Cảm biến từ xa LiDAR: Nguyên lý, Ứng dụng, Tài nguyên miễn phí và Phần mềm

Cảm biến LiDAR trên khôngcó thể chụp các điểm cụ thể từ xung laser, được gọi là phép đo phản hồi rời rạc, hoặc ghi lại toàn bộ tín hiệu khi nó phản hồi, được gọi là dạng sóng đầy đủ, theo các khoảng thời gian cố định như 1 ns (bao phủ khoảng 15 cm). LiDAR dạng sóng đầy đủ chủ yếu được sử dụng trong lâm nghiệp, trong khi LiDAR phản hồi rời rạc có ứng dụng rộng hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Bài viết này chủ yếu thảo luận về LiDAR phản hồi rời rạc và các ứng dụng của nó. Trong chương này, chúng ta sẽ đề cập đến một số chủ đề chính về LiDAR, bao gồm các thành phần cơ bản, cách thức hoạt động, độ chính xác, hệ thống và các nguồn lực sẵn có.

Các thành phần cơ bản của LiDAR

Các hệ thống LiDAR trên mặt đất thường sử dụng tia laser có bước sóng từ 500–600 nm, trong khi các hệ thống LiDAR trên không sử dụng tia laser có bước sóng dài hơn, từ 1000–1600 nm. Thiết lập LiDAR trên không tiêu chuẩn bao gồm máy quét laser, một đơn vị đo khoảng cách (đơn vị đo khoảng cách) và các hệ thống điều khiển, giám sát và ghi lại. Nó cũng bao gồm Hệ thống định vị toàn cầu vi sai (DGPS) và Đơn vị đo lường quán tính (IMU), thường được tích hợp vào một hệ thống duy nhất được gọi là hệ thống vị trí và định hướng. Hệ thống này cung cấp dữ liệu vị trí chính xác (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và định hướng (lăn, nghiêng và hướng).

 Các mẫu mà tia laser quét khu vực có thể thay đổi, bao gồm đường zíc zắc, song song hoặc hình elip. Sự kết hợp giữa dữ liệu DGPS và IMU, cùng với dữ liệu hiệu chuẩn và các thông số lắp đặt, cho phép hệ thống xử lý chính xác các điểm laser đã thu thập. Sau đó, các điểm này được chỉ định tọa độ (x, y, z) trong hệ tọa độ địa lý bằng cách sử dụng dữ liệu Hệ thống trắc địa thế giới năm 1984 (WGS84).

Làm thế nào LiDARCảm biến từ xaTác phẩm? Giải thích theo cách đơn giản

Hệ thống LiDAR phát ra các xung laser nhanh về phía vật thể hoặc bề mặt mục tiêu.

Các xung laser phản xạ khỏi mục tiêu và quay trở lại cảm biến LiDAR.

Cảm biến đo chính xác thời gian cần thiết để mỗi xung truyền đến mục tiêu và quay trở lại.

Sử dụng tốc độ ánh sáng và thời gian di chuyển, khoảng cách đến mục tiêu được tính toán.

Kết hợp với dữ liệu vị trí và hướng từ cảm biến GPS và IMU, tọa độ 3D chính xác của phản xạ laser sẽ được xác định.

Điều này tạo ra một đám mây điểm 3D dày đặc biểu diễn bề mặt hoặc vật thể được quét.

Nguyên lý vật lý của LiDAR

Hệ thống LiDAR sử dụng hai loại laser: xung và sóng liên tục. Hệ thống LiDAR xung hoạt động bằng cách phát ra một xung ánh sáng ngắn và sau đó đo thời gian xung này truyền đến mục tiêu và quay trở lại máy thu. Phép đo thời gian khứ hồi này giúp xác định khoảng cách đến mục tiêu. Một ví dụ được thể hiện trong sơ đồ, trong đó biên độ của cả tín hiệu ánh sáng truyền đi (AT) và tín hiệu ánh sáng nhận được (AR) đều được hiển thị. Phương trình cơ bản được sử dụng trong hệ thống này liên quan đến tốc độ ánh sáng (c) và khoảng cách đến mục tiêu (R), cho phép hệ thống tính toán khoảng cách dựa trên thời gian ánh sáng quay trở lại.