كمفهوم ، كان الليدار موجودًا منذ عقود. ومع ذلك ، فقد نما الاهتمام بهذه التكنولوجيا بشكل حاد في السنوات الأخيرة ، حيث أصبحت أجهزة الاستشعار أصغر حجمًا وأكثر تعقيدًا ، كما أن نطاق المنتجات المزودة بتكنولوجيا الليدار يتوسع أكثر فأكثر.
كلمة lidar هي ترجمة صوتية لـ LIDAR (اكتشاف الضوء وتحديد المدى). هذه تقنية للحصول على معلومات حول الأجسام البعيدة ومعالجتها باستخدام أنظمة بصرية نشطة تستخدم ظاهرة انعكاس الضوء وتشتته في وسائط شفافة وشبه شفافة. Lidar كجهاز يشبه الرادار ، لذلك فإن تطبيقه هو المراقبة والكشف ، ولكن بدلاً من موجات الراديو ، كما هو الحال في الرادار ، فإنه يستخدم الضوء المتولد في الغالبية العظمى من الحالات بواسطة الليزر. غالبًا ما يستخدم مصطلح lidar بالتبادل مع Ladar ، والذي يرمز إلى الكشف عن الليزر والمدى ، على الرغم من أن Joe Buck ، رئيس الأبحاث في Coherent Technologies ، وهي جزء من قسم أنظمة الفضاء في شركة Lockheed Martin ، يقول إن المفهومين مختلفان من وجهة نظر فنية. "عندما تنظر إلى شيء يمكن اعتباره جسمًا ناعمًا ، مثل الجسيمات أو الهباء الجوي ، يميل الخبراء إلى استخدام الليدار عند الحديث عن اكتشاف تلك الأجسام. عندما تنظر إلى أجسام صلبة صلبة مثل سيارة أو شجرة ، فإنك تميل إلى الميل نحو مصطلح Ladar ". لمزيد من المعلومات حول الليدار من وجهة نظر علمية ، راجع قسم "ليدار: كيف يعمل".
تابع باك: "كان Lidar موضوعًا للبحث لعدة عقود منذ إنشائه في أوائل الستينيات". ومع ذلك ، فقد نما الاهتمام بها بشكل ملحوظ منذ بداية هذا القرن ، وذلك بفضل التقدم التكنولوجي أولاً وقبل كل شيء. استخدم عرض الفتحة الاصطناعية كمثال. كلما زاد حجم التلسكوب ، زادت دقة الكائن. إذا كنت بحاجة إلى دقة عالية للغاية ، فقد تكون هناك حاجة إلى نظام بصري أكبر بكثير ، والذي قد لا يكون عمليًا للغاية من الناحية العملية. يحل التصوير ذو الفتحة الاصطناعية هذه المشكلة باستخدام منصة متحركة ومعالجة الإشارات للحصول على فتحة فعلية يمكن أن تكون أكبر بكثير من الفتحة المادية. تستخدم الرادارات ذات الفتحة التركيبية (SAR) منذ عقود عديدة. ومع ذلك ، لم تبدأ العروض العملية للتصوير البصري للفتحة الاصطناعية إلا في أوائل القرن الحادي والعشرين ، على الرغم من حقيقة أن الليزر كان يستخدم بالفعل على نطاق واسع في ذلك الوقت. "في الواقع ، استغرق الأمر وقتًا أطول لتطوير مصادر بصرية تتمتع بثبات كافٍ على مدى واسع من الضبط … يستمر تحسين المواد ومصادر الضوء وأجهزة الكشف (المستخدمة في الليدار). ليس لديك الآن القدرة على إجراء هذه القياسات فحسب ، بل يمكنك إجراؤها في كتل صغيرة ، مما يجعل الأنظمة عملية من حيث الحجم والوزن واستهلاك الطاقة ".
يصبح جمع البيانات من الليدار أسهل وأكثر عملية أيضًا (أو المعلومات التي يجمعها الليدار). تقليديا ، تم تجميعها من مستشعرات الطائرات ، كما يقول نيك روزينجارتن ، رئيس مجموعة منتجات الاستغلال الجغرافي المكاني في BAE Systems.ومع ذلك ، يمكن اليوم تركيب أجهزة الاستشعار في المركبات الأرضية أو حتى في حقائب الظهر ، مما يعني ضمناً جمع البيانات البشرية. أوضح Rosengarten "هذا يفتح مجموعة كاملة من الاحتمالات ، يمكن الآن جمع البيانات في الداخل والخارج". يقول مات موريس ، رئيس الحلول الجيومكانية في Textron Systems ، "إن الليدار هو مجموعة بيانات مذهلة حقًا لأنه يوفر التفاصيل الأكثر تفصيلاً على سطح الأرض. إنه يعطي صورة أكثر تفصيلاً ، وإذا جاز التعبير ، أكثر تلوينًا من تقنية DTED (بيانات ارتفاع التضاريس الرقمية) ، التي توفر معلومات تتعلق بارتفاع سطح الأرض في نقاط معينة. ربما تكون إحدى أقوى حالات الاستخدام التي سمعتها من عملائنا العسكريين هي سيناريو الانتشار في تضاريس غير مألوفة ، لأنهم بحاجة إلى معرفة أين سيذهبون … لتسلق سقف أو تسلق سياج. لا تسمح لك بيانات DTED برؤية ذلك. حتى أنك لن ترى المباني ".
أشار موريس إلى أنه حتى بعض بيانات ارتفاع التضاريس التقليدية عالية الدقة لن تسمح لك برؤية هذه الميزات. لكن الليدار يسمح لك بالقيام بذلك بسبب "تباعد المواضع" - وهو مصطلح يصف المسافة بين المواضع التي يمكن عرضها بدقة في مصفوفة البيانات. في حالة الليدار ، يمكن اختزال "الملعب" إلى سنتيمترات ، "حتى تتمكن من معرفة ارتفاع سقف المبنى أو ارتفاع الجدار أو ارتفاع الشجرة بالضبط. يؤدي هذا حقًا إلى زيادة مستوى الوعي الظرفي ثلاثي الأبعاد ". بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكلفة مجسات الليدار آخذة في التناقص وكذلك حجمها ، مما يجعلها في متناول الجميع. قبل عشر سنوات ، كانت أنظمة استشعار الليدار كبيرة جدًا ومكلفة للغاية. كان لديهم بالفعل استهلاك طاقة مرتفع. ولكن مع تطورها ، تحسنت التقنيات ، وأصبحت المنصات أصغر بكثير ، وانخفض استهلاك الطاقة ، وزادت جودة البيانات التي تنتجها."
قال موريس إن الاستخدام الرئيسي لليدار في المجال العسكري هو التخطيط ثلاثي الأبعاد وتدريب المهام القتالية. على سبيل المثال ، يسمح منتج محاكاة الطيران Lidar Analyst التابع لشركته للمستخدمين بأخذ كميات كبيرة من البيانات و "إنشاء هذه النماذج ثلاثية الأبعاد بسرعة ، ثم يمكنهم التخطيط لمهامهم بدقة شديدة." وينطبق الشيء نفسه على العمليات البرية. وأوضح موريس: "يُستخدم منتجنا لتخطيط طرق الدخول والخروج إلى المنطقة المستهدفة ، وبما أن البيانات الأولية عالية الدقة ، فمن الممكن إجراء تحليل دقيق للغاية للوضع ضمن خط الرؤية."
جنبا إلى جنب مع Lidar Analyst ، قامت Textron بتطوير RemoteView ، وهو منتج برمجيات لتحليل الصور للجيش الأمريكي ووكالات الاستخبارات. يمكن لبرنامج RemoteView استخدام مجموعة متنوعة من مصادر البيانات ، بما في ذلك بيانات lidar. توفر BAE Systems أيضًا برنامجًا للتحليل الجغرافي المكاني ، ومنتجها الرئيسي هنا هو SOCET GXP ، والذي يوفر العديد من الإمكانات ، بما في ذلك استخدام بيانات lidar. بالإضافة إلى ذلك ، أوضح Rosengarten أن الشركة طورت تقنية GXP Xplorer ، وهي تطبيق لإدارة البيانات. هذه التقنيات مناسبة تمامًا للتطبيقات العسكرية. ذكر Rosengarten ، على سبيل المثال ، أداة لحساب منطقة هبوط المروحية التي تعد جزءًا من برنامج SOCET GXP. "يمكن أن تأخذ بيانات ليدار وتزود المستخدمين بمعلومات عن مناطق على الأرض قد تكون كافية لهبوط طائرة هليكوبتر." على سبيل المثال ، يمكنه إخبارهم إذا كانت هناك عوائق عمودية في الطريق ، مثل الأشجار: "يمكن للناس استخدام هذه الأداة لتحديد المناطق التي قد تكون الأنسب كنقطة إخلاء أثناء الأزمات الإنسانية". سلط Rosengarten أيضًا الضوء على إمكانات التبليط ، حيث يتم جمع مجموعات بيانات ليدار متعددة من منطقة معينة وربطها معًا.أصبح هذا ممكنًا من خلال "الدقة المتزايدة للبيانات الوصفية لمستشعر الليدار جنبًا إلى جنب مع برنامج مثل تطبيق SOCET GXP من BAE Systems ، والذي يمكنه تحويل البيانات الوصفية إلى مناطق دقيقة على الأرض ، محسوبة باستخدام البيانات الجغرافية المكانية. تعتمد العملية على بيانات ليدار ولا تعتمد على كيفية جمع البيانات ".
كيف يعمل: ليدار
يعمل الليدار بإضاءة الهدف بالضوء. يمكن أن يستخدم الليدار الضوء في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية المرئية أو القريبة من الأشعة تحت الحمراء. مبدأ تشغيل الليدار بسيط. يضيء الجسم (السطح) بنبضة ضوئية قصيرة ، يتم قياس الوقت الذي بعده تعود الإشارة إلى المصدر. يطلق Lidar نبضات قصيرة سريعة من إشعاع الليزر على جسم (سطح) بتردد يصل إلى 150000 نبضة في الثانية. يقيس المستشعر الموجود على الجهاز الوقت بين إرسال نبضة ضوئية وانعكاسها ، بافتراض سرعة ضوء ثابتة تبلغ 299792 كم / ثانية. من خلال قياس هذه الفترة الزمنية ، من الممكن حساب المسافة بين الليدار وجزء منفصل من الكائن ، وبالتالي بناء صورة للكائن بناءً على موضعه بالنسبة إلى الليدار.
قص الرياح
وفي الوقت نفسه ، أشار باك إلى التطبيقات العسكرية المحتملة لتقنية WindTracer الخاصة بشركة Lockheed Martin. تستخدم التكنولوجيا التجارية WindTracer الليدار لقياس قص الرياح في المطارات. يمكن استخدام نفس العملية في المجال العسكري ، على سبيل المثال ، للإسقاط الجوي الدقيق. "تحتاج إلى إسقاط الإمدادات من ارتفاع عالٍ بدرجة كافية ، لذلك تضعها على منصات نقالة وتسقطها من مظلة. الآن دعونا نرى أين هبطوا؟ يمكنك المحاولة والتنبؤ بالمكان الذي سيذهبون إليه ، لكن المشكلة تكمن في أنه أثناء هبوطك ، يغير قص الرياح اتجاهه على ارتفاعات مختلفة ". - ثم كيف تتوقع مكان هبوط البليت؟ إذا كان بإمكانك قياس الريح وتحسين المسار ، فيمكنك حينئذٍ توصيل الإمدادات بدقة عالية جدًا ".
يستخدم Lidar أيضًا في المركبات الأرضية غير المأهولة. على سبيل المثال ، قامت الشركة المصنعة للمركبات الأرضية الأوتوماتيكية (AHAs) ، Roboteam ، بإنشاء أداة تسمى Top Layer. إنها تقنية خرائط ثلاثية الأبعاد وملاحة مستقلة تستخدم الليدار. يستخدم Top Layer ليدار بطريقتين ، كما يقول شاهار أبو خزيرة ، رئيس فريق الروبوت. الأول يسمح برسم الخرائط في الوقت الحقيقي للمساحات المغلقة. وأضاف أبوخزيرة: "في بعض الأحيان ، يكون الفيديو غير كافٍ في ظروف تحت الأرض ، على سبيل المثال ، قد يكون مظلمًا للغاية أو تدهور الرؤية بسبب الغبار أو الدخان". - تسمح لك إمكانيات Lidar بالابتعاد عن موقف مع عدم وجود توجه وفهم للبيئة … الآن يقوم بتخطيط الغرفة ، وهو يرسم النفق. يمكنك على الفور فهم الموقف ، حتى لو كنت لا ترى أي شيء وحتى إذا كنت لا تعرف مكانك ".
الاستخدام الثاني لـ lidar هو استقلاليته ، مما يساعد المشغل على التحكم في أكثر من نظام في أي لحظة. وأوضح قائلاً: "يمكن لمشغل واحد التحكم في AHA واحد ، ولكن هناك نوعان آخران من AHA يتتبعان ويتبعان مركبة يتحكم فيها الإنسان". وبالمثل ، يمكن للجندي أن يدخل المبنى ويتبعه الجيش الوطني الأفغاني ببساطة ، أي ليست هناك حاجة لوضع الأسلحة جانبًا لتشغيل الجهاز. "إنه يجعل المهمة بسيطة وبديهية." يحتوي AHA Probot الأكبر من Roboteam أيضًا على ليدار على متن الطائرة لمساعدته على السفر لمسافات طويلة. "لا يمكنك مطالبة عامل بالضغط على زر لمدة ثلاثة أيام متتالية … يمكنك استخدام مستشعر ليدار لتتبع الجنود ببساطة ، أو تتبع السيارة ، أو حتى الانتقال تلقائيًا من نقطة إلى أخرى ، سيساعدك الليدار في هذه المواقف. تجنب العقبات ". ويتوقع أبوخزيرة اختراقات كبيرة في هذا المجال في المستقبل.على سبيل المثال ، أراد المستخدمون أن يكون لديهم موقف يتفاعل فيه الإنسان والجيش الوطني الأفغاني مثل جنديين. "أنت لا تتحكم في بعضكما البعض. تنظرون إلى بعضكم البعض ، وتتصلون ببعضكم البعض ، وتتصرفون تمامًا كما ينبغي. أعتقد أننا سنحصل على هذا المستوى من التواصل بين الناس والأنظمة. سيكون أكثر كفاءة. أعتقد أن الليدار يقودنا في هذا الاتجاه ".
دعنا نذهب تحت الأرض
يأمل أبو خزيرة أيضًا أن تعمل أجهزة استشعار ليدار على تحسين العمليات في البيئات الخطرة تحت الأرض. توفر مستشعرات Lidar معلومات إضافية عند رسم خرائط الأنفاق. بالإضافة إلى ذلك ، لاحظ أنه في بعض الأحيان في نفق صغير ومظلم ، قد لا يدرك المشغل حتى أن AHA يقود في الاتجاه الخاطئ. "تعمل مستشعرات Lidar مثل GPS في الوقت الفعلي وتجعل العملية تبدو وكأنها لعبة فيديو. يمكنك رؤية نظامك في النفق ، وأنت تعرف إلى أين أنت ذاهب في الوقت الفعلي ".
وتجدر الإشارة إلى أن مستشعرات الليدار هي مصدر آخر للبيانات ولا ينبغي اعتبارها بديلاً مباشراً للرادار. لاحظ باك أن هناك فرقًا كبيرًا في الطول الموجي بين التقنيتين ، والتي لها مزاياها وعيوبها. غالبًا ما يكون الحل الأفضل هو استخدام كلتا التقنيتين ، على سبيل المثال ، قياس معلمات الرياح بسحابة الهباء الجوي. توفر الأطوال الموجية الأقصر لأجهزة الاستشعار البصرية كشفًا أفضل للاتجاهات مقارنة بالأطوال الموجية الأطول لحساس الترددات الراديوية (الرادار). ومع ذلك ، فإن خصائص انتقال الغلاف الجوي مختلفة جدًا بالنسبة لنوعي أجهزة الاستشعار. الرادار قادر على المرور عبر أنواع معينة من السحب التي يصعب على الليدار التعامل معها. ولكن في حالة الضباب ، على سبيل المثال ، يمكن أن يكون أداء الليدار أفضل قليلاً من الرادار.
قال Rosengarten إن الجمع بين الليدار ومصادر الضوء الأخرى مثل البيانات الشاملة (عند التصوير باستخدام نطاق واسع من الأطوال الموجية للضوء) سيعطي صورة كاملة لمنطقة الاهتمام. وخير مثال هنا هو تعريف موقع هبوط طائرات الهليكوبتر. يستطيع Lidar مسح منطقة ما ويقول إن ميلها صفر ، بغض النظر عن حقيقة أنه ينظر بالفعل إلى البحيرة. يمكن الحصول على هذا النوع من المعلومات من خلال استخدام مصادر الضوء الأخرى. يعتقد Rosengarten أن الصناعة ستعمل في نهاية المطاف على دمج التقنيات ، والجمع بين مصادر مختلفة من البيانات المرئية وغيرها من البيانات الضوئية. "سيجد طرقًا لجمع جميع البيانات تحت مظلة واحدة … الحصول على معلومات دقيقة وشاملة هو أكثر من مجرد استخدام بيانات ليدار ، ولكنه مهمة معقدة تشمل جميع التقنيات المتاحة."
