Лидар

Лидар — это технология дистанционного зондирования, основанная на измерении расстояний до объектов с помощью лазерного излучения. Термин происходит от английского «LIDAR» (Light Detection and Ranging — обнаружение и определение дальности с помощью света). Лидар позволяет получать трёхмерные изображения местности, объектов и сред, определяя их пространственные координаты с высокой точностью. В отличие от радиолокации (радар), использующей радиоволны, лидар работает в оптическом диапазоне электромагнитного спектра (как правило, ультрафиолетовом, видимом или ближнем инфракрасном). Система состоит из лазерного излучателя, сканирующего механизма (или фазированной решётки), приёмника отражённого сигнала и блока обработки данных.

Принцип действия

Лидар излучает короткие импульсы лазерного света в заданном направлении. Достигнув преграды (поверхности земли, здания, дерева, облака, аэрозоля), часть излучения отражается обратно. Время прохождения импульса от излучателя до объекта и обратно (t) фиксируется высокоточным хронометром. Зная скорость света (c ≈ 299 792 458 м/с) и измерив время задержки, расстояние (R) вычисляется по формуле:

\[ R = \frac{c \cdot t}{2} \]

Для получения двумерного или трёхмерного изображения лазерный луч сканирует пространство по одной или двум осям (например, с помощью вращающейся призмы или зеркала). Каждому измеренному расстоянию соответствует определённый угол сканирования, что позволяет построить «облако точек» — массив координат (X, Y, Z) для всех отражений. Современные лидары могут испускать от десятков тысяч до миллионов импульсов в секунду, а также регистрировать не только время, но и интенсивность отражённого сигнала, что помогает различать материалы и свойства поверхности.

История

Первые идеи использования света для измерения расстояний появились ещё в начале XX века. В 1930-х годах были разработаны импульсные светодальномеры на лампах-вспышках, но их точность и дальность были ограничены. Настоящий прорыв произошёл после изобретения лазера (1960 год). Уже в 1961 году американские учёные предложили концепцию лазерного дальномера. В 1963 году компания Hughes Aircraft создала первый работающий лазерный высотомер для армии США.

В 1970-х годах лидары начали применять в метеорологии для измерения высоты облаков и концентрации аэрозолей. Первые космические лидары появились в 1990-х: например, аппарат MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter) на борту марсианского орбитального зонда «Марс Глобал Сервейор» (1996–2006) составил глобальную карту высот Марса. На Земле значительным этапом стало использование лидаров в топографической съёмке с самолётов (ALSM — Airborne Laser Swath Mapping) с начала 2000-х годов. В 2010-е годы благодаря развитию твёрдотельных лазеров и снижению стоимости компонентов лидары стали применяться в автомобильных системах автономного управления, робототехнике и мобильных устройствах (например, в iPhone 12 Pro, выпущенном в 2020 году).

Классификация

Лидары классифицируют по нескольким признакам.

По способу получения пространственной информации

1. Сканирующие (механические) — лазерный луч направляется на вращающееся зеркало или призму, что обеспечивает обзор сектора или полного круга. Наиболее распространены в топографии и робототехнике.
2. Твердотельные — не имеют движущихся частей; управление лучом осуществляется с помощью фазированной оптической решётки (OPA) или микроэлектромеханических зеркал (MEMS). Отличаются компактностью, надёжностью и меньшей стоимостью, но ограничены углом обзора.
3. Flash-лидары — одномоментно освещают большую область широким лазерным импульсом, а отражённый сигнал принимается матрицей чувствительных элементов (наподобие фотокамеры). Позволяют получать 3D-кадр за один импульс, но имеют ограниченную дальность и разрешение.

По типу лазера

• Импульсные (time-of-flight) — измеряют время пролёта импульса. Самый распространённый тип.
• Фазовые (continuous wave) — используют непрерывное лазерное излучение с модуляцией частоты или фазы; дальность определяется по сдвигу фазы отражённого сигнала. Обеспечивают высокую точность на малых расстояниях (до нескольких десятков метров).
• Частотно-модулированные (FMCW) — комбинируют непрерывное излучение с изменением частоты; позволяют измерять и расстояние, и скорость объекта по эффекту Доплера.

По носителю

• Наземные — стационарные или мобильные (устанавливаются на автомобилях, штативах, роботах).
• Воздушные — на самолётах, вертолётах, БПЛА. Обеспечивают широкий охват территории.
• Космические — на спутниках. Используются для глобального картографирования и изучения атмосферы.

По функциональному назначению

• Топографические — съёмка рельефа, зданий, растительности.
• Батиметрические — работают в зелёном диапазоне (532 нм) для проникновения через воду и картографирования дна мелководья.
• Атмосферные — измерение аэрозолей, облачности, ветра (лидарные доплеровские системы).
• Автомобильные — для систем помощи водителю (ADAS) и автономного управления.

Применение

Геодезия и картография

Лидары с воздушных носителей позволяют создавать цифровые модели рельефа (ЦМР) с точностью до нескольких сантиметров даже под пологом леса (лазер может проникать сквозь кроны). Широко используются для составления топографических карт, мониторинга оползней, эрозии, изменений береговой линии.

Археология и культурное наследие

Аэрофотография с лидаром помогла обнаружить древние поселения под густой растительностью (например, потерянные города майя в Гватемале). Наземные лазерные сканеры применяются для документирования архитектурных памятников и музеев.

Автономное управление транспортом

Лидар является одним из ключевых сенсоров для беспилотных автомобилей (наряду с камерами и радарами). Он строит детальную 3D-карту окружающей среды, распознаёт препятствия (люди, автомобили, столбы) и позволяет определять их местоположение с высокой частотой обновления. Ведущие компании — Velodyne (США), Hesai (Китай), Luminar (США), Ouster (США). В России разработкой автомобильных лидаров занимаются, например, компания «Яндекс» и «Геоскан».

Робототехника

Внутрипомещённые лидары (часто на основе MEMS-зеркал) позволяют мобильным роботам (пылесосы, погрузчики, дроны) ориентироваться в пространстве, строить карты помещений (SLAM) и избегать столкновений.

Метеорология и экология

Атмосферные лидары (например, лидары дифференциального поглощения — DIAL) измеряют концентрацию газов (озон, диоксид серы, метан). Доплеровские ветровые лидары определяют скорость и направление ветра в атмосфере. Подобные системы устанавливаются на метеостанциях и спутниках (например, европейский Aeolus, работавший с 2018 по 2023 год).

Оборонная и космическая промышленность

Используются для лазерной локации целей, высокоточного наведения, а также для посадки космических аппаратов (например, на Марс и Луну). В России разработаны лазерные высотомеры для спускаемых аппаратов (проект «Луна-25»).

Преимущества и недостатки

Преимущества лидаров по сравнению с радиолокацией и оптическими камерами:

• высокая пространственная точность (до сантиметров и миллиметров на коротких дистанциях);
• возможность работы в полной темноте (активный источник света);
• устойчивость к помехам от радиосигналов и пассивных оптических ловушек;
• получение трёхмерной информации без стереообработки.

Недостатки:

• зависимость от атмосферных условий: дождь, туман, снег, пыль сильно ослабляют лазерное излучение;
• ограниченная дальность (обычно до нескольких сотен метров для автомобильных, до 10–20 км для воздушных);
• высокая стоимость (особенно для механических систем с вращающимися элементами);
• потенциальная опасность для зрения при использовании мощных лазеров (классы 3B и 4).

Правовое регулирование в России

В Российской Федерации использование лазерных дальномеров и лидарных систем регулируется санитарными правилами и нормами (СанПиН 1.2.3685-21 «Лазерное излучение»), ограничивающими мощность излучения для защиты здоровья населения. Разработка и эксплуатация лидаров для гражданских нужд не требуют специального разрешения, однако использование в авиационной и космической деятельности подлежит сертификации Росавиацией и Госкорпорацией «Роскосмос». Военные лидары относятся к продукции двойного назначения и их экспорт/импорт контролируется ФССТЭК России.

Перспективы

С развитием твёрдотельных лидаров на кремниевых фотонных чипах, снижением стоимости компонентов и миниатюризацией ожидается широкое внедрение технологии в потребительские устройства (смартфоны, дроны, бытовые роботы). Автомобильные лидары становятся стандартной опцией на новых моделях автомобилей (например, в Mercedes-Benz S-Class с 2021 года). Ведутся исследования по созданию лидаров на основе квантовых точек и однофотонных лавинных фотодиодов, способных работать на рекордных дальностях (до сотен километров) с высокой точностью.

Источники

• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. — М.: Физматлит, 2005.
• Weitkamp C. (Ed.) LIDAR: Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere. — Springer, 2005.
• Статья «Лидар» в Большой российской энциклопедии (электронная версия).
• ГОСТ Р 57957-2017 «Лидары воздушные. Методы испытаний».
• Материалы открытых лекций МФТИ и НИУ ВШЭ по дистанционному зондированию.
• Сайты производителей: Velodyne, Luminar, Hesai, Ouster (официальная техническая документация).