Odborné znalosti

Laserový radar

2021-09-23
Lidar (Laser Radar) je radarový systém, který vysílá laserový paprsek k detekci polohy a rychlosti cíle. Jeho pracovní princip spočívá ve vyslání detekčního signálu (laserového paprsku) k cíli a následném porovnání přijatého signálu (cílového echa) odraženého od cíle s vysílaným signálem a po správném zpracování můžete získat relevantní informace o cíli, jako je vzdálenost cíle, azimut, výška, rychlost, poloha, dokonce i tvar a další parametry, aby bylo možné detekovat, sledovat a identifikovat letadla, střely a další cíle. Skládá se z laserového vysílače, optického přijímače, točny a systému zpracování informací. Laser převádí elektrické impulsy na světelné impulsy a vysílá je. Optický přijímač poté obnoví světelné impulsy odražené od cíle na elektrické impulsy a odešle je na displej.
LiDAR je systém, který integruje tři technologie: laser, globální polohovací systém a inerciální navigační systém, používané k získávání dat a generování přesných DEM. Kombinace těchto tří technologií dokáže s vysokou přesností lokalizovat místo dopadu laserového paprsku na objekt. Dále se dělí na stále vyspělejší terénní systém LiDAR pro získávání pozemních digitálních výškových modelů a vyspělý hydrologický systém LIDAR pro získávání podvodního DEM. Společným znakem těchto dvou systémů je použití laserů pro detekci a měření. Toto je také původní anglický překlad slova LiDAR, a to: LIght Detection And Ranging, zkráceně LiDAR.
Samotný laser má velmi přesné zaměřování a jeho přesnost dosahu může dosahovat několika centimetrů. Kromě samotného laseru závisí přesnost systému LIDAR také na vnitřních faktorech, jako je synchronizace laseru, GPS a inerciální měřicí jednotka (IMU). . S rozvojem komerčního GPS a IMU se stalo možné a široce používané získávat vysoce přesná data z mobilních platforem (např. v letadlech) prostřednictvím LIDAR.
Systém LIDAR obsahuje jednopaprskový úzkopásmový laser a přijímací systém. Laser generuje a vysílá světelný puls, zasáhne objekt a odráží jej zpět a nakonec je přijat přijímačem. Přijímač přesně měří dobu šíření světelného impulsu od emise k odrazu. Protože se světelné impulsy šíří rychlostí světla, přijímač vždy přijme odražený impuls před dalším impulsem. Vzhledem k tomu, že je známa rychlost světla, lze cestovní čas převést na měření vzdálenosti. Kombinací výšky laseru, úhlu laserového skenování, polohy laseru získaného z GPS a směru laserové emise získané z INS lze přesně vypočítat souřadnice X, Y, Z každého pozemního bodu. Frekvence vyzařování laserového paprsku se může pohybovat od několika pulzů za sekundu až po desítky tisíc pulzů za sekundu. Například systém s frekvencí 10 000 pulzů za sekundu zaznamená přijímač 600 000 bodů za jednu minutu. Obecně lze říci, že rozteč pozemních bodů systému LIDAR se pohybuje v rozmezí 2-4m. [3]
Princip činnosti lidaru je velmi podobný jako u radaru. Při použití laseru jako zdroje signálu naráží pulzní laser emitovaný laserem na stromy, silnice, mosty a budovy na zemi, což způsobuje rozptyl a část světelných vln se odrazí do přijímače lidaru. Na zařízení se podle principu laserového zaměřování získá vzdálenost od laserového radaru k cílovému bodu. Pulzní laser nepřetržitě skenuje cílový objekt, aby získal data všech cílových bodů na cílovém objektu. Po zpracování obrazu s těmito daty lze získat přesné trojrozměrné obrazy.
Nejzákladnější pracovní princip lidaru je stejný jako u radiolokátoru, to znamená, že signál vysílá radarový vysílací systém, který se odráží od cíle a sbírá přijímacím systémem, a určuje se vzdálenost cíle. měřením doby chodu odraženého světla. Pokud jde o radiální rychlost cíle, lze ji určit pomocí Dopplerova frekvenčního posunu odraženého světla nebo ji lze měřit měřením dvou nebo více vzdáleností a výpočtem rychlosti změny pro získání rychlosti. To je a je také základním principem radarů přímé detekce. pracovní princip
Výhody Lidaru
Ve srovnání s běžným mikrovlnným radarem, protože používá laserový paprsek, je provozní frekvence lidaru mnohem vyšší než u mikrovlnného, ​​takže přináší mnoho výhod, zejména:
(1) Vysoké rozlišení
Lidar může získat extrémně vysoké rozlišení úhlu, vzdálenosti a rychlosti. Obvykle úhlové rozlišení není menší než 0,1 mard, což znamená, že může rozlišit dva cíle vzdálené 0,3 m od sebe na vzdálenost 3 km (to je v žádném případě nemožné pro mikrovlnný radar) a může sledovat více cílů současně; rozlišení rozsahu může být až 0,lm; rozlišení rychlosti může dosáhnout do 10 m/s. Vysoké rozlišení vzdálenosti a rychlosti znamená, že dopplerovskou zobrazovací technologii lze použít k získání jasného obrazu cíle. Vysoké rozlišení je nejvýznamnější výhodou lidaru a na tom je založena většina jeho aplikací.
(2) Dobré skrytí a silná antiaktivní schopnost rušení
Laser se šíří přímočaře, má dobrou směrovost a paprsek je velmi úzký. Může být přijímán pouze na své cestě šíření. Proto je pro nepřítele velmi obtížné zachytit. Startovací systém laserového radaru (vysílací dalekohled) má malou aperturu a oblast příjmu je úzká, takže je úmyslně vypuštěn. Pravděpodobnost, že laserový rušící signál vstoupí do přijímače, je extrémně nízká; kromě toho, na rozdíl od mikrovlnného radaru, který je citlivý na elektromagnetické vlny, které se v přírodě běžně vyskytují, v přírodě není mnoho zdrojů signálu, které by mohly rušit laserový radar, takže laserový radar je antiaktivní Schopnost rušení je velmi silná, vhodné pro práci ve stále složitějším a intenzivnějším prostředí informační války.
(3) Dobrý výkon detekce malých nadmořských výšek
Vlivem různých odrazů pozemních objektů v mikrovlnném radaru existuje v malé výšce určitá oblast slepé oblasti (nedetekovatelná oblast). U lidaru se bude odrážet pouze osvětlený cíl a nedochází k žádnému dopadu ozvěny pozemního objektu, takže může pracovat v "nulové výšce" a výkon detekce v malé výšce je mnohem silnější než u mikrovlnného radaru.
(4) Malá velikost a nízká hmotnost
Obecně je objem běžného mikrovlnného radaru obrovský, hmotnost celého systému se zaznamenává v tunách a průměr optické antény může dosahovat několika metrů nebo dokonce desítek metrů. Lidar je mnohem lehčí a obratnější. Průměr odpalovacího dalekohledu je obecně jen v úrovni centimetrů a hmotnost celého systému jen desítky kilogramů. Snadno se nastavuje a demontuje. Navíc je struktura lidaru relativně jednoduchá, údržba pohodlná, obsluha snadná a cena nízká.
Nevýhody lidaru
V prvé řadě je práce velmi ovlivněna počasím a atmosférou. Obecně je útlum laseru za jasného počasí malý a vzdálenost šíření je relativně dlouhá. Za špatného počasí, jako je silný déšť, hustý kouř a mlha, se útlum prudce zvyšuje a vzdálenost šíření je značně ovlivněna. Například co2 laser s pracovní vlnovou délkou 10,6μm má ze všech laserů lepší přenos do atmosféry a útlum za špatného počasí je 6krát vyšší než ve slunečných dnech. Dosah co2 lidaru používaného na zemi nebo v malé výšce je 10-20 km za slunečného dne, zatímco za špatného počasí je snížen na méně než 1 km. Navíc atmosférická cirkulace také způsobí zkreslení a chvění laserového paprsku, což přímo ovlivňuje přesnost měření lidaru.
Za druhé, kvůli extrémně úzkému paprsku lidaru je velmi obtížné hledat cíle ve vesmíru, což přímo ovlivňuje pravděpodobnost zachycení a účinnost detekce nespolupracujících cílů. Dokáže vyhledávat a zachycovat cíle pouze v malém dosahu. Proto je lidar méně nezávislý a přímý. Používá se na bojišti pro detekci a vyhledávání cílů.