آهن گرفته تا برنامه‌ریزی مسیرهای پروازی به متخصصین کمک کنند.

  1. اتومبیل‌های خودران

اتومبیل‌های خودران، از سیستم‌های مجهز به لیدار برای کمک به تشخیص موانع و تشخیص برخورد استفاده می‌کنند. انواع خاصی از این سیستم‌ها نیز می‌توانند در سامانه‌های بازدارنده سرعت (cruise control)، ناوبری و پارکینگ‌ها به کار روند.

نظرتان را درباره این مقاله بگویید 34 نظر

سنسور لیدار LiDAR چیست؟

با ثبت نظر و نوشتن کامنت، تیم ما را در راستای بهبود و افزایش کیفیت محتوا یاری خواهید کرد :)

فهرست مطالب

فهرست مطالب

مقالات مرتبط

مشاهده محصولات

بروزترین مقالات

این مقاله را با دوستانتان به اشتراک بگذارید!

1 دیدگاه در “سنسور لیدار LiDAR چیست؟

  1. محمد مهدی خلیلی گفت:

    سلام خلیلی جالب بود ولی اگه از هر کدوم چند تا عکس هم بود بهتر میشد

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

1 + یک =

فروشگاه